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
tyy(0) = 2y(1) = ?

Решите y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = -4. Найдите y(1).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(1) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
xy12(1, 4)y(2) = ?

Решите задачу Коши y′ + 2y/x = 2x при x > 0, y(1) = 4. Найдите y(2).

y′ + 2y/x = 2xy(1) = 4
y(2) =
3.ИнтегралыСредняя
xy13

Вычислите I = ∫13 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 3]
I =
4.ИнтегралыСложная
xyy = x2​y = 3x

Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
5.ПроизводныеСредняя
xyx = 2

Пусть f(x) = (−2x − 1)4. Найдите f′(2).

f(x) = (−2x − 1)4x = 2
f′(2) =
6.ПроизводныеСложная
xyx = 3

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

f(x) = x2 − x − 4x = 3
b =
7.Численные методыСредняя
xy00,30,60,91,21,5

Приблизьте ∫01,5 sin(x²) dx методом трапеций с n = 5 полосами. Укажите T.

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Численные методыСложная
00,511,511,5ty(0, 1)

Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,5 для y′ = e−ty, y(0) = 1, чтобы оценить y3 ≈ y(1,5).

y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y3 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1) = 0,2707

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.

Характеристические корни

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 2, −2A − 5B = -4
A = 2, B = 0

Вычислите

y(1) = 2·e−2 + 0·e−5 = 0,2707

Ответ

y(1) = 0,2707
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 2,875

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.

Интегрирующий множитель

μ = e∫2/x dx = x2

Интегрируйте

(x2y)′ = 2x3 → x2y = 2x4/4 + C

Начальное условие

4 = 2/4 + C → C = 3,5

Вычислите

y(2) = (2·24/4 + 3,5)/22 = 2,875

Ответ

y(2) = 2,875
3.Интегралы

Ответ: I = 3,296

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 3 − ln 1) = 3·ln 3 = 3,296

Ответ

I = 3,296
4.Интегралы

Ответ: A = 4,5

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

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Ответ

A = 4,5
5.Производные

Ответ: f′(2) = 1000

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) = 4·(−2x − 1)3·(−2)

Подставьте

f′(2) = 4·(−5)3·(−2) = 1000

Ответ

f′(2) = 1000
6.Производные

Ответ: b = −13

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(3) = 2
f′(x) = 2x − 1 → f′(3) = 5

Касательная при x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − 5·3 = −13

Ответ

b = −13
7.Численные методы

Ответ: T = 0,7641

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)вес000110,30,0898785220,60,352274230,90,724287241,20,991458251,50,7780731

Узлы и значения

h = 0,3
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,0898785 + 2·0,352274 + 2·0,724287 + 2·0,991458 + 0,778073 = 5,09387

Метод трапеций

T = (0,3/2)·5,09387 = 0,7641

Ответ

T = 0,7641

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

8.Численные методы

Ответ: y3 = 1,618

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00110,4723671,36809210,51,3680920,5045710,1978241,543691211,5436910,2135910,08410161,618114

Шаги метода Хойна

y₁ = 1 + (0,5/2)(1 + 0,472367) = 1,368092
y₂ = 1,368092 + (0,5/2)(0,504571 + 0,197824) = 1,543691
y₃ = 1,543691 + (0,5/2)(0,213591 + 0,0841016) = 1,618114
00,511,511,5ty

График

y3 = 1,618

Ответ

y3 = 1,618

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations