微分方程:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

微分方程

指数增长/衰减
dy/dt = ky → y = y0ekt
半衰期
k = ln 2 / t½
牛顿冷却定律
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
积分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合槽
dm/dt = r·c − (r/V)·m

积分

幂法则
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定积分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
常用积分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲线间的面积
∫ab (f − g) dx

方法

  1. 尽可能把被积函数改写为简单项之和。
  2. 应用幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1),以及 ex、1/x、sin 和 cos 的基本积分。
  3. 当看到一个函数和它的导数同时出现时,用换元法。
  4. 对于定积分,计算 F(b) − F(a)。

导数

幂法则
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
乘积法则
(uv)′ = u′v + uv′
商法则
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
链式法则
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
常用导数
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

方法

  1. 识别结构:和、积、商还是复合。
  2. 对 x 的每个幂应用幂法则。
  3. 需要时使用乘积法则、商法则或链式法则。
  4. 化简,如有要求再代入该点求值。

数值方法

二分法
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
牛顿–拉弗森法
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
线性插值
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
梯形法则
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
辛普森法则(n 为偶数)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
梯形法则的误差界
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
欧拉
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
休恩法
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

方法

  1. 求根:二分法要检查变号,牛顿法要计算 f 和 f′,并在迭代值表中保留六位或更多位数字。
  2. 求表中的值:在两个相邻的点之间做线性插值。
  3. 求积分:求出 h = (b − a)/n,列出每个节点处的 f,应用权重(梯形法则为 1, 2, …, 2, 1;n 为偶数时辛普森法则为 1, 4, 2, …, 4, 1),再乘以 h/2 或 h/3。
  4. 求常微分方程:从 t₀ 出发,用 yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)(欧拉法)或平均斜率(休恩法)逐步前进,每步一行,直到到达所要求的 t。

2练习题

1.微分方程中等
t (min)T (°C)30Ta​96 °C47 °C

一个 340 °C 的钢锻件放在 26 °C 的车间里冷却。 30 min 后其温度为 96 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 从开始算起需要多长时间 t 才能达到 47 °C?

T0 = 340 °CTa = 26 °CT(30) = 96 °CT = 47 °C
t = min
2.微分方程困难
t (min)m (kg)t = ?86 kg

一个水箱装有 1000 L 水,其中溶有 10 kg 盐。 每升含盐 0.2 kg 的盐水以 4 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 多少分钟 t 后水箱中含盐 86 kg?

V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0.2 kg/Lr = 4 L/min
t = min
3.积分中等
xyπ/3y = x·sin x

计算 I = ∫₀π/3 x·sin x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀π/3 x·sin x dx
I =
4.积分困难
xyy = x2​y = x

求由 y = x2 和 y = x 围成区域的面积 A。

y = x2y = x
A =
5.导数中等
xyx = −1

设 f(x) = ln(x2 + 1)。求 f′(−1)。

f(x) = ln(x2 + 1)x = −1
f′(−1) =
6.导数困难
xyx = −1

f(x) = 3x2 + 5x − 3 在 x = −1 处的切线与 y 轴交于 y = b。求 b。

f(x) = 3x2 + 5x − 3x = −1
b =
7.数值方法中等
xy00.250.50.751

用梯形法则(n = 4)近似计算 ∫01 x³ dx,并与精确值比较。求绝对误差 |E| = |T − I|。

f(x) = x³[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
8.数值方法困难
00.10.20.32.53ty(0, 3)

对 y′ = t − y,y(0) = 3,用欧拉法,取 h = 0.1,估计 y3 ≈ y(0.3)。

y′ = t − yy(0) = 3h = 0.1
y3 =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 54.07 min

一阶微分方程:dy/dt = k·y 的解为 y = y₀·ekt(k > 0 时增长,k < 0 时衰减);半衰期 T 对应 k = ln 2/T。牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ) 给出 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt。线性方程 y′ + p(x)·y = q(x) 用积分因子 μ = e∫p dx 求解:(μy)′ = μq,所以 μy = ∫μq dx + C。

冷却常数

k = ln(314/70)/30 = 0.05003 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(314/21)/0.05003 = 54.07 min

答案

t = 54.07 min
2.微分方程

答案: t = 127.7 min

一阶微分方程:dy/dt = k·y 的解为 y = y₀·ekt(k > 0 时增长,k < 0 时衰减);半衰期 T 对应 k = ln 2/T。牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ) 给出 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt。线性方程 y′ + p(x)·y = q(x) 用积分因子 μ = e∫p dx 求解:(μy)′ = μq,所以 μy = ∫μq dx + C。

结果

m(t) = 200 + (−190)·e−t/250

解出 t

e−t/250 = (200 − 86)/(200 − 10) = 0.6
t = 250·ln(1.667) = 127.7 min

答案

t = 127.7 min
3.积分

答案: I = 0.3424

分部积分:∫u·dv = u·v − ∫v·du,由乘积法则得出。把 u 选为求导后会变简单的因式(x 的幂或 ln x),把 dv 选为你能积分的因式(eˣ、sin x、cos x,或 u = ln x 时的 x)。对定积分,要在两个上下限处计算 u·v:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。含 x² 的因式需要做两轮。

选取 u 和 dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

原函数

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

极限

(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0.3424

答案

I = 0.3424
4.积分

答案: A = 0.1667

定积分:∫ₐᵇ f(x) dx 是从 a 到 b 图像与 x 轴之间的有向面积。求一个原函数 F(F′ = f),再计算 F(b) − F(a)。幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。两条曲线之间的面积为 ∫(上 − 下) dx。

交点

x2 = x → x = 0, x = 1

对上减下积分

A = [0.5x2 − 0.3333x3]01 = 0.1667

答案

A = 0.1667
5.导数

答案: f′(−1) = −1

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

对数的链式法则

f′(x) = 2x/(x2 + 1)

代入

f′(−1) = −2/2 = −1

答案

f′(−1) = −1
6.导数

答案: b = −6

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

切点和斜率

f(−1) = −5
f′(x) = 6x + 5 → f′(−1) = −1

x = 0 处的切线值

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −5 − (−1)·(−1) = −6

答案

b = −6
7.数值方法

答案: |E| = 0.01563

数值积分:把 [a, b] 分成 n 条宽度为 h = (b − a)/n 的窄条,节点为 x₀ … xₙ。梯形法则:T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]。辛普森法则(n 为偶数):S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]。梯形法则的误差按 h² 缩小(误差界 (b − a)h²·M/12,其中 M = max|f″|),辛普森法则按 h⁴ 缩小,所以在节点数相同时辛普森法则通常精确得多。

精确值

I = 0.25

梯形法则

T = (0.25/2)·(0 + 2·0.015625 + 2·0.125 + 2·0.421875 + 1) = 0.265625

误差

|E| = |0.265625 − 0.25| = 0.01563

答案

|E| = 0.01563

相对误差:6.25%。

8.数值方法

答案: y3 = 2.216

y′ = f(t, y) 的数值解:欧拉法沿每一步起点处的斜率前进:yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)。休恩法(改进欧拉法)取起点处斜率与欧拉预测点处斜率的平均:k₁ = f(tₙ, yₙ),k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁),yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂)。经典龙格–库塔法 (RK4) 结合四个斜率:yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)。欧拉法的整体误差与 h 成正比,休恩法与 h² 成正比,RK4 与 h⁴ 成正比。

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁003−32.710.12.7−2.62.4420.22.44−2.242.216

欧拉法各步

y₁ = 3 + 0.1·(−3) = 2.7
y₂ = 2.7 + 0.1·(−2.6) = 2.44
y₃ = 2.44 + 0.1·(−2.24) = 2.216
00.10.20.32.53ty

图表

y3 = 2.216

答案

y3 = 2.216

精确值为 y(0.3) = 2.263273。

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