Phương trình vi phân: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 8 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phương trình vi phân

Tăng trưởng/suy giảm theo hàm mũ: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
Chu kỳ bán rã: k = ln 2 / t_½
Định luật làm nguội Newton: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
Thừa số tích phân: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
Bể trộn: dm/dt = r·c − (r/V)·m

Tích phân

Quy tắc lũy thừa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Tích phân xác định: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Các tích phân thường gặp: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Diện tích giữa các đường cong: ∫_a^b (f − g) dx

Phương pháp

Viết lại hàm dưới dấu tích phân thành tổng các số hạng đơn giản nếu có thể.
Áp dụng quy tắc lũy thừa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), và các tích phân chuẩn cho e^x, 1/x, sin và cos.
Dùng phép đổi biến khi bạn thấy một hàm và đạo hàm của nó đi cùng nhau.
Với tích phân xác định, tính F(b) − F(a).

Đạo hàm

Quy tắc lũy thừa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Quy tắc tích: (uv)′ = u′v + uv′
Quy tắc thương: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Quy tắc dây chuyền: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Các đạo hàm thường gặp: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Phương pháp

Xác định cấu trúc: tổng, tích, thương hay hàm hợp.
Áp dụng quy tắc lũy thừa cho từng lũy thừa của x.
Dùng quy tắc tích, thương hoặc dây chuyền khi cần.
Rút gọn, và tính giá trị tại điểm nếu được yêu cầu.

Phương pháp số

Phương pháp chia đôi: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Nội suy tuyến tính: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Quy tắc hình thang: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Quy tắc Simpson (n chẵn): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Chặn sai số hình thang: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun: 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)

Phương pháp

Với một nghiệm: hãy kiểm tra đổi dấu cho phương pháp chia đôi, hoặc tính f và f′ cho Newton, và giữ sáu chữ số trở lên trong bảng các giá trị lặp.
Với một giá trị trong bảng: hãy nội suy tuyến tính giữa hai điểm lân cận.
Với một tích phân: tìm h = (b − a)/n, liệt kê f tại mọi nút, áp dụng các trọng số (1, 2, …, 2, 1 cho hình thang; 1, 4, 2, …, 4, 1 cho Simpson với n chẵn) và nhân với h/2 hoặc h/3.
Với một phương trình vi phân thường: hãy bước từ t₀ với yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) hoặc độ dốc trung bình (Heun), một hàng cho mỗi bước, cho đến khi đạt t được yêu cầu.

2Bài tập

1.Phương trình vi phânTrung bình

Một lon nước ngọt ở 6 °C được lấy từ tủ lạnh ra phòng có nhiệt độ 23 °C. Sau 14 phút, nhiệt độ của nó là 13 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Tìm hằng số k theo min⁻¹.

T₀ = 6 °CT_a = 23 °CT(14) = 13 °C

k = min⁻¹

2.Phương trình vi phânKhó

Một hệ thỏa y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 với t ≥ 0, bắt đầu từ trạng thái nghỉ: y(0) = 0, y′(0) = 0. Tìm giá trị đỉnh y_max của đáp ứng bậc thang của nó.

y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0

y_max =

3.Tích phânTrung bình

Tính I = ∫₀² e^x dx.

f(x) = e^x[0, 2]

I =

4.Tích phânKhó

Tìm diện tích A của miền giới hạn bởi y = 2x² và y = 4x.

y = 2x²y = 4x

A =

5.Đạo hàmTrung bình

Cho f(x) = x²·e^−0,5x. Tìm f′(0,5).

f(x) = x²·e^−0,5xx = 0,5

f′(0.5) =

6.Đạo hàmKhó

Cho f(x) = x³ − 1,5x² − 6x + 4. Tìm hoành độ x của điểm cực đại địa phương.

f(x) = x³ − 1,5x² − 6x + 4

x =

7.Phương pháp sốTrung bình

Hãy xấp xỉ ∫₀² sin(x²) dx bằng quy tắc hình thang với n = 4 dải. Hãy cho T.

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 4

T =

8.Phương pháp sốKhó

Hãy dùng phương pháp Heun (Euler cải tiến) với h = 0,25 cho y′ = cos t − y, y(0) = 2 để ước lượng y₂ ≈ y(0,5).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,25

y₂ =

3Dung dịch

1.Phương trình vi phân

Đáp số: k = 0,0379 min⁻¹

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·e^kt (tăng trưởng khi k > 0, suy giảm khi k < 0); chu kỳ bán rã T cho k = ln 2/T. Định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), cho T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt. Phương trình tuyến tính y′ + p(x)·y = q(x) được giải bằng thừa số tích phân μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq, nên μy = ∫μq dx + C.

