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)26Ta​21 °C

一罐 5 °C 的汽水从冰箱中取出,放到 24 °C 的房间里。 26 min 后其温度为 21 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 求常数 k,以 min⁻¹ 计。

T0 = 5 °CTa = 24 °CT(26) = 21 °C
k = min⁻¹
2.微分方程困难
tyy(0) = 1y(1) = ?

解 y″ + y′ + 9.25y = 0,其中 y(0) = 1,y′(0) = 0(从静止释放)。求 y(1);角度以弧度为单位。

y″ + y′ + 9.25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.积分中等
xy02

计算 I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.积分困难
xyy = x2​y = x

求由 y = x2 和 y = x 围成区域的面积 A。

y = x2y = x
A =
5.导数中等
xyx = 1.5

设 f(x) = x·sin(2x),x 以弧度计。求 f′(1.5)。

f(x) = x·sin(2x)x = 1.5 rad
f′(1.5) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 1。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 1
x =
7.数值方法中等
xy00.511.522.53

用辛普森法则取 n = 6 条窄条,近似计算 ∫03 √x·e−x dx。给出 S。

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 6
S =
8.数值方法困难
00.510.511.5ty(0, 0.5)

对 y′ = y(2 − y),y(0) = 0.5,用欧拉法,取 h = 0.25,估计 y4 ≈ y(1)。

y′ = y(2 − y)y(0) = 0.5h = 0.25
y4 =

3溶液

1.微分方程

答案: k = 0.07099 min⁻¹

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。

温差之比

e−26k = -3/-19

解出 k

k = ln(-19/-3)/26 = 0.07099 min⁻¹

答案

k = 0.07099 min⁻¹
2.微分方程

答案: y(1) = −0.5862

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。

复根

r = −0.5 ± 3j

常数

A = 1, B = 0.5·1/3 = 0.1667

求值

y(1) = e−0.5(1·cos 3 + 0.1667·sin 3) = −0.5862

答案

y(1) = −0.5862
3.积分

答案: I = 12

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 u1 du

积分并代入上下限

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

答案

I = 12
4.积分

答案: A = 0.1667

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。

交点

x2 = x → x = 0, x = 1

对上减下积分

A = [0.5x2 − 0.3333x3]01 = 0.1667

答案

A = 0.1667
5.导数

答案: f′(1.5) = −2.829

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。

乘积法则与链式法则

f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)

代入

f′(1.5) = 0.1411 + 3·(−0.99) = −2.829

答案

f′(1.5) = −2.829
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)

解 f′(x) = 0

x = 3 或 x = 7

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 30:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3

答案

x = 3
7.数值方法

答案: S = 0.7554

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000110.50.4288824210.367879231.50.2732784420.191393252.50.1297884630.08623371

节点与函数值

h = 0.5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.428882 + 2·0.367879 + 4·0.273278 + 2·0.191393 + 4·0.129788 + 0.0862337 = 4.532568

辛普森法则

S = (0.5/3)·4.532568 = 0.7554

答案

S = 0.7554

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: y4 = 1.405

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₊₁000.50.750.687510.250.68750.9023440.91308620.50.9130860.9924461.16119730.751.1611970.9740151.404701

欧拉法各步

y₁ = 0.5 + 0.25·(0.75) = 0.6875
y₂ = 0.6875 + 0.25·(0.902344) = 0.913086
y₃ = 0.913086 + 0.25·(0.992446) = 1.161197
y₄ = 1.161197 + 0.25·(0.974015) = 1.404701
00.510.511.5ty

图表

y4 = 1.405

答案

y4 = 1.405

精确值为 y(1) = 1.422469。

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