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)23Ta​T = ?

Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 25 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,09 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 23 min.

T0 = 6 °CTa = 25 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 23 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 1y(0,75) = ?

Система підпорядковується y″ + 4y′ + 13y = 13 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,75); кути в радіанах.

y″ + 4y′ + 13y = 13y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.ІнтегралиСередня
xy15

Обчисліть I = ∫15 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 5]
I =
4.ІнтегралиСкладна
xy3y = 3xy = x²

Область між прямою y = 3x і параболою y = x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 3xy = x²
V =
5.ПохідніСередня
xyx = 1

Нехай f(x) = (−2x + 3)4. Знайдіть f′(1).

f(x) = (−2x + 3)4x = 1
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
xy

Нехай f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 5. Знайдіть x-координату x локального максимуму.

f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 5
x =
7.Чисельні методиСередня
xy012

Наближено обчисліть ∫02 eˣ dx за формулою Сімпсона, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |S − I|.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
00,10,20,300,2ty(0, 0)

Скористайтеся методом Ейлера з h = 0,1 для y′ = e−ty, y(0) = 0, щоб оцінити y3 ≈ y(0,3).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,1
y3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 22,6 °C

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.

Розв’язок закону охолодження

T(t) = 25 + (−19)·e−0,09t

Підставте t

T(23) = 25 + (−19)·0,1262 = 22,6 °C

Відповідь

T = 22,6 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.75) = 1,024

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 = 1, r = −2 ± 3j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −0,6667

Обчисліть

y(0,75) = 1·(1 − e−1,5(cos 2,25 + 0,6667·sin 2,25)) = 1,024

Відповідь

y(0,75) = 1,024
3.Інтеграли

Відповідь: I = 8,047

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.

Первісна

F(x) = 5·ln x

Підставте межі

I = 5·(ln 5 − ln 1) = 5·ln 5 = 8,047

Відповідь

I = 8,047
4.Інтеграли

Відповідь: V = 101,8

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

3x = 1x² → x = 0, x = 3

Метод шайб

V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8

Відповідь

V = 101,8
5.Похідні

Відповідь: f′(1) = −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 + 3)3·(−2)

Підставте

f′(1) = 4·13·(−2) = −8

Відповідь

f′(1) = −8
6.Похідні

Відповідь: x = 3

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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)

Розв'яжіть f′(x) = 0

x = 3 або x = 7

Що є що

f″(x) = 6x − 30: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.

f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3

Відповідь

x = 3
7.Чисельні методи

Відповідь: |E| = 0,03167

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 = 6,389056

Формула Сімпсона

S = (1/3)·(1 + 4·2,718282 + 7,389056) = 6,420728

Похибка

|E| = |6,420728 − 6,389056| = 0,03167

Відповідь

|E| = 0,03167

Відносна похибка: 0,4957 %.

8.Чисельні методи

Відповідь: y3 = 0,2951

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₊₁00010,110,10,10,990050,19900520,20,1990050,9609810,295103

Кроки Ейлера

y₁ = 0 + 0,1·(1) = 0,1
y₂ = 0,1 + 0,1·(0,99005) = 0,199005
y₃ = 0,199005 + 0,1·(0,960981) = 0,295103
00,10,20,300,2ty

Графік

y3 = 0,2951

Відповідь

y3 = 0,2951

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations