Диференціальні рівняння: шпаргалка-підсумок

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

Нові задачі Назад 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 = y₀e^kt
Період напіврозпаду: k = ln 2 / t_½
Закон охолодження Ньютона: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Основні інтеграли: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площа між кривими: ∫_a^b (f − g) dx

Метод

Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для e^x, 1/x, sin і cos.
Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
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

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

Чисельні методи

Бісекція: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Ньютон–Рафсон: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Лінійна інтерполяція: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Формула трапецій: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Формула Сімпсона (n парне): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Оцінка похибки трапецій: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Ейлер: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Хойн: 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)

Метод

Для кореня: перевірте зміну знака для бісекції або обчисліть f і f′ для Ньютона й зберігайте шість і більше цифр у таблиці ітерацій.
Для табличного значення: інтерполюйте лінійно між двома сусідніми точками.
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.
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

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 4. Знайдіть y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 4

y(0.5) =

2.Диференціальні рівнянняСкладна

Система підпорядковується y″ + y′ + 4,25y = 42,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення y_max її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + y′ + 4,25y = 42,5y(0) = 0y′(0) = 0

y_max =

3.ІнтегралиСередня

Обчисліть I = ∫₀² 2x·(x² + 1)² dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 2]

I =

4.ІнтегралиСкладна

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x² і y = 4x.

y = 0,5x²y = 4x

A =

5.ПохідніСередня

Нехай f(x) = x³·e^0,5x. Знайдіть f′(2).

f(x) = x³·e^0,5xx = 2

f′(2) =

6.ПохідніСкладна

Дотична до f(x) = 3x² − 3x − 2 у точці x = −1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.

f(x) = 3x² − 3x − 2x = −1

b =

7.Чисельні методиСередня

Наближено обчисліть ∫₀² e^−x² dx за формулою Сімпсона з n = 6 смугами. Дайте S.

f(x) = e^−x²[a, b] = [0, 2]n = 6

S =

8.Чисельні методиСкладна

Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,2 для y′ = cos t − y, y(0) = 3. Знайдіть y₁ ≈ y(0,2).

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,2

y₁ =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 1,236

Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = e^rt: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·e^r₁t + B·e^r₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·e^rt (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″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0 величина ω_n — 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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Сталі за початковими значеннями

A + B = 1, −2A − 3B = 4

A = 7, B = −6

Обчисліть

y(0,5) = 7·e⁻¹ + (−6)·e^−1,5 = 1,236

Відповідь

y(0,5) = 1,236

2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y_max = 14,56

Усталене значення та корені

y_ss = 10, r = −0,5 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10

y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −2,5

Пік

t = π/2 = 1,571

y_max = 10·(1 + e^−0,5·π/2) = 14,56

Відповідь

y_max = 14,56

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: A = 42,67

Точки перетину

0,5x² = 4x → x = 0, x = 8

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [2x² − 0,1667x³]₀⁸ = 42,67

Відповідь

A = 42,67

5.Похідні

Відповідь: f′(2) = 43,49

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.

Правило добутку

f′(x) = u′v + uv′ = e^0,5x·(3x² + 0,5·x³)

Підставте

f′(2) = 2,718·(12 + 4) = 43,49

Відповідь

f′(2) = 43,49

6.Похідні

Відповідь: b = −5

Точка і нахил

f(−1) = 4

f′(x) = 6x − 3 → f′(−1) = −9

Дотична при x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − (−9)·(−1) = −5

Відповідь

b = −5

7.Чисельні методи

Відповідь: S = 0,882

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 + … + 2f_n−1 + fₙ]. Формула Сімпсона (n парне): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−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.

Вузли та значення

h = 0,3333

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,894839 + 2·0,64118 + 4·0,367879 + 2·0,169013 + 4·0,0621765 + 0,0183156 = 7,938284

Формула Сімпсона

S = (0,3333/3)·7,938284 = 0,882

Відповідь

S = 0,882

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

8.Чисельні методи

Відповідь: y₁ = 2,636

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

Чотири нахили

k₁ = f(0, 3) = −2

k₂ = f(0,1, 2,8) = −1,804996

k₃ = f(0,1, 2,8195) = −1,824496

k₄ = f(0,2, 2,635101) = −1,655034

Об’єднайте

y₁ = 3 + (0,2/6)(−2 + 2·−1,804996 + 2·−1,824496 − 1,655034) = 2,636

Відповідь

y₁ = 2,636

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations