東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

§ 微分方程式（Differential Equation：D.E.） D.E.：凡是含有微分的方程式。 分類：

常微分方程式（僅含有一自變數的 D.E.） ： 偏微分方程式（具有一個以上自變數的 D.E.） D.E. :

Ordinary D E O D EPartial D E P D ETotal D E T D E

. . ( . . .). .( . . .). .( . . .)

RS|T| ：全微分方程式（化成全微分形式的 D.E.）

：

Examples : O D E y xP D ET D E e x dx x dy xydz

ddx

ux

uy

y

. . . : sin

. . . :. . . : cos sin

=+ =

+ +

RS|T|

∂∂

∂∂

2

2

2

2 00=

( * P.D.E.中，必存在偏微分算符：’∂’ )

與 D.E.相關的定義： (1) 階（order）：D.E.中，因變數的最高微分階數。

ex. 2 3 4 2 0 2 4′ + = ′′ + ′ + = ′′′ + ′′ + =y y x xy xy y y y y( ) ( ) 0 (2) 次（degree）：將 D.E.化成有理整式後，最高階導函數的次方。

其中有理整式：因變數及其導函數的次方均為正整數。

ex. y y= ′

(3) 線性（linear）：D.E.各項中，因變數及其導函數的次方和不大於 1（≦1）； 或 D.E.各項中，因變數或其導函數至多出現一次（可以沒有）。

ex. ′′ + = + ′ =

′′ + ⋅ =∂∂

+∂∂

=

y y y y

x y x y e uy

y ux

xx

0 0

0 2

sin

sin sin

(4) 齊次（homogeneous）：D.E.各項中，均含有因變數或其

y c c x= = ⋅ U0

或沒有不含因變數的項。( a triv

ex. ′′ + = ′ + = ′′ + ′ +′ + = ′ + =

y xy e y y x x y xyy y y y

x3 0 41 0

2

2

cos( ) cos

D.E.的解（以 O.D.E.為例） 若將函數 y=y(x)代入 D.E.中，且能滿足該 D.E.，則稱 y=（由此定義可得到解的驗證法：將函數直接代入 D.E.中）

ex. SIf , then is the solution, where

= and can substitute for

is the solution of

D E y y y cey ce y ce y y

y y ce cey ce D E y y

x

x x

x x

x

. .: ',

( ) ( ). .: .

+ = =

∴ ′ = − ′

′ + = − + =

∴ = ′ + =

R||

T||

−

− −

− −

−

2 02

2 2 2 02 0

2

2 2

2 2

2

Q

（一般而言，n 階 D.E.其通解中，會含有 n 個任意常數）

導函數；

y k x k xa line

y k x not a line

= = ⋅VW

= ⋅

1

2 :

ial solution : y = 0 )

=y4 0

y(x)為此 D.E.的解。

is an arbitrary constant.cD E. .,

90 ㆖ EM( 1 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

微分方程式的解： (1) 形式上：顯解(explicit solution) => y=f(x), u=u(x,y).

（因變數與自變數的關係可以明確分開表示）

隱解(implicit solution) => G(x,y)=0, (x, y 的關係隱含在方程式中)

ex. explicit sol.: implicit sol. : y c x c x y exy= + + + =1 0 0; sin( ) (2) 種類：

通解( general sol.)：n 階 D.E.的解中，含有 n 個任意的獨立常數者，稱之為通解 或原函數。

特解( particular sol.)：經由指定通解中任意常數的值而獲得的解。 奇解( singular sol.)：仍是 D.E.的解，但不能經由指定通解中任意常數的值而得到者。 ex.

( )′ + ′ − =y x y y2 0： 通解：y = c x+c2 (只有一個常數 c) 特解：y = x+1 (set c=1) 奇解：y = - x2/4

（令 p = y’，並將上述 D.E.對 x 微分、化簡）

[＊] 直接積分求解 D.E.

1) 求解因變數與自變數的關係，即得出 x, y 的關係。

2) 使用的積分關係：a f x dx d f x f x C

b f x dx f x d f x dx f x

ddx

ddx

) ( ) ( ) ( )

) ( ) ( ) ( ) ( )

z zzz

= = +

= ⇒ = dx

( )1 dydx

e x= − ( ) sin4 32′ =y e x x

( ) cos2 42

2

d ydx

x= ( )5 ′′ =y x

( )3 02ddx

x d ydxLNMOQP = ( )6 2d

dxx y⋅ ′ =

[＊] 變數可分離型

1) 設 u = u(x,y)為 x, y 的函數，且可寫成 u = f(x)·h(y)， 則稱 u(x,y)為變數可分離函數。

90 ㆖ EM( 2 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

123456 1

2)))) ln() sin()

u x yu x yu eu xyu xu y

x y

== +==== +

+

))y

2) 變數可分離型 D.E.求解原則：將 x, y 先分開，再分別積分。

( )1 0xd y ydx+ = ( )7 0xd y ydx− =

( ) ( ) ( )2 3 22 3 2 3 4x y xy dx x y x y dy− + + 0= 0 ( ) ( ) ( )8 1 1x y y+ ′ + + =

( ) ( ) ( )3 1 12 2x y y+ ′ + + = 0 0 ( ) ( ) ( )9 1 1y x dx x y dy+ + + =

( ) sin( ) ( )

4 12 2

′ =+

′=⋅ +

y xy

y x ey

x y

; ( )10 ′= +y ex y

( ) ( ) , ( ).5 1 1 3x y y y find y x′ + = ∧ = ( ) ( ) , ( )11 1 2 1x y y y find y x′ − = ∧ = .

( ) ( ) , [ : ]6 2′ = − = −y y x set u yHint x ( ) , [ : ]12 x y e y set u xyx y′ = − =− Hint

[＊] 活用微分公式

1) 基本微分公式：

*1) , .*2) ( )*3)*4)

( )

, .

*5) ( ) ( ) ( )

*6)

dC C is a constantd u u du dud f g g d f f dgdu du dud u u u

du u u u u C the solution

f x dx d f x dx easy but important

d x yx y

m x y n x y

n

n

u

n

m n

m n

m n m n

=+ = +

⋅ = ⋅ + ⋅

+ + ⋅⋅⋅⋅⋅ + =+ + ⋅⋅⋅⋅⋅ + =

= ⇒ = + + ⋅⋅⋅⋅⋅ + =

=

=⋅ + ⋅

z− −

− −

0

00

0

1 2 1 2

1 2

1 2

1 2

1 1

1 1

1 244 344

c hx y

m ydx n xdyd x yx y

m n

m n

m n

− −

− −⇒ ⋅ + ⋅ =

1 1

1 1

c h

2) 利用微分公式解 D.E.原則：先乘開再觀察合併。 90 ㆖ EM( 3 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

Examples :

( )1 0xd y ydx+ =

( )2 ′ =+−

y y xy x

( ) ( cos ) (sin )3 3 42 3x y x dx x y dy+ + − 0=

( ) ( ) ( )4 0ye e dx e xe dyx y x y+ + + =

( )5 4xy y′ + + = 0

( ) ( tan ) sec6 2 2x y dx y dy+ = 0

( ) ( ) ( )7 2 3 13 2y x dx xy dy+ + + 0=

( ) ( ) ( )8 1 1y x dx x y dy+ + + = 0

( )

* *

9 1

2 2

x y y integrating factor

d yx

xd y ydxx

d xy

ydx xdyy

′ − = →

FHGIKJ =

− FHGIKJ =

−

90 ㆖ EM( 4 )

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[*]一階線性 D.E. D E y P x y Q xP x Q x are both the functions of x

whenQ x is homogeneousQ x is nonhomogeneous

. .: ( ) ( ) [ ]( ), ( ) .

( ) [ ]( ) [ ]

′ + =

= →≠ →

RST

L A

AA

00

公式推導：

D E y P x y Q x dydx

P x y Q x

d y P ydx Q x dxI I x

I d y I P ydx I Qdx

I d y y dI I Qdx

d I y I Qdx I y I Qdx C yI

I Qdx C

I(x)I P ydx y dI y

we hope

. .: ( ) ( ) ( ) ( )

( )

( )

,

′ + = ⇒ + =

+ =

⇒ ⋅ + ⋅ = ⋅

⇒ ⋅ + ⋅ = ⋅

⇒ ⋅ = ⋅ ⇒ ⋅ = ⋅ + ⇒ = ⋅ ⋅ +

⋅ = ⋅

E

z z

if it exists an integrating factor = ( ), and then multiplies above D.E.,

Does function really exist ?expected both sides divided by , we have

1 244 344

1

dII

Pdx e e I e P x dx I xI Pdx P x dx= ⇒ = z ⇒ = z = z =ln ( )

exp ( ) ( )b g

解題步驟：1) 化成標準式： y P 的係數為 1。

2) 令 I e

3)

′ + = ⇒ ′x y Q x y( ) ( )

P x dx= zexp ( )b gP x dx= z ( )

∴ = ⋅ zyI1

⋅ +I Qdx C

Examples :

(0) - = (1) ′ ′ + =y y y y1 x x (7) ′ + =y y2 3sin

(2) ′ + =y y x x and y2 0tan sin ( ) = 1 (8) dydt

y e t+ = −

(3) dydt

y t− =2 cos (9) +′ =y y x2 cot cos x

(4) + + )x y x y ex′ =(1 (10) + 2x y y x′ =

(11) * ′ =⋅ −

yy x

12 sin

(6) D.E. :

( ) is a continuous function, find ( ).

* ′ + = =≤ ≤<

RSTy y g x g xx

x xy x y x

21 0 1

1( ), ( )

,,

(12) D.E. :

( ) is a continuous function, find ( ).

* ′ + = =≤ ≤<

RSTy y g xxx

y x y x

( ),,

1 0 10 1

(5) * e x yy + ⋅ ′ =c h 1

90 ㆖ EM( 5 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

[*] 電路上的應用

[*] 運算子、算符（Operator）

設 O1、O2、O3 均為線性運算子 (1) 運算子的作用順序（靠近的先作用）

(O1O2O3) y = (O1O2)(O3 y)= O1[O2(O3 y)]

ex.

assume D

x D y x Dy x y

D x y D x y x y y

ddx≡

⋅ = = ′

⋅ = = ′ +

1

2

)

)b g b gb g b g

(2) ( O1+ O2 ) y = O1 y + O2 y ex. ( ) ( ) ( )x D y x y D y x y y+ = + = + ′

(3) linear operator L

L k y k L yL y y L y L y

k is an arbitrary constant⋅ = ⋅+ = +

RST 1 2 1 2

.

(4) 一般而言，運算子不具交換性。 ( O1O2 ) ≠ ( O2O1) 但 a 為常數時，則有：（D a）＝（a D） & （DD）＝（DD）＝ D2

(5) 運算子的相等 若 L1[y] = L2[y]，則稱 L1 ≡ L2。 或說：對函數 y 而言，L1 ≡ L2，即 L1，L2 具相同的作用。 （＊雖然 L1 ≡ L2，但未必具有相同的形式）

ex.

Dxx

xx

for x x D

D e e D

D e e D

x x

n x n x n n

2 2

2 2

c h c h

b g b gc h c h

sincos

sincos

sin , cos :

,

,

ωω

ωωω

ω ω ω

λ λ

λ λ

λ λ

λ λ

RSTUVW = −

RSTUVW

≡ −

= ≡

= ≡

(6)

if D ddx

D ddx

a D D D Db D D D D D

c D D D D D D D

kk

k

s r r s

r s s r r s

r s t r s r

≡ ≡

+ = +

= =

+ = +

+

,

( )( )

( ) c h t

90 ㆖ EM( 6 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

*D.E.的運算子表示法

D.E. : + ( ) + ( ) = ( )+ ( ) + ( ) = ( )

+ ( ) + ( )

+ ( ) + ( )( , )

′′ ′

=

⇒ = =

y p x y q x y r xD y p x Dy q x y r x

D p x D q x y r x

L x D y r x L x D D p x D q xL x D

2

2

2

1 2444 3444( )

( , ) ( ) , ( , ) .

[*] 線性相依與線性獨立

線性組合： 若有 n 個已知函數：u x ， u x u xn1 2( ), ( ), , (L )

g

n 個任意常數：c c ， cn1 2, , ,L

則 (注意沒有等號) c u x c u x c u xn n1 1 2 2( ) ( ) ( )+ + +L

稱為b 的線性組合。 u u un1 2, , ,L

線性相依： 對於方程式：c y c y c y An n1 1 2 2 0+ + + =L ( )其中c c 為 n 個待求常數， 為 n 個任意已知函數 cn1 2, , ,L y y yn1 2, , .....,顯然 為其一解， c c cn1 2 0= = = =L

若除了上述情形外，至少存在一 不為零，使得(A)式仍成立，於是有 ck ≠ 0

yc

c y c y c y c y c ykk

k k k k n n=−

⋅ + + + + + +− − + +1

1 1 2 2 1 1 1 1L L

則稱b 彼此為線性相依。 y y yn1 2, , ,L gg或者說：b 函數中的某一個，能夠以其餘函數的線性組合來表示。 y y yn1 2, , ,L

(*但不必每一個函數都用到) 線性獨立： 但如果(A)式僅存在 的解， c c cn1 2 0= = = =.....則稱 b 彼此為線性獨立。 y y yn1 2, , ...., g或者說：函數 b 中的任一個，都不能夠以其餘函數的線性組合表示。 y y yn1 2, , ...., g ＊判斷下列函數為線性相依或獨立

( ) ,( ) cos , cos , sin( ) ,( ) , ,

1 42 234 4

1 2

1 22

32

1 22

2

u x u xy x y x yu x u xy x y x y x

= =

= = =

= =

= = =1 2 3

x

90 ㆖ EM( 7 )

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[*] Wronsky 行列式

1) 設b 為 n 個已知函數，則稱 u x u x u xn1 2( ), ( ), , ( )LL gW u x u x u x

u u u uu u u u

u u u u

n

n

n

n n nn

n

1 2

1 2 3

1 2 3

11

21

31 1

( ), ( ), , ( )

( ) ( ) ( ) ( )

LL

L

L

M M M O M

L

b g

=′ ′ ′

− − −

′

−

x

為b 的 Wronsky 行列式。 u x u x u xn1 2( ), ( ), , ( )LL g2) 若W u ，則b 為線性相依；

若W u ，則b g為線性獨立。 x u un1 2 0( ), , ,LLb g =x u un1 2 0( ), , ,LLb g ≠

u x u un1 2( ), , ,LL gu x u un1 2( ), , ,LL

Examples：( ) 使用 Wronsky 行列式判斷。

( ) ,( ) ,

,( ) , ,( ) cos , cos , sin

1 4234 45 2

1 2

1 22

1 2

1 2 32

1 22

32

1 2

u x u xu x u xu e u ey x y x y xy x y x y

x x

= =

= =

= =

= = =

= = =

λ λ

（＊）結論：若是線性相依： y k ；

或是若

y W y yy yy y

k y yk y y1 2 1 2

1 2

1 2

2 2

2 2

0= ⋅ ∴ =′ ′

=⋅⋅ ′ ′

=, ( , )

yy

k1

2

= ：常數，則( , 為線性相依。 )y y1 2

[*] 二階常係數齊次 D.E.

D E y Ay B y A B are both constants

D AD B y

. . : , ,′′ + ′ + =

+ + =

0

02

.

我們假設解具 y 的形式，代入原 D.E.，可得 e x= λ

特性方程式：（characteristic or auxiliary equation） λ λ2 0+ + =A B 一元二次方程式

其中 λ 1 2

2 42, =

− ± −A A B

0

)

上述方程式的根有下述三種可能的組合： (1) 相異實根： λ λ1 2≠ ⇒ = +y c e c ex x

1 21 2λ λ

(2) 相等實根： λ λ λ1 2= = ⇒ = +y e c c xxλ 00 1( )

(3) 共軛虛根： λ λ1 2= + = −p jq p jq, ⇒ = ⋅ + ⋅y e a qx b qxp x ( cos sin

90 ㆖ EM( 8 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

Examples : ( ) , . . : ( ) . , ( ) .1 5 6 0 0 16 0′′ + ′ + = = ′ =y y y I C y y 0

( ) , . . : ( ) , ( ) .2 4 4 0 0 1 0′′ − ′ + = = ′ =y y y I C y y 4

( ) , . . : ( ) , ( ) .3 2 10 0 0 4 0 1′′ − ′ + = = ′ =y y y I C y y

( )4 2′′ − =y y 0

( )5 4′′ + =y y 0

( )6 0′ =y

( )7 0′′ =y

( )8 3′′ + ′ =y y 0

[*] 高階常係數齊次 D.E.

D E a y a y a y a y

a D a D a D a y

L D yL chracteristic equation or auxiliary equation

nn

nn

nn

nn

L D

. . :

( )( ) : .

( ) ( )

( )

+ + + ′ + =

+ + + + =

=⇒ =

−−

−−

11

1 0

11

1 0

0

0

00

LL

LL1 2444444 3444444

λ

若L 為特性方程式： ( )λ = 0

(1) L n( )λ λ λ λ λ λ λ= − − −1 2b g b g b gL

∴ =λ λ λ λ1 2, , ,L n 為互不相等的單根 ⇒ = + + +y c e c e c ex x

nxn

1 21 2λ λ LL λ

(2) L k( )λ λ λ= − 0b g ∴ =λ λ 0 為 k 次重根

⇒ = ⋅ + + + + −−y e c c x c x c xx

kkλ 0

0 1 22

11LLc h

90 ㆖ EM( 9 )

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(3) L p jq pk

( )λ λ λ= − + ⋅ − −b g b gjq

∴ = + −λ p jq p jq, 的 k 次重根

⇒ = +

+ ⋅ +

+ ⋅ +

+ ⋅ +−− −

y e A qx B qx

x e A qx B qx

x e A qx B qx

x e A qx B qx

p x

p x

p x

k p xk k

0 0

1 1

22 2

11 1

cos sin

cos sin

cos sin

cos sin

b gb gb g

b gM

Examples：

( )1 1 5 62D D D y+ + +b g c h 0=

( )2 1 4 132D D D y− − +b g c h 0=

( )3 1 23 2D D y− +b g b g 0=

( )4 4 8 17 32 3D D D D y+ + + +b g c h d i 0=

( )5 2 22 2D D y+ + =c h 0

90 ㆖ EM( 10 )

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[*] 二階常係數線性非齊次 D.E.

D E y a y by r x. . : ( ) [ ]′′ + ′ + = ⋅⋅⋅⋅⋅ A 其中 a，b 均為常數。 ( ) :1 0y y a y by yh h h h′′+ ′ + = h

p

：含兩個任意常數 ( ) : ( )2 y y a y by r x yp p p p′′ + ′ + = ：不含任意常數 則 y = yh + yp

齊次解 非齊次解 零輸入響應 零態響應 自然響應 受激(激勵)響應 主要的暫態部分 穩態部分 求解二階常係數線性非齊次 D.E. [A]式的步驟： 1) 先求齊次解：yh 2) 設法找到非齊次解：yp 3) 最後得到全解：y = yh + yp 未定係數法：(求解常係數 D.E.的非齊次解 yp) (*) 未定係數法的適用情形：

(1) 常係數 D.E. (2) 若 r(x)經任意次微分後，僅出現有限的可能項

ex e x x x xa x. : , , cos , tan , ln2 ω (*) 如何假設 yp (與 r(x)有關) 規則：

1) r(x) 經任意次微分後，所出現的有限可能項為 u1(x), u2(x), u3(x), …… , un(x) ( known )

則設： yp 為（u1(x), u2(x), u3(x), …… , un(x)）的線性組

即 yp = c1 u1(x) + c2 u2(x) + c3 u3(x) + ……+ cn un(x)其中（c1 , c2 , c3 , …. , cn）為等待決定的係數，故稱之

2) 接著將 yp 代入原 D.E.，比較係數以決定（c1 , c2 , c3 ,

(*)

r(x) yp 應假設的形式 K y Ap =

eax y A epax= ⋅

xn y A A x A x A xp nn= + + + ⋅⋅⋅+0 1 2

2 cosqx sin qx

y A qx B qxp = ⋅ + ⋅cos sin

給定

ee

x

x u x u x u xDk

( ) ( ) , ( ) , , ( ) → ⋅⋅⋅⋅⋅

r

合， 為未定係數法。

…. , cn）的值。

的e 形式 xλ 對應的λ值 eax a 1 0

qq

px

px

cossin

xx

q p j±

cosqxsin qx ± jq

ek ax⋅c h a 的(k+1)次重根

assume linear combinationy c u x c u x c u xwhere c c c are waiting to be determinated

n

p n n

n

( ) ( ) ( ), , ,

E= + + ⋅⋅⋅⋅⋅ +

⋅⋅⋅

1 2

1 1 2 2

1 2 .

90 ㆖ EM( 11 )

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(*) 假設 yp 時的修正原則： (與 r(x)，yh 的特性根有關) 1) 若 r(x) = r1(x) + r2(x)，

r1(x)：yp1 r2(x)：yp2 ， 則 yp = yp1 + yp2

2) 若 r(x) = r1(x)× r2(x)，

r1(x)：yp1 r2(x)：yp2 ， 則 yp = yp1 × yp2

3) 若 r x ，且 亦為 y 的 k 次重根， ea x( ) = λ = a h

即 ， y e c c x c x c xha x

kk= + + + ⋅⋅⋅ + −−

0 1 22

11c h

則須設： y e xpax k= ⋅

例如：（合併同類項或係數）

r x e y A e

r x x y b b x

if r x r x r x y y y A e b b xif r x r x r x

y y y A e b b x e c c xwhere c A b c A b

a xp

a x

p

p p pa x

p p pa x a x

1 1 1

2 2 0 1

1 2 1 2 1 0

1 2

1 2 1 0 1 0 1

0 1 0 1 1 1

( )

( )

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( )( ) ( ),

= → =

= → = +

= + ∴ = + = + +

= ⋅

∴ = ⋅ = + = +

= =

1

if r x xr x y ar x x y b b x

y y y a b b x A A x where A a b A

p

p

p p p

( )( )( )

, ;

= += → =

= → = +

∴ = + = + + = + = + =

111 1 0

2 2 0 1

1 2 0 0 1 0 1 0 0 0 1 b .1

if y e c c x a x b x jr x e x

r x e y c e x

r x x j y A x B x x

y y y c e x A x B x x

hx

x

xp

x

p

p p px

= + + ⋅ + ⋅ → = ±

= +

= = → = ⋅

= = ± → = ⋅ + ⋅

= + = ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅

20 1

2

12

12 2

2 2

1 22 2

3 3 2 23

2

3 3 3 3

3 3

( ) ( cos sin ) , ,( ) sin

( ) ( )

( ) sin cos sin

cos sin

λ

λ

λ

c hb g b gc h b g

⋅

3

b gb g

Examples :

