Mục lục bài họcĐang ở d07-b4
Verifying Solutions, Second Derivatives and Tangent-Line Estimates
Verifying a solution
A function is a solution of a differential equation when substituting it and its derivatives makes the equation an identity for every $x$ in the domain. To verify that $y=3e^{2x}-x-\frac12$ solves $\dfrac{dy}{dx}=2y+2x$: left side $y'=6e^{2x}-1$; right side $2\left(3e^{2x}-x-\frac12\right)+2x=6e^{2x}-1$. The two sides agree identically, so it is a solution. Checking at a single point is not a verification, and neither is solving the equation from scratch.
The second derivative from the equation
Given $\dfrac{dy}{dx}=F(x,y)$, differentiate both sides with respect to $x$, remembering that every $y$ carries a factor $\dfrac{dy}{dx}$, then replace $\dfrac{dy}{dx}$ by $F(x,y)$ so that the result contains only $x$ and $y$. Example: $\dfrac{dy}{dx}=x-y$ gives $\dfrac{d^2y}{dx^2}=1-\dfrac{dy}{dx}=1-(x-y)=1-x+y$.
Tangent-line estimate and its direction
The equation hands you the slope at the initial point. With $y(1)=2$ and $\dfrac{dy}{dx}=x-y$: slope $1-2=-1$, tangent line $y=2-(x-1)$, so $y(1.2)\approx1.8$. Over- or underestimate comes from $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ at the point: $1-1+2=2\gt0$, so the solution curve is concave up there, the tangent line lies below the curve, and $1.8$ is an underestimate. The rubric wants all three: the sign of $\dfrac{d^2y}{dx^2}$, the word "concave", and the conclusion.
Kiểm nghiệm nghiệm: thế hàm và đạo hàm của nó vào phương trình, hai vế phải bằng nhau với mọi $x$. Ví dụ $y=3e^{2x}-x-\frac12$ với $\dfrac{dy}{dx}=2y+2x$: vế trái $y'=6e^{2x}-1$, vế phải $2y+2x=6e^{2x}-1$ — trùng nhau, vậy là nghiệm. Thử tại một điểm không phải kiểm nghiệm.
Đạo hàm cấp hai từ phương trình: đạo hàm hai vế của $\dfrac{dy}{dx}=F(x,y)$ theo $x$, mỗi $y$ kéo theo một $\dfrac{dy}{dx}$, rồi thế $\dfrac{dy}{dx}$ bằng $F(x,y)$ để kết quả chỉ còn $x$ và $y$. Với $\dfrac{dy}{dx}=x-y$: $\dfrac{d^2y}{dx^2}=1-\dfrac{dy}{dx}=1-x+y$.
Ước lượng bằng tiếp tuyến: phương trình cho sẵn hệ số góc tại điểm đầu. $y(1)=2$, $\dfrac{dy}{dx}=x-y$ ⇒ hệ số góc $-1$, tiếp tuyến $y=2-(x-1)$, $y(1.2)\approx1.8$. Thừa hay thiếu: $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ tại điểm đó ra $2\gt0$ ⇒ lõm lên ⇒ tiếp tuyến nằm dưới đường cong ⇒ ước lượng thiếu. Rubric cần đủ ba ý: dấu, chữ “lõm”, kết luận.
Cho phương trình vi phân $\dfrac{dy}{dx}=x^2-y$ và $f$ là nghiệm với $f(1)=3$. (a) Viết phương trình tiếp tuyến tại $(1,3)$ và dùng nó ước lượng $f(1.1)$. (b) Tìm $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ theo $x$ và $y$. (c) Ước lượng ở (a) thừa hay thiếu? Giải thích. (d) Kiểm nghiệm $y=x^2-2x+2+Ce^{-x}$ là nghiệm với mọi hằng số $C$.
(a) Hệ số góc tại $(1,3)$: $1^2-3=-2$. Tiếp tuyến $y=3-2(x-1)$, nên $f(1.1)\approx3-2(0.1)=2.8$.
(b) $\dfrac{d^2y}{dx^2}=2x-\dfrac{dy}{dx}=2x-(x^2-y)=2x-x^2+y$.
(c) Tại $(1,3)$: $\dfrac{d^2y}{dx^2}=2-1+3=4\gt0$. Since $\dfrac{d^2y}{dx^2}\gt0$ at $(1,3)$, the graph of $f$ is concave up near $x=1$, so the tangent line lies below the curve and $2.8$ is an underestimate of $f(1.1)$.
(d) $y'=2x-2-Ce^{-x}$. Vế phải: $x^2-y=x^2-(x^2-2x+2+Ce^{-x})=2x-2-Ce^{-x}$. Hai vế bằng nhau với mọi $x$ và mọi $C$, vậy đây là nghiệm.
Một: đạo hàm cấp hai còn chứa $\dfrac{dy}{dx}$ — đề ghi “in terms of $x$ and $y$” là bắt buộc thế lại; để nguyên mất điểm dù đúng. Hai: kết luận thừa/thiếu mà không nêu dấu $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ và chữ “lõm lên/xuống” — chỉ viết “underestimate” là 0 điểm lập luận. Ba: tính $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ tại điểm mà chỉ thay $x$, quên thay $y$ — công thức có cả hai biến. Bốn: “kiểm nghiệm nghiệm” bằng cách thử $x=0$: đúng ở một điểm không nói lên gì.
Kiểm nghiệm = thế vào, hai vế trùng nhau với mọi $x$. Đạo hàm cấp hai = đạo hàm phương trình rồi thế $\dfrac{dy}{dx}$ lại. Tiếp tuyến lấy hệ số góc thẳng từ phương trình; thừa hay thiếu quyết định bởi dấu $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ tại điểm đầu, và phải viết đủ dấu, chữ “lõm”, kết luận.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 7 — Differential Equations gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.