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
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 4. Знайдіть y(1,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, 0)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 3 при x > 0, y(1) = 0. Знайдіть y(3).

y′ + y/x = 3y(1) = 0
y(3) =
3.ІнтегралиСередня
xy2y = x·sin x

Обчисліть I = ∫₀2 x·sin x dx (x у радіанах).

∫₀2 x·sin x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
xy−33

Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.

y = 9 − x²
A =
5.ПохідніСередня
xyx = −1

Нехай f(x) = (2x − 1)4. Знайдіть f′(−1).

f(x) = (2x − 1)4x = −1
f′(−1) =
6.ПохідніСкладна
xy

Нехай f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x − 2. Знайдіть x-координату x локального максимуму.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x − 2
x =
7.Чисельні методиСередня
xy12,54

Наближено обчисліть ∫14 1/x dx за формулою Сімпсона, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |S − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
00,10,20,31,71,81,92ty(0, 2)

Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,1 для y′ = cos t − y, y(0) = 2, щоб оцінити y3 ≈ y(0,3).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,1
y3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,8962

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.

Подвійний корінь

(r + 2)² = 0 → r = −2

Сталі

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 6 = 10

Обчисліть

y(1,5) = (3 + 10·1,5)·e−3 = 0,8962

Відповідь

y(1,5) = 0,8962
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 4

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.

Інтегрувальний множник

μ = e∫1/x dx = x1

Інтегруйте

(x1y)′ = 3x → x1y = 3x2/2 + C

Початкова умова

0 = 3/2 + C → C = −1,5

Обчисліть

y(3) = (3·32/2 + (−1,5))/31 = 4

Відповідь

y(3) = 4
3.Інтеграли

Відповідь: I = 1,742

Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.

Оберіть u та dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Первісна

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Границі

(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742

Відповідь

I = 1,742
4.Інтеграли

Відповідь: A = 36

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.

Нулі

9 − x² = 0 → x = ±3

Інтегруйте

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Відповідь

A = 36
5.Похідні

Відповідь: f′(−1) = −216

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.

Ланцюгове правило

f′(x) = 4·(2x − 1)3·2

Підставте

f′(−1) = 4·(−3)3·2 = −216

Відповідь

f′(−1) = −216
6.Похідні

Відповідь: x = 1

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.

Похідна

f′(x) = 3x2 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

Розв'яжіть f′(x) = 0

x = 1 або x = 4

Що є що

f″(x) = 6x − 15: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 1

Відповідь

x = 1
7.Чисельні методи

Відповідь: |E| = 0,03871

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.

Точне значення

I = 1,386294

Формула Сімпсона

S = (1,5/3)·(1 + 4·0,4 + 0,25) = 1,425

Похибка

|E| = |1,425 − 1,386294| = 0,03871

Відповідь

|E| = 0,03871

Відносна похибка: 2,792 %.

8.Чисельні методи

Відповідь: y3 = 1,737

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁002−1−0,9049961,9047510,11,90475−0,909746−0,8337091,81757720,21,817577−0,837511−0,778491,736777

Кроки Хойна

y₁ = 2 + (0,1/2)(−1 − 0,904996) = 1,90475
y₂ = 1,90475 + (0,1/2)(−0,909746 − 0,833709) = 1,817577
y₃ = 1,817577 + (0,1/2)(−0,837511 − 0,77849) = 1,736777
00,10,20,31,71,81,92ty

Графік

y3 = 1,737

Відповідь

y3 = 1,737

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations