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) = 1y(1) = ?

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(1) =
2.微分方程困难
tyy(0) = 1y(1) = ?

解 y″ + 4y′ + 20y = 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″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.积分中等
xy2y = x·cos x

计算 I = ∫₀2 x·cos x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀2 x·cos x dx
I =
4.积分困难
xy1.5y = 3xy = 2x²

将直线 y = 3x 与抛物线 y = 2x² 之间的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体的体积 V。

y = 3xy = 2x²
V =
5.导数中等
xyx = 0.5

设 f(x) = x2·ex。求 f′(0.5)。

f(x) = x2·exx = 0.5
f′(0.5) =
6.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 7.5x2 + 18x − 4。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 7.5x2 + 18x − 4
x =
7.数值方法中等
xy00.250.50.751

用梯形法则取 n = 4 条窄条,近似计算 ∫01 1/√(1 + x⁴) dx。给出 T。

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.数值方法困难
00.20.40.6−1−0.8−0.6ty(0, −1)

对 y′ = −y,y(0) = −1,用休恩法(改进欧拉法),取 h = 0.2,估计 y3 ≈ y(0.6)。

y′ = −yy(0) = −1h = 0.2
y3 =

3溶液

1.微分方程

答案: y(1) = 1.472

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 + 1)² = 0 → r = −1

常数

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 1 = 3

求值

y(1) = (1 + 3·1)·e−1 = 1.472

答案

y(1) = 1.472
2.微分方程

答案: y(1) = −0.1397

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 = −2 ± 4j

常数

A = 1, B = 2·1/4 = 0.5

求值

y(1) = e−2(1·cos 4 + 0.5·sin 4) = −0.1397

答案

y(1) = −0.1397
3.积分

答案: I = 0.4024

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

原函数

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

极限

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0.4024

答案

I = 0.4024
4.积分

答案: V = 12.72

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

3x = 2x² → x = 0, x = 1.5

垫圈法

V = π∫₀1.5 ((3x)² − (2x²)²) dx

积分

V = π(9·1.5³/3 − 4·1.5⁵/5) = π·4.05 = 12.72

答案

V = 12.72
5.导数

答案: f′(0.5) = 2.061

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′ = ex·(2x + 1·x2)

代入

f′(0.5) = 1.649·(1 + 0.25) = 2.061

答案

f′(0.5) = 2.061
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 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)

解 f′(x) = 0

x = 2 或 x = 3

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 15:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 2

答案

x = 2
7.数值方法

答案: T = 0.9233

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001110.250.998053220.50.970143230.750.8715762410.7071071

节点与函数值

h = 0.25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0.998053 + 2·0.970143 + 2·0.871576 + 0.707107 = 7.386648

梯形法则

T = (0.25/2)·7.386648 = 0.9233

答案

T = 0.9233

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 = −0.5514

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₊₁00−110.8−0.8210.2−0.820.820.656−0.672420.4−0.67240.67240.53792−0.551368

休恩法各步

y₁ = −1 + (0.2/2)(1 + 0.8) = −0.82
y₂ = −0.82 + (0.2/2)(0.82 + 0.656) = −0.6724
y₃ = −0.6724 + (0.2/2)(0.6724 + 0.53792) = −0.551368
00.20.40.6−1−0.8−0.6ty

图表

y3 = −0.5514

答案

y3 = −0.5514

精确值为 y(0.6) = −0.548812。

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