สมการเชิงอนุพันธ์: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 8 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

สมการเชิงอนุพันธ์

การเติบโต/การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
ครึ่งชีวิต: k = ln 2 / t_½
กฎการเย็นตัวของนิวตัน: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
ตัวประกอบอินทิเกรต: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
ถังผสม: dm/dt = r·c − (r/V)·m

อินทิกรัล

กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
อินทิกรัลจำกัดเขต: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
อินทิกรัลที่พบบ่อย: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
พื้นที่ระหว่างเส้นโค้ง: ∫_a^b (f − g) dx

วิธีการ

เขียนฟังก์ชันที่อินทิเกรตใหม่เป็นผลบวกของพจน์ง่าย ๆ เมื่อเป็นไปได้
ใช้กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) และอินทิกรัลมาตรฐานของ e^x, 1/x, sin และ cos
ใช้การแทนค่าเมื่อเห็นฟังก์ชันและอนุพันธ์ของมันอยู่ด้วยกัน
สำหรับอินทิกรัลจำกัดเขต คำนวณ F(b) − F(a)

อนุพันธ์

กฎกำลัง: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
กฎผลคูณ: (uv)′ = u′v + uv′
กฎผลหาร: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
กฎลูกโซ่: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
อนุพันธ์ที่พบบ่อย: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

วิธีการ

ระบุโครงสร้าง: ผลบวก ผลคูณ ผลหาร หรือฟังก์ชันประกอบ
ใช้กฎกำลังกับแต่ละกำลังของ x
ใช้กฎผลคูณ กฎผลหาร หรือกฎลูกโซ่ตามความจำเป็น
ลดรูป และคำนวณที่จุดนั้นถ้าโจทย์ถาม

วิธีเชิงตัวเลข

วิธีแบ่งครึ่ง: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
นิวตัน–ราฟสัน: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
การประมาณค่าในช่วงเชิงเส้น: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
กฎสี่เหลี่ยมคางหมู: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
กฎของซิมป์สัน (n เป็นเลขคู่): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
ขอบเขตความคลาดเคลื่อนของสี่เหลี่ยมคางหมู: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
ออยเลอร์: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
ฮอยน์: 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)

วิธีการ

สำหรับราก: ตรวจการเปลี่ยนเครื่องหมายสำหรับวิธีแบ่งครึ่ง หรือคำนวณ f และ f′ สำหรับนิวตัน และเก็บหกหลักขึ้นไปในตารางการวนซ้ำ
สำหรับค่าในตาราง: ประมาณค่าในช่วงเชิงเส้นระหว่างสองจุดที่อยู่ติดกัน
สำหรับอินทิกรัล: หา h = (b − a)/n เขียน f ที่ทุกจุดต่อ ใช้น้ำหนัก (1, 2, …, 2, 1 สำหรับสี่เหลี่ยมคางหมู; 1, 4, 2, …, 4, 1 สำหรับซิมป์สันเมื่อ n เป็นเลขคู่) และคูณด้วย h/2 หรือ h/3
สำหรับสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ: เดินจาก t₀ ด้วย yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (ออยเลอร์) หรือความชันเฉลี่ย (ฮอยน์) หนึ่งแถวต่อขั้น จนถึง t ที่ต้องการ

2โจทย์ฝึก

1.สมการเชิงอนุพันธ์ปานกลาง

น้ำอัดลมหนึ่งกระป๋องอุณหภูมิ 4 °C ถูกนำออกจากตู้เย็นมาไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 24 °C หลังผ่านไป 14 min อุณหภูมิเท่ากับ 13 °C เป็นไปตามกฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) หลังจากเริ่มต้นนานเท่าใด t จึงจะถึง 7 °C

T₀ = 4 °CT_a = 24 °CT(14) = 13 °CT = 7 °C

t = min

2.สมการเชิงอนุพันธ์ยาก

จงแก้ y′ + y = 5e^−0.5t โดย y(0) = 3 จงหา y(1)

y′ + y = 5e^−0.5ty(0) = 3

y(1) =

3.อินทิกรัลปานกลาง

คำนวณ I = ∫₀² 2x·(x² + 1)³ dx

f(x) = 2x·(x² + 1)³[0, 2]

I =

4.อินทิกรัลยาก

หาพื้นที่ A ของบริเวณที่ล้อมรอบด้วย y = 2x² และ y = 3x

y = 2x²y = 3x

A =

5.อนุพันธ์ปานกลาง

ให้ f(x) = (2x + 3)³ หา f′(2)

f(x) = (2x + 3)³x = 2

f′(2) =

6.อนุพันธ์ยาก

ให้ f(x) = x³ + 3x² + 5 หาพิกัด x x ของจุดสูงสุดสัมพัทธ์

f(x) = x³ + 3x² + 5

x =

7.วิธีเชิงตัวเลขปานกลาง

ประมาณ ∫₀^1.5 sin(x²) dx ด้วยกฎของซิมป์สันโดยใช้ n = 2 แถบ ให้ S

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1.5]n = 2

S =

8.วิธีเชิงตัวเลขยาก

จงแก้ y′ = 1.5y, y(0) = 2 ด้วยวิธีออยเลอร์และขั้น h = 0.5 จนถึง t = 2.5 คำตอบที่แท้จริงคือ y = y₀e^1.5t จงหาความคลาดเคลื่อนรวม |E| = |y(2.5) − y₅|

y′ = 1.5yy(0) = 2h = 0.5

|E| =

3สารละลาย

1.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: t = 3.806 min

สมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่ง: dy/dt = k·y มีคำตอบ y = y₀·e^kt (เติบโตเมื่อ k > 0 สลายตัวเมื่อ k < 0) ครึ่งชีวิต T ให้ k = ln 2/T กฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) ให้ T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt สมการเชิงเส้น y′ + p(x)·y = q(x) แก้ด้วยตัวคูณอินทิเกรต μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq ดังนั้น μy = ∫μq dx + C

