Lição 100 — Consolidação Trimestre 10 (EDOs)
Workshop integrador de EDOs: separáveis, lineares de 1ª ordem, populações, 2ª ordem com coeficientes constantes, vibrações, RLC, Euler numérico e resfriamento de Newton.
Used in: AP Calculus BC (EUA) · Leistungskurs Mathematik Klasse 12 (Alemanha) · H2 Mathematics (Singapura) · Spécialité Maths Terminale (França)
Rigorous notation, full derivation, hypotheses
Mapa technik i kryteriów decyzyjnych
"The existence and uniqueness theorem says: there is exactly one solution curve through each point (x₀, y₀) where f and ∂f/∂y are continuous." — Lebl, Notes on Diffy Qs §1.2
"The idea behind the integrating factor is to write the left-hand side as an exact derivative." — OpenStax Calculus Vol. 2 §4.5
Tabela technik trimestru:
| Równanie różniczkowe | Forma kanoniczna | Technika | Rozwiązanie ogólne |
|---|---|---|---|
| Separowalne | Rozdziela i całkuje | Niejawne | |
| Liniowe 1. rzędu | |||
| Malthus | Separowalne | ||
| Logistyczne | Separowalne + rozkład na ułamki proste | ||
| Chłodzenie | Separowalne | ||
| 2. rzędu jednorodne | Char. | 3 przypadki | |
| 2. rzędu wymuszone | Współczynniki nieoznaczone | ||
| Euler numeryczne | Dowolne | Ciąg |
SVG — Diagram decyzyjny równania różniczkowego
Przykłady rozwiązane
Exercise list
35 exercises · 8 with worked solution (25%)
- Ex. 100.1Application
Klasyfikuj i rozwiąż: .
- Ex. 100.2Application
Klasyfikuj i rozwiąż: .
- Ex. 100.3Application
Klasyfikuj i rozwiąż: .
- Ex. 100.4Application
Klasyfikuj i rozwiąż: (uważaj na rezonancję).
- Ex. 100.5ApplicationAnswer key
Rozwiąż , . Jaka jest stabilna wartość równowagi?
- Ex. 100.6ApplicationAnswer key
Rozwiąż , . W jakim czasie temperatura osiąga 40 °C?
- Ex. 100.7Application
Rozwiąż , , . Klasyfikuj tłumienie.
- Ex. 100.8ApplicationAnswer key
Zastosuj metodę Eulera z do , , od do . Porównaj z .
- Ex. 100.9
Rozwiąż .
- Ex. 100.10Answer key
Rozwiąż .
- Ex. 100.11Application
Masa-sprężyna bez tłumienia: kg, N/m, , . Znajdź okres, amplitudę i fazę.
- Ex. 100.12
Zweryfikuj przez bezpośrednie podstawienie, że rozwiązuje .
- Ex. 100.13
, . Jaka jest wartość graniczna ? W jakim czasie ?
- Ex. 100.14
Rozwiąż . Wyjaśnij, dlaczego w rozwiązaniu pojawia się czynnik .
- Ex. 100.15
Bernoulli: rozwiąż przez podstawienie .
- Ex. 100.16
Rozwiąż . (Wskazówka: obniż do 1. rzędu robi .)
- Ex. 100.17
Rozwiąż .
- Ex. 100.18Understanding
Jaka jest właściwa technika do rozwiązania równania logistycznego ?
- Ex. 100.19Understanding
Dyskryminanta z oboma pierwiastkami ujemnymi. Jakie jest zachowanie rozwiązania ?
- Ex. 100.20Understanding
Porównaj rząd zbieżności metody Eulera i RK4.
- Ex. 100.21Application
Zwłoki znalezione o 10 z temperaturą 33 °C. Pokój 20 °C, h⁻¹. Oszacuj czas śmierci.
- Ex. 100.22Modeling
Zawieszenie motocykla: kg, kN/m, . Oblicz częstotliwość naturalną, współczynnik tłumienia i klasyfikuj reżim.
- Ex. 100.23ModelingAnswer key
Obwód RC z ms, źródło 5 V skokami. W jakim czasie V?
- Ex. 100.24Modeling
Filtr RC przepustnik dolny, kHz. Oblicz tłumienie (w dB) na kHz.
- Ex. 100.25Modeling
Chiny: 1,4 miliarda w 2020, tempo wzrostu 0,4%/rok. Model Malthusa przewiduje populację w 2050.
- Ex. 100.26Modeling
Równe dane z poprzedniego ćwiczenia, ale ze względu na model logistyczny z miliarda. Porównaj z Malthusem w 2050.
- Ex. 100.27Modeling
Lek: mg/L, h⁻¹. W jakim czasie stężenie spada do 5 mg/L?
- Ex. 100.28ModelingAnswer key
Zbiornik z 100 L czystej wody otrzymuje 5 L/min solanki na 2 g/L; doskonała mieszanka wychodzi na 5 L/min. Jaka jest ilość soli za 30 min?
- Ex. 100.29ModelingAnswer key
Inwestycja z ciągłym wpłynięciem: , . Jaki jest majątek za 30 lat?
- Ex. 100.30Modeling
Reaktor jądrowy: , s, . W jakim czasie moc podwaja się?
- Ex. 100.31ProofAnswer key
Wykaż, że formuła czynnika całkującego rzeczywiście rozwiązuje . Wykaż również jedyność rozwiązania dla danego warunku początkowego.
- Ex. 100.32Proof
Wykaż, że i są liniowo niezależne dla , obliczając Wrońskian.
- Ex. 100.33Proof
Wykaż, że metoda Eulera ma globalny rząd zbieżności 1.
- Ex. 100.34Challenge
Lotka-Volterra. , . Znajdź równowagi, analizuj stabilność przez jakobianę, i oszacuj okres oscylacji blisko nietrywialnej równowagi.
- Ex. 100.35Challenge
Wahadło duże. , , . Wyraź dokładny okres jako całkę eliptyczną i porównaj z przybliżeniem małego kąta.
Źródła
- Lebl, Jiří. Notes on Diffy Qs: Differential Equations for Engineers. Wersja 6.4. CC-BY-SA. jirka.org/diffyqs — §1.2–2.6, §8.2: główne źródło dla równań różniczkowych analitycznych 1. i 2. rzędu z przykładami integrującymi.
- OpenStax. Calculus Volume 2. CC-BY-NC-SA. openstax.org/details/books/calculus-volume-2 — §4.3–4.5: separowalne, liniowe, logistyka i chłodzenie z problemami syntezy.
- REAMAT UFRGS. Cálculo Numérico (Python). CC-BY-SA. ufrgs.br/reamat/CalculoNumerico/livro-py/main.html — Rozdz. 8: Euler, rząd zbieżności, RK4 i stabilność.