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)17Ta​14 °C21 °C

一罐 5 °C 的汽水从冰箱中取出,放到 28 °C 的房间里。 17 min 后其温度为 14 °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 21 °C?

T0 = 5 °CTa = 28 °CT(17) = 14 °CT = 21 °C
t = min
2.微分方程困难
t (min)m (kg)115 minm = ?

一个水箱装有 400 L 水,其中溶有 5 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。 115 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0.2 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.积分中等
xy01

计算 I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.积分困难
xy0.5y = x²eˣ

计算 I = ∫₀0.5 x²·eˣ dx。

∫₀0.5 x²eˣ dx
I =
5.导数中等
xyx = 0.5

设 f(x) = x2·ex。求 f′(0.5)。

f(x) = x2·exx = 0.5
f′(0.5) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 1。求局部极小值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 1
x =
7.数值方法中等
xy00.511.52

用辛普森法则取 n = 4 条窄条,近似计算 ∫02 √(1 + x³) dx。给出 S。

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.数值方法困难
00.10.20.300.2ty(0, 0)

对 y′ = 1 + sin(ty),y(0) = 0,用休恩法(改进欧拉法),取 h = 0.1,估计 y3 ≈ y(0.3)。

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0.1
y3 =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 40.74 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(-23/-14)/17 = 0.0292 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(-23/(−7))/0.0292 = 40.74 min

答案

t = 40.74 min
2.微分方程

答案: m = 56.25 kg

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。

列方程

dm/dt = 4·0.2 − (4/400)·m = 0.8 − 0.01·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 80 + (−75)·e−t/100

代入 t

m(115) = 80 + (−75)·0.3166 = 56.25 kg

答案

m = 56.25 kg
3.积分

答案: I = 3.75

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。

换元

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du

积分并代入上下限

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3.75

答案

I = 3.75
4.积分

答案: I = 0.0609

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

1.649·(1.25) − 1·2 = 0.0609

答案

I = 0.0609
5.导数

答案: f′(0.5) = 2.061

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′ = ex·(2x + 1·x2)

代入

f′(0.5) = 1.649·(1 + 0.25) = 2.061

答案

f′(0.5) = 2.061
6.导数

答案: x = 3

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 − 12x + 9 = 3·(x2 − 4x + 3)

解 f′(x) = 0

x = 1 或 x = 3

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 12:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(1) = −6, f″(3) = 6
x = 3

答案

x = 3
7.数值方法

答案: S = 3.24

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001110.51.060664211.414214231.52.0916544231

节点与函数值

h = 0.5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1.06066 + 2·1.414214 + 4·2.09165 + 3 = 19.437668

辛普森法则

S = (0.5/3)·19.437668 = 3.24

答案

S = 3.24

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: y3 = 0.3096

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₊₁00011.010.100510.10.10051.010051.040290.20301720.20.2030171.0405921.0919930.309646

休恩法各步

y₁ = 0 + (0.1/2)(1 + 1.01) = 0.1005
y₂ = 0.1005 + (0.1/2)(1.01005 + 1.04029) = 0.203017
y₃ = 0.203017 + (0.1/2)(1.040592 + 1.091993) = 0.309646
00.10.20.300.2ty

图表

y3 = 0.3096

答案

y3 = 0.3096

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