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)38Ta​89 °C57 °C

一个 460 °C 的钢锻件放在 24 °C 的车间里冷却。 38 min 后其温度为 89 °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 57 °C?

T0 = 460 °CTa = 24 °CT(38) = 89 °CT = 57 °C
t = min
2.微分方程困难
tyK = 10y(0.5) = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 3y′ + 11.25y = 112.5,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求 y(0.5);角度以弧度为单位。

y″ + 3y′ + 11.25y = 112.5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.积分中等
xy1y = x

将 y = x 之下、从 x = 0 到 x = 1 的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体(圆锥)的体积 V。

y = x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.积分困难
xy−22

求抛物线 y = 4 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 4 − x²
A =
5.导数中等
xyx = −1

设 f(x) = (4x + 3)5。求 f′(−1)。

f(x) = (4x + 3)5x = −1
f′(−1) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 10.5x2 + 30x + 6。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 10.5x2 + 30x + 6
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 sin(x²) dx。给出 S。

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.数值方法困难
01211.52ty(0, 1)

对 y′ = y(2 − y),y(0) = 1,用欧拉法,取 h = 0.5,估计 y5 ≈ y(2.5)。

y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0.5
y5 =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 51.53 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(436/65)/38 = 0.05009 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(436/33)/0.05009 = 51.53 min

答案

t = 51.53 min
2.微分方程

答案: y(0.5) = 7.31

二阶线性方程:对 y″ + b·y′ + c·y = 0,试 y = ert:得到特征方程 r² + b·r + c = 0。两个不等实根 r₁ ≠ r₂ 给出 y = A·er₁t + B·er₂t(过阻尼);二重根 r 给出 y = (A + Bt)·ert(临界阻尼);复根 −α ± jω 给出 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(欠阻尼,振荡)。初值 y(0) 和 y′(0) 决定 A 和 B。写成 y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 时,ωn 是固有频率,ζ 是阻尼比:ζ < 1 时振荡。在常值输入下,y″ + by′ + cy = c·K 的解是稳态值 K 加上自由响应。

稳态值与根

yss = 10, r = −1.5 ± 3j

由初值求常数

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1.5A + 3B = 0 → B = −5

求值

y(0.5) = 10·(1 − e−0.75(cos 1.5 + 0.5·sin 1.5)) = 7.31

答案

y(0.5) = 7.31
3.积分

答案: V = 1.047

旋转体体积:把 y = f(x) 之下、从 x = a 到 x = b 的区域绕 x 轴旋转,得到一个旋转体,它在 x 处的横截面是半径为 f(x) 的圆盘。把圆盘相加得 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx。当区域位于外曲线 R(x) 与内曲线 r(x) 之间时,每个薄片是一个垫圈:V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx。相减之前要先把半径平方。

圆盘法

V = π∫₀1 1x² dx

积分

V = π·1·1³/3 = 1.047

答案

V = 1.047

检验:半径 1、高 1 的圆锥体积为 (1/3)πr²h = 1.047。

4.积分

答案: A = 10.67

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

4 − x² = 0 → x = ±2

积分

A = [4x − x³/3]−22 = 5.333 − (−5.333) = 10.67

答案

A = 10.67
5.导数

答案: f′(−1) = 20

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) = 5·(4x + 3)4·4

代入

f′(−1) = 5·(−1)4·4 = 20

答案

f′(−1) = 20
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 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)

解 f′(x) = 0

x = 2 或 x = 5

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 21:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 2

答案

x = 2
7.数值方法

答案: S = 0.838

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000110.50.2474044210.841471231.50.778073442−0.7568021

节点与函数值

h = 0.5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.247404 + 2·0.841471 + 4·0.778073 − 0.756802 = 5.028048

辛普森法则

S = (0.5/3)·5.028048 = 0.838

答案

S = 0.838

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 = 2

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₊₁00111.510.51.50.751.875211.8750.2343751.99218831.51.9921880.0155641.999969421.9999690.00006103422

欧拉法各步

y₁ = 1 + 0.5·(1) = 1.5
y₂ = 1.5 + 0.5·(0.75) = 1.875
y₃ = 1.875 + 0.5·(0.234375) = 1.992188
y₄ = 1.992188 + 0.5·(0.015564) = 1.999969
y₅ = 1.999969 + 0.5·(0.0000610342) = 2
01211.52ty

图表

y5 = 2

答案

y5 = 2

精确值为 y(2.5) = 1.986614。

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