Lição 100 — Consolidação Trimestre 10 (EDOs)
第10学期常微分方程综合研讨:可分离型、一阶线性、种群模型、常系数二阶、振动、RLC电路、数值欧拉法和牛顿冷却。
Used in: AP Calculus BC (EUA) · Leistungskurs Mathematik Klasse 12 (Alemanha) · H2 Mathematics (Singapura) · Spécialité Maths Terminale (França)
Rigorous notation, full derivation, hypotheses
技术地图和决策标准
"存在性与唯一性定理说:在 和 连续的每个点 (x₀, y₀) 处,恰好存在一条解曲线。" — Lebl, Notes on Diffy Qs §1.2
"积分因子的想法是将左边写成精确导数。" — OpenStax 微积分第2卷 §4.5
本学期的技术表:
| 常微分方程 | 标准形式 | 技术 | 通解 |
|---|---|---|---|
| 可分离 | 分离并积分 | 隐式 | |
| 一阶线性 | |||
| 马尔萨斯 | 可分离 | ||
| 逻辑斯谛 | 可分离 + 部分分数 | ||
| 冷却 | 可分离 | ||
| 二阶齐次 | 特征方程 | 三种情况 | |
| 二阶非齐次 | 待定系数 | ||
| 数值欧拉法 | 任意 | 数列 |
SVG——常微分方程决策图
已解决的示例
Exercise list
35 exercises · 8 with worked solution (25%)
- Ex. 100.1Application
分类和求解:。
- Ex. 100.2Application
分类和求解:。
- Ex. 100.3Application
分类和求解:。
- Ex. 100.4Application
分类和求解:(注意共振)。
- Ex. 100.5ApplicationAnswer key
求解 、。稳定平衡值是多少?
- Ex. 100.6ApplicationAnswer key
求解 、。温度达到40°C需要多长时间?
- Ex. 100.7Application
求解 、、。对阻尼进行分类。
- Ex. 100.8ApplicationAnswer key
将欧拉法应用于 在 、 从 到 。与 比较。
- Ex. 100.9Application
求解 。
- Ex. 100.10ApplicationAnswer key
求解 。
- Ex. 100.11Application
无阻尼质量-弹簧: kg、 N/m、、。找周期、幅度和相位。
- Ex. 100.12Application
通过直接代入验证 求解 。
- Ex. 100.13Application
、。极限值 是多少? 时的时间是什么?
- Ex. 100.14Application
求解 。解释为什么会出现 因子。
- Ex. 100.15Application
伯努利:通过代换 求解 。
- Ex. 100.16Application
求解 。(提示:通过设置 降低到一阶。)
- Ex. 100.17Application
求解 。
- Ex. 100.18Understanding
求解逻辑斯谛方程 的正确技术是什么?
- Ex. 100.19Understanding
判别式 且两根都是负数。 解的行为是什么?
- Ex. 100.20Understanding
比较欧拉法和RK4的收敛阶。
- Ex. 100.21Application
尸体在10:00发现时温度为33°C。房间20°C、 h⁻¹。估计死亡时间。
- Ex. 100.22Modeling
摩托车悬挂: kg、 kN/m、。计算自然频率、阻尼系数并对制度分类。
- Ex. 100.23ModelingAnswer key
RC电路 ms、5 V阶跃源。 V 在什么时刻?
- Ex. 100.24Modeling
RC低通滤波器、 kHz。计算 kHz 处的衰减(以dB)。
- Ex. 100.25Modeling
中国:2020年14亿、年增长率0.4%。马尔萨斯模型预测2050年的人口。
- Ex. 100.26Modeling
与前一个练习相同的数据,但使用逻辑斯谛模型 十亿。在2050年与马尔萨斯比较。
- Ex. 100.27Modeling
药物: mg/L、 h⁻¹。浓度下降到5 mg/L需要多长时间?
- Ex. 100.28ModelingAnswer key
有100升纯水的储罐,每分钟接收5升2 g/L的盐水;完全混合的液体每分钟流出5升。30分钟内盐的数量是多少?
- Ex. 100.29ModelingAnswer key
持续供款投资:、。30年内的资产是多少?
- Ex. 100.30Modeling
核反应堆:、 s、。功率翻倍需要多长时间?
- Ex. 100.31ProofAnswer key
证明积分因子公式确实求解 。同时证明给定初值的解的唯一性。
- Ex. 100.32Proof
证明 和 对于 线性无关、通过计算朗斯基行列式。
- Ex. 100.33Proof
证明欧拉法有全局收敛阶1。
- Ex. 100.34Challenge
Lotka-Volterra。 、。找平衡点,通过雅可比分析稳定性,并估计非平凡平衡附近的振荡周期。
- Ex. 100.35Challenge
大摆。 、、。表示精确周期为椭圆积分并与小角度近似比较。
来源
- Lebl,Jiří。 Diffy Qs笔记:工程师的微分方程。 版本6.4。CC-BY-SA。jirka.org/diffyqs — §1.2–2.6,§8.2:一阶和二阶常微分方程、动力系统和综合复习的主要参考。
- OpenStax。 微积分第2卷。 CC-BY-NC-SA。openstax.org/details/books/calculus-volume-2 — §4.3–4.5:可分离、线性、逻辑斯谛和冷却的综合问题。
- REAMAT UFRGS。 数值分析(Python)。 CC-BY-SA。ufrgs.br/reamat/CalculoNumerico/livro-py/main.html — 第8章:欧拉、收敛阶、RK4和稳定性。