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) = 5y(2) = ?

解 y″ + 4y′ + 4y = 0,其中 y(0) = 5,y′(0) = -1。求 y(2)。

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(2) =
2.微分方程困难
tyK = 2ymax​ = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + y′ + 4.25y = 8.5,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求其阶跃响应的峰值 ymax。

y″ + y′ + 4.25y = 8.5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.积分中等
xy02

计算 I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.积分困难
xy1.667y = 5xy = 3x²

将直线 y = 5x 与抛物线 y = 3x² 之间的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体的体积 V。

y = 5xy = 3x²
V =
5.导数中等
xyx = 2

设 f(x) = ln(3x2 + 4)。求 f′(2)。

f(x) = ln(3x2 + 4)x = 2
f′(2) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 13.5x2 + 54x − 5。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 13.5x2 + 54x − 5
x =
7.数值方法中等
xy00.66671.3332

用梯形法则取 n = 3 条窄条,近似计算 ∫02 √(1 + x³) dx。给出 T。

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 3
T =
8.数值方法困难
00.10.20.30.40.50.6ty(0, 0.5)

对 y′ = t² + y²,y(0) = 0.5,用休恩法(改进欧拉法),取 h = 0.2,估计 y2 ≈ y(0.4)。

y′ = t² + y²y(0) = 0.5h = 0.2
y2 =

3溶液

1.微分方程

答案: y(2) = 0.4213

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 + 2)² = 0 → r = −2

常数

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 10 = 9

求值

y(2) = (5 + 9·2)·e−4 = 0.4213

答案

y(2) = 0.4213
2.微分方程

答案: ymax = 2.912

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 = 2, r = −0.5 ± 2j

由初值求常数

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0.5A + 2B = 0 → B = −0.5

峰值

t = π/2 = 1.571
ymax = 2·(1 + e−0.5·π/2) = 2.912

答案

ymax = 2.912
3.积分

答案: I = 156

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 = ∫15 u3 du

积分并代入上下限

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

答案

I = 156
4.积分

答案: V = 48.48

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。

交点

5x = 3x² → x = 0, x = 1.667

垫圈法

V = π∫₀1.667 ((5x)² − (3x²)²) dx

积分

V = π(25·1.667³/3 − 9·1.667⁵/5) = π·15.43 = 48.48

答案

V = 48.48
5.导数

答案: f′(2) = 0.75

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。

对数的链式法则

f′(x) = 6x/(3x2 + 4)

代入

f′(2) = 12/16 = 0.75

答案

f′(2) = 0.75
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 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)

解 f′(x) = 0

x = 3 或 x = 6

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 27:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 3

答案

x = 3
7.数值方法

答案: T = 3.316

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001110.6666671.13855221.3333331.83585723231

节点与函数值

h = 0.6667
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1.13855 + 2·1.835857 + 3 = 9.948814

梯形法则

T = (0.6667/2)·9.948814 = 3.316

答案

T = 3.316

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 = 0.6502

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₊₁000.50.250.34250.5592510.20.559250.3527610.5566510.650191

休恩法各步

y₁ = 0.5 + (0.2/2)(0.25 + 0.3425) = 0.55925
y₂ = 0.55925 + (0.2/2)(0.352761 + 0.556651) = 0.650191
00.10.20.30.40.50.6ty

图表

y2 = 0.6502

答案

y2 = 0.6502

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