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 tách cà phê ở 94 °C được để trong phòng có nhiệt độ 22 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Với k = 0,11 min⁻¹, tìm nhiệt độ T sau 26 phút.

T₀ = 94 °CT_a = 22 °Ck = 0,11 min⁻¹t = 26 min

T = °C

2.Phương trình vi phânKhó

Một bể chứa 200 L nước trong đó hòa tan 20 kg muối. Nước muối với 0,25 kg muối mỗi lít chảy vào với tốc độ 2 L/min, và dung dịch đã trộn đều chảy ra với cùng tốc độ. Sau bao nhiêu phút t thì bể chứa 38 kg muối?

V = 200 Lm₀ = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min

t = min

3.Tích phânTrung bình

Tính I = ∫₀² 2x·(x² + 1)² dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 2]

I =

4.Tích phânKhó

Miền giữa đường thẳng y = 6x và parabol y = 2x² được quay quanh trục x. Tìm thể tích V của vật thể.

y = 6xy = 2x²

V =

5.Đạo hàmTrung bình

Cho f(x) = x³·e^−0,5x. Tìm f′(1).

f(x) = x³·e^−0,5xx = 1

f′(1) =

6.Đạo hàmKhó

Cho f(x) = x³ + 6x² + 2. Tìm hoành độ x của điểm cực đại địa phương.

f(x) = x³ + 6x² + 2

x =

7.Phương pháp sốTrung bình

Quy tắc hình thang được dùng cho ∫₀² x³ dx. Sai số nhiều nhất là (b − a)³·M/(12n²) với M = max|f″| trên [0, 2]. Hãy tìm số dải nhỏ nhất n đảm bảo sai số dưới 0,0001.

f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001

n =

8.Phương pháp sốKhó

Hãy dùng phương pháp Heun (Euler cải tiến) với h = 0,1 cho y′ = e^−ty, y(0) = 1 để ước lượng y₂ ≈ y(0,2).

y′ = e^−tyy(0) = 1h = 0,1

y₂ =

3Dung dịch

1.Phương trình vi phân

Đáp số: T = 26,12 °C

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.

Nghiệm của định luật làm nguội

T(t) = 22 + 72·e^−0,11t

Thay t

T(26) = 22 + 72·0,05727 = 26,12 °C

Đáp số

T = 26,12 °C

2.Phương trình vi phân

Đáp số: t = 91,63 min

Kết quả

m(t) = 50 + (−30)·e^−t/100

Giải tìm t

e^−t/100 = (50 − 38)/(50 − 20) = 0,4

t = 100·ln(2,5) = 91,63 min

Đáp số

t = 91,63 min

3.Tích phân

Đáp số: I = 41,33

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.

Phép đổi biến

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁⁵ u² du

Lấy tích phân và tính giá trị

I = [u³/3]₁⁵ = (125 − 1)/3 = 41,33

Đáp số

I = 41,33

4.Tích phân

Đáp số: V = 407,2

Thể tích tròn xoay: quay miền dưới y = f(x) từ x = a đến x = b quanh trục x tạo ra một vật thể có mặt cắt tại x là một đĩa bán kính f(x). Cộng các đĩa lại cho V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Khi miền nằm giữa một đường cong ngoài R(x) và một đường cong trong r(x), mỗi lát cắt là một vòng đệm: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Bình phương các bán kính trước khi trừ chúng.

Các giao điểm

6x = 2x² → x = 0, x = 3

Phương pháp vòng đệm

V = π∫₀³ ((6x)² − (2x²)²) dx

Lấy tích phân

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

Đáp số

V = 407,2

5.Đạo hàm

Đáp số: f′(1) = 1,516

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·(3x² + (−0,5)·x³)

Thay giá trị

f′(1) = 0,6065·(3 + (−0,5)) = 1,516

Đáp số

f′(1) = 1,516

6.Đạo hàm

Đáp số: x = −4

Đạo hàm

f′(x) = 3x² + 12x = 3·(x² + 4x)

Giải f′(x) = 0

x = −4 hoặc x = 0

Điểm nào là điểm nào

f″(x) = 6x + 12: âm tại cực đại, dương tại cực tiểu.

f″(−4) = −12, f″(0) = 12

x = −4

Đáp số

x = −4

7.Phương pháp số

Đáp số: n = 283

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.

Chặn của đạo hàm cấp hai

M = 6·2 = 12

Giải tìm n

n² > 8·12/(12·0,0001) = 80000

n > 282,8 → n = 283

Đáp số

n = 283

8.Phương pháp số

Đáp số: y₂ = 1,179

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 = 1 + (0,1/2)(1 + 0,895834) = 1,094792

y₂ = 1,094792 + (0,1/2)(0,896301 + 0,789083) = 1,179061

Đồ thị

y₂ = 1,179

Đáp số

y₂ = 1,179

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations