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) = 5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 2. Знайдіть y(0,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 2y(1,5) = ?

Система підпорядковується y″ + 4y′ + 13y = 26 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + 4y′ + 13y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ІнтегралиСередня
xy1y = x·cos x

Обчисліть I = ∫₀1 x·cos x dx (x у радіанах).

∫₀1 x·cos x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
xy3y = 6xy = 2x²

Область між прямою y = 6x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 6xy = 2x²
V =
5.ПохідніСередня
xyx = 0

Нехай f(x) = (−2x + 1)4. Знайдіть f′(0).

f(x) = (−2x + 1)4x = 0
f′(0) =
6.ПохідніСкладна
xy

Нехай f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x + 4. Знайдіть x-координату x локального мінімуму.

f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x + 4
x =
7.Чисельні методиСередня
xy12,54

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

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
00,10,20,30,41,82ty(0, 2)

Розв’яжіть y′ = −2ty, y(0) = 2 методом Ейлера з кроком h = 0,1 до t = 0,4. Точний розв’язок — y = y₀e−t². Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(0,4) − y4|.

y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,1
|E| =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 2,165

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 + 4)² = 0 → r = −4

Сталі

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 2 + 20 = 22

Обчисліть

y(0,5) = (5 + 22·0,5)·e−2 = 2,165

Відповідь

y(0,5) = 2,165
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 2,086

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.

Усталене значення та корені

yss = 2, r = −2 ± 3j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −1,333

Обчисліть

y(1,5) = 2·(1 − e−3(cos 4,5 + 0,6667·sin 4,5)) = 2,086

Відповідь

y(1,5) = 2,086
3.Інтеграли

Відповідь: I = 0,3818

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 = cos x dx, v = sin x

Первісна

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

Границі

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818

Відповідь

I = 0,3818
4.Інтеграли

Відповідь: V = 407,2

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

6x = 2x² → x = 0, x = 3

Метод шайб

V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2

Відповідь

V = 407,2
5.Похідні

Відповідь: f′(0) = −8

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′(0) = 4·13·(−2) = −8

Відповідь

f′(0) = −8
6.Похідні

Відповідь: x = 2

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 − 9x + 6 = 3·(x2 − 3x + 2)

Розв'яжіть f′(x) = 0

x = 1 або x = 2

Що є що

f″(x) = 6x − 9: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.

f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 2

Відповідь

x = 2
7.Чисельні методи

Відповідь: |E| = 0,1512

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 трапецій

T = (1,5/2)·(1 + 2·0,4 + 0,25) = 1,5375

Похибка

|E| = |1,5375 − 1,386294| = 0,1512

Відповідь

|E| = 0,1512

Відносна похибка: 10,91 %.

8.Чисельні методи

Відповідь: |E| = 0,06442

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0020210,12−0,41,9620,21,96−0,7841,881630,31,8816−1,128961,768704

Кроки Ейлера

y4 = 1,768704

Точне значення

y(0,4) = 1,704288

Глобальна похибка

|E| = |1,704288 − 1,768704| = 0,06442
00,10,20,30,41,82ty

Графік

Відповідь

|E| = 0,06442

Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations