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 mớiQuay 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 = y0ekt
Chu kỳ bán rã
k = ln 2 / t½
Định luật làm nguội Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)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
∫ab 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
∫ab (f − g) dx

Phương pháp

  1. Viết lại hàm dưới dấu tích phân thành tổng các số hạng đơn giản nếu có thể.
  2. Áp dụng quy tắc lũy thừa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), và các tích phân chuẩn cho ex, 1/x, sin và cos.
  3. Dùng phép đổi biến khi bạn thấy một hàm và đạo hàm của nó đi cùng nhau.
  4. 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

  1. Xác định cấu trúc: tổng, tích, thương hay hàm hợp.
  2. Áp dụng quy tắc lũy thừa cho từng lũy thừa của x.
  3. Dùng quy tắc tích, thương hoặc dây chuyền khi cần.
  4. 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
xn+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 + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Quy tắc Simpson (n chẵn)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Chặn sai số hình thang
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Phương pháp

  1. 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.
  2. Với một giá trị trong bảng: hãy nội suy tuyến tính giữa hai điểm lân cận.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)29Ta​36 °C31 °C

Một tách cà phê ở 80 °C được để trong phòng có nhiệt độ 23 °C. Sau 29 phút, nhiệt độ của nó là 36 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Sau khi bắt đầu bao lâu, t, thì đạt tới 31 °C?

T0 = 80 °CTa = 23 °CT(29) = 36 °CT = 31 °C
t = min
2.Phương trình vi phânKhó
tyK = 10ymax​ = ?

Một hệ thỏa y″ + 4y′ + 8y = 80 với t ≥ 0, bắt đầu từ trạng thái nghỉ: y(0) = 0, y′(0) = 0. Tìm giá trị đỉnh ymax của đáp ứng bậc thang của nó.

y″ + 4y′ + 8y = 80y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Tích phânTrung bình
xy13y = x ln x

Tính I = ∫₁3 x·ln x dx.

∫₁3 x ln x dx
I =
4.Tích phânKhó
xy2,5y = x²eˣ

Tính I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.Đạo hàmTrung bình
xyx = 0,5

Cho f(x) = x·sin(3x), với x theo radian. Tìm f′(0,5).

f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.Đạo hàmKhó
xy

Cho f(x) = x3 + 10,5x2 + 36x − 4. Tìm hoành độ x của điểm cực đại địa phương.

f(x) = x3 + 10,5x2 + 36x − 4
x =
7.Phương pháp sốTrung bình
t (s)051015202530v (m/s)271012151312

Tốc độ của một phương tiện được đo mỗi 5 s (bảng). Hãy ước lượng quãng đường s đi được từ t = 0 đến t = 30 s bằng quy tắc Simpson.

h = 5 sn = 6
s = m
8.Phương pháp sốKhó
00,050,10,150,2−1−0,8−0,6ty(0, −1)

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

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,1
y2 =

3Dung dịch

1.Phương trình vi phân

Đáp số: t = 38,53 min

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·ekt (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.

Hằng số làm nguội

k = ln(57/13)/29 = 0,05097 min⁻¹

Thời gian để đạt giá trị mục tiêu

t = ln(57/8)/0,05097 = 38,53 min

Đáp số

t = 38,53 min
2.Phương trình vi phân

Đáp số: ymax = 10,43

Phương trình tuyến tính bậc hai: với y″ + b·y′ + c·y = 0, thử y = ert: điều này cho phương trình đặc trưng r² + b·r + c = 0. Hai nghiệm thực r₁ ≠ r₂ cho y = A·er₁t + B·er₂t (quá tắt dần); nghiệm kép r cho y = (A + Bt)·ert (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″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn 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

yss = 10, r = −2 ± 2j

Các hằng số từ các giá trị ban đầu

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −10

Đỉnh

t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−2·π/2) = 10,43

Đáp số

ymax = 10,43
3.Tích phân

Đáp số: I = 2,944

Tích phân từng phần: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, suy ra từ quy tắc tích. Chọn u là thừa số trở nên đơn giản hơn khi đạo hàm (một lũy thừa của x, hoặc ln x), và dv là thừa số bạn có thể tích phân (eˣ, sin x, cos x, hoặc x khi u = ln x). Với tích phân xác định, tính u·v tại cả hai cận: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Thừa số x² cần hai lần.

Chọn u và dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Nguyên hàm

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Giới hạn

(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944

Đáp số

I = 2,944
4.Tích phân

Đáp số: I = 37,59

Tích phân từng phần: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, suy ra từ quy tắc tích. Chọn u là thừa số trở nên đơn giản hơn khi đạo hàm (một lũy thừa của x, hoặc ln x), và dv là thừa số bạn có thể tích phân (eˣ, sin x, cos x, hoặc x khi u = ln x). Với tích phân xác định, tính u·v tại cả hai cận: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Thừa số x² cần hai lần.

Lần thứ nhất

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Lần thứ hai

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Giới hạn

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Đáp số

I = 37,59
5.Đạo hàm

Đáp số: f′(0.5) = 1,104

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 và quy tắc dây chuyền

f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)

Thay giá trị

f′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104

Đáp số

f′(0,5) = 1,104
6.Đạo hàm

Đáp số: x = −4

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.

Đạo hàm

f′(x) = 3x2 + 21x + 36 = 3·(x2 + 7x + 12)

Giải f′(x) = 0

x = −4 hoặc x = −3

Điểm nào là điểm nào

f″(x) = 6x + 21: âm tại cực đại, dương tại cực tiểu.

f″(−4) = −3, f″(−3) = 3
x = −4

Đáp số

x = −4
7.Phương pháp số

Đáp số: s = 320 m

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 + … + 2fn−1 + fₙ]. Quy tắc Simpson (n chẵn): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−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.

Tổng có trọng số

2 + 4·7 + 2·10 + 4·12 + 2·15 + 4·13 + 12 = 192

Quy tắc Simpson

s = (5/3)·192 = 320 m

Đáp số

s = 320 m
8.Phương pháp số

Đáp số: y2 = −0,6395

Nghiệm số của y′ = f(t, y): phương pháp Euler đi theo độ dốc tại điểm đầu của mỗi bước: yn+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), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Phương pháp Runge–Kutta cổ điển (RK4) kết hợp bốn độ dốc: yn+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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00−121,795004−0,8102510,1−0,810251,8052541,609791−0,639498

Các bước Heun

y₁ = −1 + (0,1/2)(2 + 1,795004) = −0,81025
y₂ = −0,81025 + (0,1/2)(1,805254 + 1,609791) = −0,639498
00,050,10,150,2−1−0,8−0,6ty

Đồ thị

y2 = −0,6395

Đáp số

y2 = −0,6395

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations