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)18Ta​T = ?

一个 360 °C 的钢锻件放在 20 °C 的车间里冷却。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 已知 k = 0.03 min⁻¹,求 18 min 后的温度 T。

T0 = 360 °CTa = 20 °Ck = 0.03 min⁻¹t = 18 min
T = °C
2.微分方程困难
xy12(1, 1)y(2) = ?

求解初值问题 y′ + 3y/x = 4x,x > 0,y(1) = 1。求 y(2)。

y′ + 3y/x = 4xy(1) = 1
y(2) =
3.积分中等
xyπ/2y = x·sin x

计算 I = ∫₀π/2 x·sin x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
4.积分困难
xy3y = x²eˣ

计算 I = ∫₀3 x²·eˣ dx。

∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.导数中等
xyx = −1

设 f(x) = (2x + 3)3。求 f′(−1)。

f(x) = (2x + 3)3x = −1
f′(−1) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 12x2 + 36x − 5。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 12x2 + 36x − 5
x =
7.数值方法中等
xy00.20.40.60.81

用梯形法则取 n = 5 条窄条,近似计算 ∫01 e−x² dx。给出 T。

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 5
T =
8.数值方法困难
00.050.10.150.20.20.250.3ty(0, 0.2)

对 y′ = y(2 − y),y(0) = 0.2,用休恩法(改进欧拉法),取 h = 0.1,估计 y2 ≈ y(0.2)。

y′ = y(2 − y)y(0) = 0.2h = 0.1
y2 =

3溶液

1.微分方程

答案: T = 218.1 °C

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。

冷却定律的解

T(t) = 20 + 340·e−0.03t

代入 t

T(18) = 20 + 340·0.5827 = 218.1 °C

答案

T = 218.1 °C
2.微分方程

答案: y(2) = 3.225

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。

积分因子

μ = e∫3/x dx = x3

积分

(x3y)′ = 4x4 → x3y = 4x5/5 + C

初始条件

1 = 4/5 + C → C = 0.2

求值

y(2) = (4·25/5 + 0.2)/23 = 3.225

答案

y(2) = 3.225
3.积分

答案: I = 1

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/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

答案

I = 1
4.积分

答案: I = 98.43

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。

第一轮

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

第二轮

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

极限

20.09·(5) − 1·2 = 98.43

答案

I = 98.43
5.导数

答案: f′(−1) = 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。

链式法则

f′(x) = 3·(2x + 3)2·2

代入

f′(−1) = 3·12·2 = 6

答案

f′(−1) = 6
6.导数

答案: x = 2

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。

导数

f′(x) = 3x2 − 24x + 36 = 3·(x2 − 8x + 12)

解 f′(x) = 0

x = 2 或 x = 6

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 24:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(2) = −12, f″(6) = 12
x = 2

答案

x = 2
7.数值方法

答案: T = 0.7444

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。

ixᵢf(xᵢ)体重001110.20.960789220.40.852144230.60.697676240.80.5272922510.3678791

节点与函数值

h = 0.2
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0.960789 + 2·0.852144 + 2·0.697676 + 2·0.527292 + 0.367879 = 7.443683

梯形法则

T = (0.2/2)·7.443683 = 0.7444

答案

T = 0.7444

这个积分没有初等原函数,这正是需要数值方法的情形。

8.数值方法

答案: y2 = 0.284

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。

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁000.20.360.4163040.23881510.10.2388150.4205980.4828590.283988

休恩法各步

y₁ = 0.2 + (0.1/2)(0.36 + 0.416304) = 0.238815
y₂ = 0.238815 + (0.1/2)(0.420598 + 0.482859) = 0.283988
00.050.10.150.20.20.250.3ty

图表

y2 = 0.284

答案

y2 = 0.284

精确值为 y(0.2) = 0.284379。

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