Дифференциальные уравнения: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Дифференциальные уравнения

Экспоненциальный рост/убывание: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
Период полураспада: k = ln 2 / t_½
Закон охлаждения Ньютона: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
Интегрирующий множитель: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
Бак смешения: dm/dt = r·c − (r/V)·m

Интегралы

Производная степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Определённый интеграл: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми: ∫_a^b (f − g) dx

Метод

Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для e^x, 1/x, sin и cos.
Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
Для определённого интеграла вычислите F(b) − F(a).

Производные

Производная степени: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′
Производная частного: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Цепное правило: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Основные производные: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Метод

Определите структуру: сумма, произведение, частное или композиция.
Примените правило степени к каждой степени x.
Где нужно, используйте правила дифференцирования произведения, частного или сложной функции.
Упростите и, если требуется, вычислите значение в точке.

Численные методы

Бисекция: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Метод Ньютона–Рафсона: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Линейная интерполяция: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Метод трапеций: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Метод Симпсона (n чётное): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Оценка погрешности метода трапеций: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Эйлер: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Хойн: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Метод

Для корня: проверьте смену знака для бисекции или вычислите f и f′ для метода Ньютона и сохраняйте шесть и более цифр в таблице итераций.
Для значения из таблицы: интерполируйте линейно между двумя соседними точками.
Для интеграла: найдите h = (b − a)/n, выпишите f в каждом узле, примените веса (1, 2, …, 2, 1 для трапеций; 1, 4, 2, …, 4, 1 для Симпсона при чётном n) и умножьте на h/2 или h/3.
Для ОДУ: идите от t₀ по формуле yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Эйлер) или по усреднённому наклону (Хойн), по одной строке на шаг, пока не дойдёте до нужного t.

2Тренировочные задачи

1.Дифференциальные уравненияСредняя

Кованую стальную деталь температурой 420 °C оставили остывать в цехе при 26 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,03 min⁻¹ найдите температуру T через 33 min.

T₀ = 420 °CT_a = 26 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 33 min

T = °C

2.Дифференциальные уравненияСложная

Решите y′ + 0,5y = 9e^−t при y(0) = 1. Найдите y(1,5).

y′ + 0,5y = 9e^−ty(0) = 1

y(1.5) =

3.ИнтегралыСредняя

Вычислите I = ∫₁⁵ 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 5]

I =

4.ИнтегралыСложная

Найдите площадь A области между параболой y = 1 − x² и осью x.

y = 1 − x²

A =

5.ПроизводныеСредняя

Пусть f(x) = x·sin(3x), x в радианах. Найдите f′(2).

f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad

f′(2) =

6.ПроизводныеСложная

Касательная к f(x) = −x² + 4x + 3 в точке x = −1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.

f(x) = −x² + 4x + 3x = −1

b =

7.Численные методыСредняя

Приблизьте ∫₀^1,5 e^−x² dx методом Симпсона с n = 6 полосами. Укажите S.

f(x) = e^−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 6

S =

8.Численные методыСложная

Сделайте один шаг классического метода Рунге–Кутты (RK4) с h = 0,2 для y′ = e^−ty, y(0) = 0,5. Найдите y₁ ≈ y(0,2).

y′ = e^−tyy(0) = 0,5h = 0,2

y₁ =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 172,4 °C

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·e^kt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.

Решение закона охлаждения

T(t) = 26 + 394·e^−0,03t

Подставьте t

T(33) = 26 + 394·0,3716 = 172,4 °C

Ответ

T = 172,4 °C

2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 4,959

Интегрирующий множитель

μ = e^0,5t

(e^0,5ty)′ = 9e^−0,5t

Общее решение

y = 9/(−0,5)·e^−t + C·e^−0,5t = −18·e^−t + C·e^−0,5t

Начальное условие

1 = −18 + C → C = 19

Вычислите

y(1,5) = −18·0,2231 + 19·0,4724 = 4,959

Ответ

y(1,5) = 4,959

3.Интегралы

Ответ: I = 4,828

Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.

Первообразная

F(x) = 3·ln x

Подставьте пределы

I = 3·(ln 5 − ln 1) = 3·ln 5 = 4,828

Ответ

I = 4,828

4.Интегралы

Ответ: A = 1,333

Нули

1 − x² = 0 → x = ±1

Интегрируйте

A = [1x − x³/3]₋₁¹ = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Ответ

A = 1,333

5.Производные

Ответ: f′(2) = 5,482

Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.

Правила произведения и цепное

f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)

Подставьте

f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482

Ответ

f′(2) = 5,482

6.Производные

Ответ: b = 4

Точка и наклон

f(−1) = −2

f′(x) = −2x + 4 → f′(−1) = 6

Касательная при x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − 6·(−1) = 4

Ответ

b = 4

7.Численные методы

Ответ: S = 0,8562

Численное интегрирование: разделите [a, b] на n полос шириной h = (b − a)/n с узлами x₀ … xₙ. Метод трапеций: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ]. Метод Симпсона (n чётное): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ]. Погрешность метода трапеций убывает как h² (оценка (b − a)h²·M/12, где M = max|f″|), метода Симпсона — как h⁴, поэтому при тех же узлах метод Симпсона обычно намного точнее.

Узлы и значения

h = 0,25

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,939413 + 2·0,778801 + 4·0,569783 + 2·0,367879 + 4·0,209611 + 0,105399 = 10,273989

Метод Симпсона

S = (0,25/3)·10,273989 = 0,8562

Ответ

S = 0,8562

У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.

8.Численные методы

Ответ: y₁ = 0,688

Численное решение y′ = f(t, y): метод Эйлера идёт по наклону в начале каждого шага: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) усредняет наклон в начале и в точке, предсказанной методом Эйлера: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Классический метод Рунге–Кутты (RK4) объединяет четыре наклона: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Глобальная погрешность метода Эйлера пропорциональна h, метода Хойна — h², метода RK4 — h⁴.

Четыре наклона

k₁ = f(0, 0,5) = 1

k₂ = f(0,1, 0,6) = 0,941765

k₃ = f(0,1, 0,594176) = 0,942313

k₄ = f(0,2, 0,688463) = 0,871367

Объедините

y₁ = 0,5 + (0,2/6)(1 + 2·0,941765 + 2·0,942313 + 0,871367) = 0,688

Ответ

y₁ = 0,688

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations