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)12Ta​259 °C330 °C

一个 400 °C 的钢锻件放在 30 °C 的车间里冷却。 12 min 后其温度为 259 °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 330 °C?

T0 = 400 °CTa = 30 °CT(12) = 259 °CT = 330 °C
t = min
2.微分方程困难
xy12(1, 5)y(2) = ?

求解初值问题 y′ + y/x = 5,x > 0,y(1) = 5。求 y(2)。

y′ + y/x = 5y(1) = 5
y(2) =
3.积分中等
xy16y = x ln x

计算 I = ∫₁6 x·ln x dx。

∫₁6 x ln x dx
I =
4.积分困难
xy−11

求抛物线 y = 1 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 1 − x²
A =
5.导数中等
xyx = 1.5

设 f(x) = x2·e−x。求 f′(1.5)。

f(x) = x2·e−xx = 1.5
f′(1.5) =
6.导数困难
xyx = −1

f(x) = −x2 − 2x + 4 在 x = −1 处的切线与 y 轴交于 y = b。求 b。

f(x) = −x2 − 2x + 4x = −1
b =
7.数值方法中等
xy00.40.81.21.62

用梯形法则取 n = 5 条窄条,近似计算 ∫02 √x·e−x dx。给出 T。

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 5
T =
8.数值方法困难
00.5123ty(0, 3)

对 y′ = −0.5y,y(0) = 3,用欧拉法,取 h = 0.25,估计 y5 ≈ y(1.25)。

y′ = −0.5yy(0) = 3h = 0.25
y5 =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 5.245 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(370/229)/12 = 0.03998 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(370/300)/0.03998 = 5.245 min

答案

t = 5.245 min
2.微分方程

答案: y(2) = 6.25

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∫1/x dx = x1

积分

(x1y)′ = 5x → x1y = 5x2/2 + C

初始条件

5 = 5/2 + C → C = 2.5

求值

y(2) = (5·22/2 + 2.5)/21 = 6.25

答案

y(2) = 6.25
3.积分

答案: I = 23.5

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

原函数

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

极限

(18·ln 6 − 9) − (0 − 0.25) = 23.5

答案

I = 23.5
4.积分

答案: A = 1.333

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。

零点

1 − x² = 0 → x = ±1

积分

A = [1x − x³/3]−11 = 0.6667 − (−0.6667) = 1.333

答案

A = 1.333
5.导数

答案: f′(1.5) = 0.1673

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。

乘积法则

f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(2x + (−1)·x2)

代入

f′(1.5) = 0.2231·(3 + (−2.25)) = 0.1673

答案

f′(1.5) = 0.1673
6.导数

答案: b = 5

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) = −2x − 2 → f′(−1) = 0

x = 0 处的切线值

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 0·(−1) = 5

答案

b = 5
7.数值方法

答案: T = 0.6027

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000110.40.423948220.80.401892231.20.329942241.60.2553812520.1913931

节点与函数值

h = 0.4
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0.423948 + 2·0.401892 + 2·0.329942 + 2·0.255381 + 0.191393 = 3.013718

梯形法则

T = (0.4/2)·3.013718 = 0.6027

答案

T = 0.6027

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: y5 = 1.539

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₊₁003−1.52.62510.252.625−1.31252.29687520.52.296875−1.1484382.00976630.752.009766−1.0048831.758545411.758545−0.8792721.538727

欧拉法各步

y₁ = 3 + 0.25·(−1.5) = 2.625
y₂ = 2.625 + 0.25·(−1.3125) = 2.296875
y₃ = 2.296875 + 0.25·(−1.148438) = 2.009766
y₄ = 2.009766 + 0.25·(−1.004883) = 1.758545
y₅ = 1.758545 + 0.25·(−0.879272) = 1.538727
00.5123ty

图表

y5 = 1.539

答案

y5 = 1.539

精确值为 y(1.25) = 1.605784。

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