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)11Ta​50 °C64 °C

一杯 84 °C 的咖啡放在 21 °C 的房间里。 11 min 后其温度为 50 °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 64 °C?

T0 = 84 °CTa = 21 °CT(11) = 50 °CT = 64 °C
t = min
2.微分方程困难
ty2y(2) = ?

求解 y′ + 0.5y = 6e−3t,y(0) = 4。求 y(2)。

y′ + 0.5y = 6e−3ty(0) = 4
y(2) =
3.积分中等
xy12.5y = x ln x

计算 I = ∫₁2.5 x·ln x dx。

∫₁2.5 x ln x dx
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 = −1

设 f(x) = (3x + 1)3。求 f′(−1)。

f(x) = (3x + 1)3x = −1
f′(−1) =
6.导数困难
xyx = 2

f(x) = 0.5x2 − 2x + 6 在 x = 2 处的切线与 y 轴交于 y = b。求 b。

f(x) = 0.5x2 − 2x + 6x = 2
b =
7.数值方法中等
xy00.250.50.751

用辛普森法则取 n = 4 条窄条,近似计算 ∫01 √x·e−x dx。给出 S。

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.数值方法困难
00.20.40.61.52ty(0, 2)

对 y′ = cos t − y,y(0) = 2,用休恩法(改进欧拉法),取 h = 0.25,估计 y3 ≈ y(0.75)。

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0.25
y3 =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 5.415 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(63/29)/11 = 0.07053 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(63/43)/0.07053 = 5.415 min

答案

t = 5.415 min
2.微分方程

答案: y(2) = 2.348

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。

积分因子

μ = e0.5t
(e0.5ty)′ = 6e−2.5t

通解

y = 6/(−2.5)·e−3t + C·e−0.5t = −2.4·e−3t + C·e−0.5t

初始条件

4 = −2.4 + C → C = 6.4

求值

y(2) = −2.4·0.002479 + 6.4·0.3679 = 2.348

答案

y(2) = 2.348
3.积分

答案: I = 1.551

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。

选取 u 和 dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

原函数

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

极限

(3.125·ln 2.5 − 1.5625) − (0 − 0.25) = 1.551

答案

I = 1.551
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′(−1) = 36

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) = 3·(3x + 1)2·3

代入

f′(−1) = 3·(−2)2·3 = 36

答案

f′(−1) = 36
6.导数

答案: b = 4

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。

切点和斜率

f(2) = 4
f′(x) = x − 2 → f′(2) = 0

x = 0 处的切线值

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − 0·2 = 4

答案

b = 4
7.数值方法

答案: S = 0.3683

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000110.250.3894420.50.428882230.750.4090814410.3678791

节点与函数值

h = 0.25
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.3894 + 2·0.428882 + 4·0.409081 + 0.367879 = 4.419571

辛普森法则

S = (0.25/3)·4.419571 = 0.3683

答案

S = 0.3683

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 = 1.415

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₊₁002−1−0.7810881.77736410.251.777364−0.808452−0.6976691.58909920.51.589099−0.711516−0.6795311.415218

休恩法各步

y₁ = 2 + (0.25/2)(−1 − 0.781088) = 1.777364
y₂ = 1.777364 + (0.25/2)(−0.808452 − 0.697669) = 1.589099
y₃ = 1.589099 + (0.25/2)(−0.711516 − 0.679531) = 1.415218
00.20.40.61.52ty

图表

y3 = 1.415

答案

y3 = 1.415

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