Tỉ số các hiệu nhiệt độ

e^−14k = -10/-17

Giải tìm k

k = ln(-17/-10)/14 = 0,0379 min⁻¹

Đáp số

k = 0,0379 min⁻¹

2.Phương trình vi phân

Đáp số: y_max = 2,19

Phương trình tuyến tính bậc hai: với y″ + b·y′ + c·y = 0, thử y = e^rt: điều này cho phương trình đặc trưng r² + b·r + c = 0. Hai nghiệm thực r₁ ≠ r₂ cho y = A·e^r₁t + B·e^r₂t (quá tắt dần); nghiệm kép r cho y = (A + Bt)·e^rt (tắt dần tới hạn); nghiệm phức −α ± jω cho y = e^−αt(A cos ωt + B sin ωt) (dưới tắt dần, dao động). Các giá trị ban đầu y(0) và y′(0) xác định A và B. Viết dưới dạng y″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0, ω_n là tần số riêng và ζ là hệ số tắt dần: ζ < 1 thì dao động. Với đầu vào hằng, y″ + by′ + cy = c·K, nghiệm là giá trị xác lập K cộng đáp ứng tự do.

Giá trị xác lập và các nghiệm

y_ss = 2, r = −1,5 ± 2j

Các hằng số từ các giá trị ban đầu

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2

y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −1,5

Đỉnh

t = π/2 = 1,571

y_max = 2·(1 + e^−1,5·π/2) = 2,19

Đáp số

y_max = 2,19

3.Tích phân

Đáp số: I = 6,389

Tích phân xác định: ∫ₐᵇ f(x) dx là diện tích đại số giữa đồ thị và trục x từ a đến b. Tìm một nguyên hàm F (với F′ = f) và tính F(b) − F(a). Quy tắc lũy thừa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Diện tích giữa hai đường cong là ∫(trên − dưới) dx.

Nguyên hàm

F(x) = e^x/1

Tính tại các cận

I = (e² − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389

Đáp số

I = 6,389

4.Tích phân

Đáp số: A = 2,667

Các giao điểm

2x² = 4x → x = 0, x = 2

Lấy tích phân của trên trừ dưới

A = [2x² − 0,6667x³]₀² = 2,667

Đáp số

A = 2,667

5.Đạo hàm

Đáp số: f′(0.5) = 0,6815

Đạo hàm: đạo hàm f′(x) là hệ số góc của đồ thị tại x. Quy tắc lũy thừa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Quy tắc tích: (uv)′ = u′v + uv′. Quy tắc dây chuyền: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Tại nơi f′(x) = 0, đồ thị có tiếp tuyến nằm ngang: cực đại, cực tiểu hoặc điểm yên ngựa.

Quy tắc tích

f′(x) = u′v + uv′ = e^−0,5x·(2x + (−0,5)·x²)

Thay giá trị

f′(0,5) = 0,7788·(1 + (−0,125)) = 0,6815

Đáp số

f′(0,5) = 0,6815

6.Đạo hàm

Đáp số: x = −1

Đạo hàm

f′(x) = 3x² − 3x − 6 = 3·(x² − x − 2)

Giải f′(x) = 0

x = −1 hoặc x = 2

Điểm nào là điểm nào

f″(x) = 6x − 3: âm tại cực đại, dương tại cực tiểu.

f″(−1) = −9, f″(2) = 9

x = −1

Đáp số

x = −1

7.Phương pháp số

Đáp số: T = 0,7443

Tích phân số: chia [a, b] thành n dải rộng h = (b − a)/n với các nút x₀ … xₙ. Quy tắc hình thang: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ]. Quy tắc Simpson (n chẵn): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ]. Sai số của hình thang giảm như h² (chặn (b − a)h²·M/12 với M = max|f″|), của Simpson như h⁴, nên Simpson thường chính xác hơn nhiều với cùng các nút.

Các nút và giá trị

h = 0,5

Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,247404 + 2·0,841471 + 2·0,778073 − 0,756802 = 2,977094

Quy tắc hình thang

T = (0,5/2)·2,977094 = 0,7443

Đáp số

T = 0,7443

Tích phân này không có nguyên hàm sơ cấp, đúng là lúc cần một quy tắc số.

8.Phương pháp số

Đáp số: y₂ = 1,589

Nghiệm số của y′ = f(t, y): phương pháp Euler đi theo độ dốc tại điểm đầu của mỗi bước: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Phương pháp Heun (Euler cải tiến) lấy trung bình độ dốc tại điểm đầu và tại điểm dự đoán của Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Phương pháp Runge–Kutta cổ điển (RK4) kết hợp bốn độ dốc: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Sai số toàn cục của Euler tỉ lệ với h, của Heun với h², của RK4 với h⁴.

Các bước Heun

y₁ = 2 + (0,25/2)(−1 − 0,781088) = 1,777364

y₂ = 1,777364 + (0,25/2)(−0,808452 − 0,697669) = 1,589099

Đồ thị

y₂ = 1,589

Đáp số

y₂ = 1,589

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations