Дифференциальные уравнения: шпаргалка-пакет

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

Новые задачиНазад 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 = y0ekt
Период полураспада
k = ln 2 / t½
Закон охлаждения Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)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
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
  2. Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для ex, 1/x, sin и cos.
  3. Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
  4. 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

  1. Определите структуру: сумма, произведение, частное или композиция.
  2. Примените правило степени к каждой степени x.
  3. Где нужно, используйте правила дифференцирования произведения, частного или сложной функции.
  4. 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
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Линейная интерполяция
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Метод трапеций
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Метод Симпсона (n чётное)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Оценка погрешности метода трапеций
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Эйлер
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Хойн
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Метод

  1. Для корня: проверьте смену знака для бисекции или вычислите f и f′ для метода Ньютона и сохраняйте шесть и более цифр в таблице итераций.
  2. Для значения из таблицы: интерполируйте линейно между двумя соседними точками.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)35Ta​137 °C

Кованую стальную деталь температурой 480 °C оставили остывать в цехе при 25 °C. Через 35 min температура равна 137 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.

T0 = 480 °CTa = 25 °CT(35) = 137 °C
k = min⁻¹
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 1y(0,25) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(0,25); углы в радианах.

y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.ИнтегралыСредняя
xy4y = 2x

Область под y = 2x от x = 0 до x = 4 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).

y = 2x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.ИнтегралыСложная
xyy = 2x2​y = 4x

Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
5.ПроизводныеСредняя
xyx = −1

Пусть f(x) = (−2x − 1)5. Найдите f′(−1).

f(x) = (−2x − 1)5x = −1
f′(−1) =
6.ПроизводныеСложная
xyx = −2

Касательная к f(x) = 2x2 + 4x + 6 в точке x = −2 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.

f(x) = 2x2 + 4x + 6x = −2
b =
7.Численные методыСредняя
xy00,16670,33330,50,66670,83331

Приблизьте ∫01 √x·e−x dx методом Симпсона с n = 6 полосами. Укажите S.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 6
S =
8.Численные методыСложная
00,20,40,60,50,60,70,8ty(0, 0,5)

Используйте метод Эйлера с h = 0,25 для y′ = cos t − y, y(0) = 0,5, чтобы оценить y3 ≈ y(0,75).

y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,25
y3 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: k = 0,04005 min⁻¹

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (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.

Отношение разностей температур

e−35k = 112/455

Найдите k

k = ln(455/112)/35 = 0,04005 min⁻¹

Ответ

k = 0,04005 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.25) = 0,2629

Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.

Установившееся значение и корни

yss = 1, r = −1,5 ± 3j

Константы по начальным значениям

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −0,5

Вычислите

y(0,25) = 1·(1 − e−0,375(cos 0,75 + 0,5·sin 0,75)) = 0,2629

Ответ

y(0,25) = 0,2629
3.Интегралы

Ответ: V = 268,1

Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.

Метод дисков

V = π∫₀4 4x² dx

Интегрируйте

V = π·4·4³/3 = 268,1

Ответ

V = 268,1

Проверка: конус с радиусом 8 и высотой 4 имеет (1/3)πr²h = 268,1.

4.Интегралы

Ответ: A = 2,667

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.

Точки пересечения

2x2 = 4x → x = 0, x = 2

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Ответ

A = 2,667
5.Производные

Ответ: f′(−1) = −10

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.

Цепное правило

f′(x) = 5·(−2x − 1)4·(−2)

Подставьте

f′(−1) = 5·14·(−2) = −10

Ответ

f′(−1) = −10
6.Производные

Ответ: b = −2

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.

Точка и наклон

f(−2) = 6
f′(x) = 4x + 4 → f′(−2) = −4

Касательная при x = 0

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

Ответ

b = −2
7.Численные методы

Ответ: S = 0,3732

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 + … + 2fn−1 + fₙ]. Метод Симпсона (n чётное): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−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.

ixᵢf(xᵢ)вес000110,1666670,345575420,3333330,41369230,50,428882440,6666670,419203250,8333330,3967324610,3678791

Узлы и значения

h = 0,1667
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,345575 + 2·0,41369 + 4·0,428882 + 2·0,419203 + 4·0,396732 + 0,367879 = 6,71842

Метод Симпсона

S = (0,1667/3)·6,71842 = 0,3732

Ответ

S = 0,3732

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

8.Численные методы

Ответ: y3 = 0,7526

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

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,50,50,62510,250,6250,3439120,71097820,50,7109780,1666040,752629

Шаги Эйлера

y₁ = 0,5 + 0,25·(0,5) = 0,625
y₂ = 0,625 + 0,25·(0,343912) = 0,710978
y₃ = 0,710978 + 0,25·(0,166604) = 0,752629
00,20,40,60,50,60,70,8ty

График

y3 = 0,7526

Ответ

y3 = 0,7526

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations