Диференціальні рівняння: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Диференціальні рівняння

Експоненціальне зростання/спадання
dy/dt = ky → y = y0ekt
Період напіврозпаду
k = ln 2 / t½
Закон охолодження Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Інтегрувальний множник
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак змішування
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Інтеграли

Похідна степеня
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Визначений інтеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основні інтеграли
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площа між кривими
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
  2. Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для ex, 1/x, sin і cos.
  3. Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
  4. Для визначеного інтеграла обчисліть F(b) − F(a).

Похідні

Похідна степеня
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Правило добутку
(uv)′ = u′v + uv′
Похідна частки
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Ланцюгове правило
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Основні похідні
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Метод

  1. Визначте структуру: сума, добуток, частка чи композиція.
  2. Застосуйте степеневе правило до кожного степеня x.
  3. За потреби використайте правило добутку, частки або ланцюгове правило.
  4. Спростіть і, якщо треба, обчисліть значення в точці.

Чисельні методи

Бісекція
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Ньютон–Рафсон
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Лінійна інтерполяція
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Формула трапецій
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Формула Сімпсона (n парне)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Оцінка похибки трапецій
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Ейлер
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 кореня: перевірте зміну знака для бісекції або обчисліть f і f′ для Ньютона й зберігайте шість і більше цифр у таблиці ітерацій.
  2. Для табличного значення: інтерполюйте лінійно між двома сусідніми точками.
  3. Для інтеграла: знайдіть h = (b − a)/n, випишіть f у кожному вузлі, застосуйте ваги (1, 2, …, 2, 1 для трапецій; 1, 4, 2, …, 4, 1 для Сімпсона з парним n) і помножте на h/2 або h/3.
  4. Для ЗДР: крокуйте від t₀ за yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Ейлер) або усередненим нахилом (Хойн), по одному рядку на крок, доки не дійдете до потрібного t.

2Задачі для практики

1.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)28Ta​26 °C

Чашку кави температурою 84 °C залишили в кімнаті з температурою 23 °C. Через 28 min її температура становить 26 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 84 °CTa = 23 °CT(28) = 26 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ІнтегралиСередня
xy02

Обчисліть I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
4.ІнтегралиСкладна
xy4y = 2xy = 0,5x²

Область між прямою y = 2x і параболою y = 0,5x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 2xy = 0,5x²
V =
5.ПохідніСередня
xyx = 1

Нехай f(x) = x·sin(2x), x у радіанах. Знайдіть f′(1).

f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
xyx = 3

Дотична до f(x) = 3x2 − 3x − 6 у точці x = 3 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.

f(x) = 3x2 − 3x − 6x = 3
b =
7.Чисельні методиСередня
xy00,30,60,91,21,5

Наближено обчисліть ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx за формулою трапецій з n = 5 смугами. Дайте T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Чисельні методиСкладна
00,20,400,020,04ty(0, 0)

Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,5 для y′ = t² + y², y(0) = 0. Знайдіть y₁ ≈ y(0,5).

y′ = t² + y²y(0) = 0h = 0,5
y1 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,1076 min⁻¹

Диференціальні рівняння першого порядку: dy/dt = k·y має розв’язок y = y₀·ekt (зростання при k > 0, спадання при k < 0); період напіврозпаду T дає k = ln 2/T. Закон охолодження Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) дає T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Лінійне рівняння y′ + p(x)·y = q(x) розв’язують з інтегрувальним множником μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, тож μy = ∫μq dx + C.

Відношення різниць температур

e−28k = 3/61

Розв’яжіть щодо k

k = ln(61/3)/28 = 0,1076 min⁻¹

Відповідь

k = 0,1076 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 2,185

Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.

Комплексні корені

r = −0,5 ± 4j

Сталі

A = 5, B = 0,5·5/4 = 0,625

Обчисліть

y(1,5) = e−0,75(5·cos 6 + 0,625·sin 6) = 2,185

Відповідь

y(1,5) = 2,185
3.Інтеграли

Відповідь: I = 41,33

Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.

Заміна змінної

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33

Відповідь

I = 41,33
4.Інтеграли

Відповідь: V = 107,2

Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.

Точки перетину

2x = 0,5x² → x = 0, x = 4

Метод шайб

V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2

Відповідь

V = 107,2
5.Похідні

Відповідь: f′(1) = 0,077

Диференціювання: похідна f′(x) — це нахил графіка в точці x. Степеневе правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило добутку: (uv)′ = u′v + uv′. Ланцюгове правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Де f′(x) = 0, графік має горизонтальну дотичну: максимум, мінімум або сідлову точку.

Правила добутку й ланцюгове

f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)

Підставте

f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077

Відповідь

f′(1) = 0,077
6.Похідні

Відповідь: b = −33

Диференціювання: похідна f′(x) — це нахил графіка в точці x. Степеневе правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило добутку: (uv)′ = u′v + uv′. Ланцюгове правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Де f′(x) = 0, графік має горизонтальну дотичну: максимум, мінімум або сідлову точку.

Точка і нахил

f(3) = 12
f′(x) = 6x − 3 → f′(3) = 15

Дотична при x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 15·3 = −33

Відповідь

b = −33
7.Чисельні методи

Відповідь: T = 1,196

Чисельне інтегрування: розбийте [a, b] на n смуг шириною h = (b − a)/n з вузлами x₀ … xₙ. Формула трапецій: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Формула Сімпсона (n парне): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Похибка трапецій зменшується як h² (оцінка (b − a)h²·M/12, де M = max|f″|), Сімпсона — як h⁴, тож за тих самих вузлів Сімпсон зазвичай значно точніший.

ixᵢf(xᵢ)вага001110,30,995974220,60,940887230,90,777064241,20,570396251,50,4061381

Вузли та значення

h = 0,3
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,995974 + 2·0,940887 + 2·0,777064 + 2·0,570396 + 0,406138 = 7,974782

Формула трапецій

T = (0,3/2)·7,974782 = 1,196

Відповідь

T = 1,196

Цей інтеграл не має елементарної первісної, і саме тоді потрібне чисельне правило.

8.Чисельні методи

Відповідь: y1 = 0,04179

Чисельний розв’язок y′ = f(t, y): метод Ейлера рухається вздовж нахилу на початку кожного кроку: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Метод Хойна (вдосконалений метод Ейлера) усереднює нахил на початку та в передбаченні Ейлера: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Класичний метод Рунге–Кутти (RK4) поєднує чотири нахили: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Глобальна похибка методу Ейлера пропорційна h, Хойна — h², RK4 — h⁴.

Чотири нахили

k₁ = f(0, 0) = 0
k₂ = f(0,25, 0) = 0,0625
k₃ = f(0,25, 0,015625) = 0,0627441
k₄ = f(0,5, 0,0313721) = 0,250984

Об’єднайте

y₁ = 0 + (0,5/6)(0 + 2·0,0625 + 2·0,0627441 + 0,250984) = 0,04179

Відповідь

y1 = 0,04179

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations