Mục lục bài họcĐang ở d07-b1
← AP Calculus BC
0/40 bài đã học xong
Chương 7 · Unit 7 — Differential Equations · Bài 1/4 của chương · bài 25/40 của AP Calculus BC

Slope Fields, Equilibrium Solutions, and Concavity

Trường hệ số góc, nghiệm cân bằng và chiều lõm
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Reading a differential equation before solving it

A slope field draws, at each lattice point $(x,y)$, a short segment of slope $\frac{dy}{dx}$ evaluated there. A solution curve is a curve that is everywhere tangent to those segments; one initial condition picks out one curve.

Three readings that AP asks for again and again:

  • Segments identical along every horizontal line means $\frac{dy}{dx}$ depends on $y$ alone; identical along every vertical line means it depends on $x$ alone.
  • A horizontal row of segments at $y=c$ signals the equilibrium solution $y=c$. Verify it by substitution: the constant function makes both sides zero.
  • By uniqueness of solutions of an initial value problem, two distinct solution curves never cross. An equilibrium solution therefore acts as a wall.

To decide concavity without solving, differentiate the equation itself. If $\frac{dy}{dx}=f(x,y)$, then $\frac{d^{2}y}{dx^{2}}=f_x+f_y\cdot\frac{dy}{dx}$ in practice: differentiate the right-hand side with respect to $x$, remembering that $y$ is a function of $x$.

Giải thích tiếng Việt

Trường hệ số góc là hình vẽ của phương trình trước khi giải: ở mỗi điểm lưới $(x,y)$ vẽ một gạch ngắn có độ dốc bằng $\frac{dy}{dx}$ tại đó. Đường nghiệm là đường đi tiếp tuyến với các gạch ấy; mỗi điều kiện đầu chọn ra đúng một đường.

Ba cách đọc mà đề AP hỏi đi hỏi lại:

  • Gạch giống nhau theo mọi hàng ngang ⇒ $\frac{dy}{dx}$ chỉ phụ thuộc $y$; giống nhau theo mọi cột dọc ⇒ chỉ phụ thuộc $x$.
  • Một hàng gạch nằm ngang tại $y=c$ báo hiệu nghiệm cân bằng $y=c$. Muốn chứng minh thì thế hàm hằng vào: vế trái bằng $0$, vế phải cũng bằng $0$.
  • Nhờ tính duy nhất nghiệm của bài toán giá trị ban đầu, hai đường nghiệm khác nhau không bao giờ cắt nhau. Vì thế nghiệm cân bằng đóng vai trò một bức tường.

Muốn biết đồ thị nghiệm lõm lên hay lõm xuống mà không cần giải, hãy đạo hàm chính phương trình đó theo $x$, nhớ rằng $y$ là hàm của $x$ nên mỗi lần chạm $y$ phải kèm $\frac{dy}{dx}$, rồi thay $\frac{dy}{dx}$ bằng biểu thức đã cho. Đây là mắt xích nối chương này với Unit 5, và là chỗ ăn điểm ở câu hỏi “xấp xỉ tiếp tuyến là thừa hay thiếu”.

(0, 1)y = x - 1xygạch nằm ngang đúng trên đường y = x, nơi dy/dx = 0
Trường hệ số góc của $\frac{dy}{dx}=x-y$. Gạch không giống nhau theo hàng ngang cũng không giống nhau theo cột dọc — dấu hiệu $\frac{dy}{dx}$ phụ thuộc cả hai biến. Các gạch nằm ngang xếp thành đường chéo $y=x$, đúng nơi $x-y=0$; đó là một đường đẳng dốc, không phải nghiệm cân bằng (thế $y=x$ vào thì vế trái bằng $1$, vế phải bằng $0$). Đường đỏ là nghiệm qua $(0,1)$; nó lõm lên rồi bám dần vào đường đứt $y=x-1$, thứ mà ta đoán được chỉ bằng cách nhìn hình.
Ví dụ — lõm lên hay lõm xuống, không cần giải

Cho $\dfrac{dy}{dx}=x-y$ với $y(0)=1$. Không giải phương trình, hãy xét đồ thị nghiệm lõm lên hay lõm xuống tại $x=0$, rồi dùng tiếp tuyến tại $(0,1)$ để xấp xỉ $y(0{,}2)$ và cho biết xấp xỉ đó thừa hay thiếu.

Giải.

Bước 1 — độ dốc. $\dfrac{dy}{dx}\Big|_{(0,1)}=0-1=-1$.

Bước 2 — đạo hàm cấp hai. Đạo hàm hai vế của $y'=x-y$ theo $x$, nhớ $y$ là hàm của $x$:

$$y''=1-y'$$

Tại $(0,1)$ ta có $y'=-1$, nên $y''=1-(-1)=2>0$. Đồ thị lõm lên quanh $x=0$.

Bước 3 — tiếp tuyến. $y\approx 1-1\cdot(x-0)=1-x$, nên $y(0{,}2)\approx 0{,}8$.

Bước 4 — chiều lệch. Lõm lên ⇒ tiếp tuyến nằm dưới đồ thị ⇒ $0{,}8$ là ước lượng thiếu.

Ở đây nghiệm thật là $y=x-1+2e^{-x}$, cho $y(0{,}2)\approx0{,}837$ — đúng là lớn hơn. Nhưng toàn bộ lập luận trên không cần biết công thức ấy, và đó chính là điều đề muốn kiểm tra.

Bẫy hay mất điểm — Đạo hàm $y'=x-y$ ra $y''=1$ là lỗi đắt nhất của bài này: người viết coi $y$ như hằng số. Đúng phải là $y''=1-y'$, và bước tiếp theo là thế lại $y'=x-y$ để $y''$ chỉ còn $x$ và $y$. Cách chặn: mỗi lần bút chạm vào chữ $y$ trong lúc đạo hàm theo $x$, viết ngay $\frac{dy}{dx}$ bên cạnh trước khi làm gì khác. Bẫy thứ hai cùng họ: nhầm “nghiệm đang tăng” với “đồ thị lõm lên” — dấu của $y'$ và dấu của $y''$ là hai câu hỏi khác nhau, chỉ $y''$ mới quyết định tiếp tuyến nằm trên hay dưới.
Phải nhớ — Hàng ngang giống nhau ⇒ phụ thuộc $y$; cột dọc giống nhau ⇒ phụ thuộc $x$; gạch nằm ngang ⇒ nghiệm cân bằng, và nghiệm khác không cắt qua nó. Muốn nói thừa hay thiếu thì phải có $y''$, không phải $y'$.

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.

Làm bài tập chương →