Mục lục bài họcĐang ở d07-b1
Slope Fields, Equilibrium Solutions, and Concavity
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 $x$.
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”.
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.
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.
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.