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(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 4. Знайдіть y(1,5).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
ty1,5y(1,5) = ?

Розв’яжіть y′ + 3y = 10e−0,5t при y(0) = 4. Знайдіть y(1,5).

y′ + 3y = 10e−0,5ty(0) = 4
y(1.5) =
3.ІнтегралиСередня
xyπ/2y = x·cos x

Обчисліть I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x у радіанах).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
xy2y = xy = 0,5x²

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

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

Нехай f(x) = ln(x2 + 4). Знайдіть f′(1).

f(x) = ln(x2 + 4)x = 1
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
xyx = 1

Дотична до f(x) = 3x2 + x + 1 у точці x = 1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.

f(x) = 3x2 + x + 1x = 1
b =
7.Чисельні методиСередня
xy00,51

Наближено обчисліть ∫01 sin x dx за формулою трапецій, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |T − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
00,10,20,30,400,20,4ty(0, 0)

Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,2 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0, щоб оцінити y2 ≈ y(0,4).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,2
y2 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,2195

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.

Характеристичні корені

(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Сталі за початковими значеннями

A + B = 5, −3A − 4B = 4
A = 24, B = −19

Обчисліть

y(1,5) = 24·e−4,5 + (−19)·e−6 = 0,2195

Відповідь

y(1,5) = 0,2195
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 1,889

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 = e3t
(e3ty)′ = 10e2,5t

Загальний розв’язок

y = 10/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 4·e−0,5t + C·e−3t

Початкова умова

4 = 4 + C → C = 0

Обчисліть

y(1,5) = 4·0,4724 + 0·0,01111 = 1,889

Відповідь

y(1,5) = 1,889
3.Інтеграли

Відповідь: I = 0,5708

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

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Відповідь

I = 0,5708
4.Інтеграли

Відповідь: V = 3,351

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

1x = 0,5x² → x = 0, x = 2

Метод шайб

V = π∫₀2 ((1x)² − (0,5x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(1·2³/3 − 0,25·2⁵/5) = π·1,067 = 3,351

Відповідь

V = 3,351
5.Похідні

Відповідь: f′(1) = 0,4

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 для логарифма

f′(x) = 2x/(x2 + 4)

Підставте

f′(1) = 2/5 = 0,4

Відповідь

f′(1) = 0,4
6.Похідні

Відповідь: b = −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.

Точка і нахил

f(1) = 5
f′(x) = 6x + 1 → f′(1) = 7

Дотична при x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 7·1 = −2

Відповідь

b = −2
7.Чисельні методи

Відповідь: |E| = 0,009617

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 = 0,459698

Формула трапецій

T = (0,5/2)·(0 + 2·0,479426 + 0,841471) = 0,450081

Похибка

|E| = |0,450081 − 0,459698| = 0,009617

Відповідь

|E| = 0,009617

Відносна похибка: 2,092 %.

8.Чисельні методи

Відповідь: y2 = 0,4245

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₊₁00011,0399890,20399910,20,2039991,0407881,1641170,424489

Кроки Хойна

y₁ = 0 + (0,2/2)(1 + 1,039989) = 0,203999
y₂ = 0,203999 + (0,2/2)(1,040788 + 1,164117) = 0,424489
00,10,20,30,400,20,4ty

Графік

y2 = 0,4245

Відповідь

y2 = 0,4245

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations