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
tyy(0) = 3y(1.5) = ?

解 y″ + 8y′ + 16y = 0,其中 y(0) = 3,y′(0) = -2。求 y(1.5)。

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(1.5) =
2.微分方程困难
t (min)m (kg)20 minm = ?

一个水箱装有 200 L 纯水。 每升含盐 0.2 kg 的盐水以 20 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 20 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0.2 kg/Lr = 20 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
xy1y = x²eˣ

计算 I = ∫₀1 x²·eˣ dx。

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.导数中等
xyx = 0.5

设 f(x) = x3·e−0.5x。求 f′(0.5)。

f(x) = x3·e−0.5xx = 0.5
f′(0.5) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 1。求局部极小值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 1
x =
7.数值方法中等
t (s)01020304050v (m/s)669141715

每隔 10 s 测量一次车辆的速度(见表)。用梯形法则估计从 t = 0 到 t = 50 s 行驶的距离 s。

h = 10 sn = 5
s = m
8.数值方法困难
00.050.10.50.550.6ty(0, 0.5)

对 y′ = e−ty,y(0) = 0.5,取 h = 0.1,做一步经典龙格–库塔法 (RK4)。求 y₁ ≈ y(0.1)。

y′ = e−tyy(0) = 0.5h = 0.1
y1 =

3溶液

1.微分方程

答案: y(1.5) = 0.04462

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。

二重根

(r + 4)² = 0 → r = −4

常数

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 12 = 10

求值

y(1.5) = (3 + 10·1.5)·e−6 = 0.04462

答案

y(1.5) = 0.04462
2.微分方程

答案: m = 34.59 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 = 20·0.2 − (20/200)·m = 4 − 0.1·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 40 + (−40)·e−t/10

代入 t

m(20) = 40 + (−40)·0.1353 = 34.59 kg

答案

m = 34.59 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 = 0.7183

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

2.718·(1) − 1·2 = 0.7183

答案

I = 0.7183
5.导数

答案: f′(0.5) = 0.5354

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−0.5x·(3x2 + (−0.5)·x3)

代入

f′(0.5) = 0.7788·(0.75 + (−0.0625)) = 0.5354

答案

f′(0.5) = 0.5354
6.导数

答案: x = 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。

导数

f′(x) = 3x2 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)

解 f′(x) = 0

x = −3 或 x = 1

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x + 6:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1

答案

x = 1
7.数值方法

答案: s = 565 m

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。

加权和

6 + 2·6 + 2·9 + 2·14 + 2·17 + 15 = 113

梯形法则

s = (10/2)·113 = 565 m

答案

s = 565 m
8.数值方法

答案: y1 = 0.5972

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。

四个斜率

k₁ = f(0, 0.5) = 1
k₂ = f(0.05, 0.55) = 0.972875
k₃ = f(0.05, 0.548644) = 0.972941
k₄ = f(0.1, 0.597294) = 0.942019

合并

y₁ = 0.5 + (0.1/6)(1 + 2·0.972875 + 2·0.972941 + 0.942019) = 0.5972

答案

y1 = 0.5972

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