ค่าคงที่การเย็นตัว

k = ln(-20/-11)/14 = 0.0427 min⁻¹

เวลาที่ถึงเป้าหมาย

t = ln(-20/(−17))/0.0427 = 3.806 min

คำตอบ

t = 3.806 min

2.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(1) = 3.49

ตัวประกอบอินทิเกรต

μ = e^t

(e^ty)′ = 5e^0.5t

คำตอบทั่วไป

y = 5/0.5·e^−0.5t + C·e^−t = 10·e^−0.5t + C·e^−t

เงื่อนไขเริ่มต้น

3 = 10 + C → C = −7

คำนวณค่า

y(1) = 10·0.6065 + (−7)·0.3679 = 3.49

คำตอบ

y(1) = 3.49

3.อินทิกรัล

คำตอบ: I = 156

อินทิกรัลจำกัดเขต: ∫ₐᵇ f(x) dx คือพื้นที่แบบมีเครื่องหมายระหว่างกราฟกับแกน x จาก a ถึง b หาปฏิยานุพันธ์ F (โดย F′ = f) แล้วคำนวณ F(b) − F(a) กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) พื้นที่ระหว่างเส้นโค้งสองเส้นคือ ∫(บน − ล่าง) dx

การแทนค่า

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁⁵ u³ du

อินทิเกรตและคำนวณค่า

I = [u⁴/4]₁⁵ = (625 − 1)/4 = 156

คำตอบ

I = 156

4.อินทิกรัล

คำตอบ: A = 1.125

จุดตัด

2x² = 3x → x = 0, x = 1.5

อินทิเกรตบนลบล่าง

A = [1.5x² − 0.6667x³]₀^1.5 = 1.125

คำตอบ

A = 1.125

5.อนุพันธ์

คำตอบ: f′(2) = 294

การหาอนุพันธ์: อนุพันธ์ f′(x) คือความชันของกราฟที่ x กฎกำลัง: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹ กฎผลคูณ: (uv)′ = u′v + uv′ กฎลูกโซ่: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x) ตรงที่ f′(x) = 0 กราฟมีเส้นสัมผัสในแนวนอน ซึ่งเป็นจุดสูงสุด จุดต่ำสุด หรือจุดโค้งเว้า

กฎลูกโซ่

f′(x) = 3·(2x + 3)²·2

แทนค่า

f′(2) = 3·7²·2 = 294

คำตอบ

f′(2) = 294

6.อนุพันธ์

คำตอบ: x = −2

อนุพันธ์

f′(x) = 3x² + 6x = 3·(x² + 2x)

แก้สมการ f′(x) = 0

x = −2 หรือ x = 0

อันไหนคืออันไหน

f″(x) = 6x + 6: เป็นลบที่จุดสูงสุด เป็นบวกที่จุดต่ำสุด

f″(−2) = −6, f″(0) = 6

x = −2

คำตอบ

x = −2

7.วิธีเชิงตัวเลข

คำตอบ: S = 0.7278

การอินทิเกรตเชิงตัวเลข: แบ่ง [a, b] เป็น n แถบกว้าง h = (b − a)/n โดยมีจุดต่อ x₀ … xₙ กฎสี่เหลี่ยมคางหมู: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ] กฎของซิมป์สัน (n เป็นเลขคู่): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ] ความคลาดเคลื่อนของสี่เหลี่ยมคางหมูลดลงเหมือน h² (ขอบเขต (b − a)h²·M/12 โดย M = max|f″|) ของซิมป์สันเหมือน h⁴ ดังนั้นซิมป์สันมักแม่นยำกว่ามากสำหรับจุดต่อเท่ากัน

จุดต่อและค่า

h = 0.75

Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.533303 + 0.778073 = 2.911284

กฎของซิมป์สัน

S = (0.75/3)·2.911284 = 0.7278

คำตอบ

S = 0.7278

อินทิกรัลนี้ไม่มีปฏิยานุพันธ์ในรูปฟังก์ชันพื้นฐาน ซึ่งเป็นเวลาที่ต้องใช้กฎเชิงตัวเลขพอดี

8.วิธีเชิงตัวเลข

คำตอบ: |E| = 52.22

คำตอบเชิงตัวเลขของ y′ = f(t, y): วิธีออยเลอร์เดินตามความชันที่จุดเริ่มต้นของแต่ละขั้น: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) วิธีของฮอยน์ (ออยเลอร์ปรับปรุง) เฉลี่ยความชันที่จุดเริ่มต้นและที่ค่าทำนายของออยเลอร์: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂) วิธีรุงเง–คุตตาแบบดั้งเดิม (RK4) รวมสี่ความชัน: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄) ความคลาดเคลื่อนรวมของออยเลอร์เป็นสัดส่วนกับ h ของฮอยน์กับ h² ของ RK4 กับ h⁴

ขั้นของออยเลอร์

y₅ = 32.826172

ค่าที่แท้จริง

y(2.5) = 85.042164

ความคลาดเคลื่อนรวม

|E| = |85.042164 − 32.826172| = 52.22

กราฟ

คำตอบ

|E| = 52.22

การลด h ลงครึ่งหนึ่งทำให้ความคลาดเคลื่อนของวิธีออยเลอร์ลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations