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课程库 Calculus 2 S6 · 二阶微分方程 › 第 8

单元测验:二阶微分方程关卡

里程碑45 分钟

关卡说明

S6 走到这里,从"齐次"术语撞车到晃塌大桥的共振,七课的手艺该过安检了。本关三部分:手艺总表(60 秒自检)、三道综合大题(每道横跨多课,先动笔再开折叠)、十连测验。建议闭卷做题,卡住了先回总表定位是哪一课的手艺生锈,再回去补。预计 45 分钟。

一、手艺总表 · 60 秒自检

手艺一句话口令
1. 初见与术语分类:阶数/线性/齐次齐次线性看右端为零;S5 的"齐次型"是撞名路人
2. 叠加原理解结构:基本解组找两个线性无关解就全赢;Wronskian 0\neq 0 验无关
3. 特征方程ar2+br+c=0ar^2 + br + c = 0 三分天下Δ>0\Delta > 0 两指数;Δ=0\Delta = 0xx 撑开;Δ<0\Delta < 0 外壳×振荡
4. 非齐次y=yh+ypy = y_h + y_p + 待定系数先跑骨架再点菜;撞上骨架就乘 xx
5. 弹簧(上)无阻尼/欠阻尼ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m} 是体质;包络线收口
6. 弹簧(下)过阻尼/临界阻尼慢根说了算;阻尼过猛回家反而慢
7. 受迫与共振暂态+稳态;ω\omegaω0\omega_0tt 的物理名字叫共振;阻尼压峰兜底

任何一行的口令读不懂,先回那一课,再回来闯关。

二、综合大题

大题 1 · 从特征方程到物理判读(第 3、5 课)

解初值问题 y+4y+13y=0y'' + 4y' + 13y = 0y(0)=2y(0) = 2y(0)=2y'(0) = 2;把解写成振幅-相位形式,并指出:若这是弹簧系统,它处于哪种阻尼状态?

✅ 完整解答

特征方程r2+4r+13=0r^2 + 4r + 13 = 0Δ=1652=36<0\Delta = 16 - 52 = -36 < 0r=2±3ir = -2 \pm 3i。通解:

y=e2t(Acos3t+Bsin3t)y = e^{-2t}\left(A\cos 3t + B\sin 3t\right)

初值y(0)=A=2y(0) = A = 2。求导归堆(别漏外壳):y=e2t[(2A+3B)cos3t+(3A2B)sin3t]y' = e^{-2t}\left[(-2A + 3B)\cos 3t + (-3A - 2B)\sin 3t\right],代 y(0)=2y'(0) = 24+3B=2B=2-4 + 3B = 2 \Rightarrow B = 2

y=e2t(2cos3t+2sin3t)y = e^{-2t}\left(2\cos 3t + 2\sin 3t\right)

振幅-相位R=4+4=22R = \sqrt{4 + 4} = 2\sqrt{2}cosφ=sinφ=12φ=π4\cos\varphi = \sin\varphi = \tfrac{1}{\sqrt{2}} \Rightarrow \varphi = \tfrac{\pi}{4}(双正,第一象限):

y=22e2tcos ⁣(3tπ4)y = 2\sqrt{2}\,e^{-2t}\cos\!\left(3t - \frac{\pi}{4}\right)

物理判读:复根 = 振荡 + 衰减外壳 ⟹ 欠阻尼m=1,c=4,k=13m = 1, c = 4, k = 13c2=16<52=4mkc^2 = 16 < 52 = 4mk ✅)。准频率 3,包络线 ±22e2t\pm 2\sqrt{2}e^{-2t}

大题 2 · 非齐次全家桶(第 3、4 课)

y4y=8x+e2xy'' - 4y = 8x + e^{2x} 的通解。(提示:右端要拆;其中一件会撞骨架。)

✅ 完整解答

骨架r24=0r^2 - 4 = 0r=±2r = \pm 2yh=c1e2x+c2e2xy_h = c_1 e^{2x} + c_2 e^{-2x}

零件一 g1=8xg_1 = 8x:猜 Ax+BAx + B,代入 4(Ax+B)8x-4(Ax + B) \equiv 8xA=2,B=0A = -2, B = 0yp1=2xy_{p1} = -2x

零件二 g2=e2xg_2 = e^{2x}撞骨架e2xe^{2x} 是齐次解)!乘 xx 改猜 Axe2xAxe^{2x}。求导:(xe2x)=(1+2x)e2x(xe^{2x})' = (1 + 2x)e^{2x}(xe2x)=(4+4x)e2x(xe^{2x})'' = (4 + 4x)e^{2x},代入:

A(4+4x)e2x4Axe2x=4Ae2xe2xA=14A(4 + 4x)e^{2x} - 4Axe^{2x} = 4Ae^{2x} \equiv e^{2x} \quad\Rightarrow\quad A = \tfrac{1}{4}

组装

y=c1e2x+c2e2x2x+14xe2xy = c_1 e^{2x} + c_2 e^{-2x} - 2x + \frac{1}{4}xe^{2x}

评分点自查:① 先跑骨架了吗?② 拆右端了吗?③ 查撞车了吗?④ 多项式猜想带常数项 BB 了吗(哪怕最后为零)?

大题 3 · 一根弹簧的四种人生(第 5、6、7 课)

弹簧系统 m=1m = 1k=25k = 25。(a) 分别判断 c=6c = 6c=10c = 10c=26c = 26 时的阻尼类型,写出通解骨架;(b) 拆掉阻尼(c=0c = 0),施加外力 10cos5t10\cos 5t,会发生什么?写出特解并说明。

✅ 完整解答

(a) 临界刻度 ccr=2mk=10c_{\text{cr}} = 2\sqrt{mk} = 10

  • c=6<10c = 6 < 10欠阻尼r2+6r+25=0r^2 + 6r + 25 = 0r=3±4ir = -3 \pm 4ix=e3t(c1cos4t+c2sin4t)x = e^{-3t}(c_1\cos 4t + c_2\sin 4t)——减幅振荡,准频率 4。
  • c=10c = 10临界阻尼(r+5)2=0(r + 5)^2 = 0x=(c1+c2t)e5tx = (c_1 + c_2 t)e^{-5t}——不振荡阵营的回位冠军。
  • c=26>10c = 26 > 10过阻尼r2+26r+25=(r+1)(r+25)=0r^2 + 26r + 25 = (r + 1)(r + 25) = 0x=c1et+c2e25tx = c_1 e^{-t} + c_2 e^{-25t}——慢根 1-1 主宰归途,比临界的 5-5 慢得多:阻尼过猛反而回家慢。

(b) ω0=25=5\omega_0 = \sqrt{25} = 5,驱动频率也是 5——纯共振。右端撞齐次解,乘 tt

xp=F02mω0tsinω0t=1025tsin5t=tsin5tx_p = \frac{F_0}{2m\omega_0}\,t\sin\omega_0 t = \frac{10}{2 \cdot 5}\,t\sin 5t = t\sin 5t

振幅包络 ±t\pm t 线性张开,能量只进不出,系统终将超出线性模型的适用范围(实物层面:解体)。若保留一点阻尼(如 (a) 的任何一档),振幅将被压在有限的共振峰下——阻尼是兜底的安全网。

三、十连测验

随堂测验0 / 10 题正确

1. 下列方程中,属于“二阶线性齐次”的是?

2. $W(e^{2x}, e^{-2x})$ 等于?

3. $y'' + 6y' + 9y = 0$ 的通解是?

4. 解初值题时对 $y = e^{\alpha t}(A\cos\beta t + B\sin\beta t)$ 求导,$y'(0)$ 的正确值是?

5. 非齐次方程通解的正确结构是?

6. 求 $y'' + 4y = \sin 2x$ 的特解,应猜的形状是?

7. 无阻尼弹簧的固有频率 $\omega_0$ 由什么决定?

8. 同一系统($m, k$ 固定)阻尼从临界值继续加大,回到平衡位置的速度会?

9. 有阻尼受迫系统运行很久之后,运动主要由什么决定?

10. 纯共振时解中出现 $t\sin\omega_0 t$ 因子,它在待定系数法里对应的操作是?

通关判定

  • 十连测验 ≥ 8 对 + 三道大题基本独立完成:通关。S6 的骨干手艺(特征方程三分、yh+ypy_h + y_p、乘 x/tx/t 修正、四档阻尼、共振)已经上手。
  • 测验 6–7 对:可以前进,但把错题对应的课号(看解析末尾的指向)回炉 30 分钟。
  • 测验 ≤ 5 对或大题两道以上卡死:先别走。最高杠杆的复习顺序:第 3 课(特征方程是一切的地基)→ 第 4 课(结构 + 待定系数)→ 第 5–7 课按兴趣。

S6 至此收官。你已经拥有解读"世界为什么会振动、以及怎么让它停下或晃起来"的完整数学语言——下次坐进汽车感到过坎后车身一稳,你知道那是谁在临界阻尼附近替你值班。

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