( ) sin1 ′ + =y y x

( )2 3 2′′ + ′ + =y y y xe

( ) , . . : ( ) /3 2 0 12′ − = =y y x I C y 2

90 ㆖ EM( 12 )

東南電機系 五專部 工程數學講義 （2001 Fall, Rich Wang）

Examples :

( )1 4 3′′ + ′ + = +y y y ex 5

( )2 2 2′ + = −y y e x

( )3 3 2 3 2′′ − ′ + =y y y e x

( )4 1 32D D y e x− = + −b g

( ) cos5 2 2′′ + ′ + =y y y x

( ) sin6 9′′ + =y y 3x

[*] 聯立方程式

( ) ( ) , ( ).1

dxdt

x y

dydt

x yfind x t y t

= +

= −

RS||

T||

( ) ( ) , ( )22dx

dtdydt

dxdt

dydt

efind x t y t

t

+ =

− =

RS||

T||

−.

90 ㆖ EM( 13 )

D.E. 類 題 演 算 DIY, please !

( ) ( ) , ( )1 2 3 0 0 0 0 2′′ + ′ − = = ′ =y y y y y , I.C.: y e ex x= − −12

3c h

( ) ( ) , ( )2 6 9 0 0 1 1 3′′ − ′ + = = ′ = −y y y y y e , I.C.: 5 y e xx= −3 1 2( )

( ) ( ) , ( )3 2 5 0 0 1 0 1′′ + ′ + = = ′ =y y y y y , I.C.: y e x xx= +− cos sin2 2b g

( )1 2 4 3 02 D.E.: D D D y+ − +b gc h = y c e c e c ex x x= + +−1

22 3

3

( )2 2 4 02 D.E.: D D D y− + − =d ic h1 y c e c e c ex x x= + +− + − −1

22

2 53

2 5( ) ( )

( )3 1 3 5 2 02 D.E.: D D D y+ + − =b gc h y c e c e c ex x x= + +− −1 2 3

213

( )4 3 10 25 02 D.E.: D D D y+ + +b gc h = y c e e d d xx x= + +− −1

3 50 1b g

( )5 4 8 20 02 D.E.: D D D y+ + +b gc h = y c ee a x b

x

x

=

+ ⋅ + ⋅

−

−

14

4 2 2cos sinb gx

( )6 4 6 02 3 D.E.: D D y− + =b g b g y e c c x

e d d x d x

x

x

= +

+ + +−

40 1

60 1 2

2

b gc h

( )7 2 2 6 13 02 2 D.E.: D D D D y− + + + =c hc h y e a x b x

e a x b

x

x

= +

+ +−

1 1

32 22 2

cos sin

cos sin

b gb gx

( )8 3 4 7 03 2 D.E.: D D D y+ − + =d i c h

y e c c x c x

e a x b x

x

x

= + +

+ +

− 30 1 2

2

2 3 3

c hd icos sin

( )9 4 13 02 2 D.E.: D D y+ + =c h

y e a x b x

xe a x b x

x

x

= +

+ +

−

−

20 0

21 1

3 3

3 3

cos sin

cos sin

b gb g

(1) ′′ − =y y e x8 60 2 y c e c ey Ae eh

x x

px x

= +

= = −

−1

2 22

2 2

2 215

(2) ′′ + ′ + =y y y x4 3 5sin2 y c e c ey x xh

x x

p

= +

= ⋅ +

− −

−

1 23

113 8 2 2cos sin

(3) ′′ + ′ + =y y y4 4 3 y e c c xy Ah

x

p

= +

= =

−20 1

34

b g

(4) ′′ + =y y x4 3sin y a x b xy A x B x xh

p

= +

= + = −

0 01

5

2 23 3 3

cos sincos sin sin

(5) ′′ − ′ + = − −y y y e ex x3 2 y c e c ey Ae x Be xe eh

x x

px x x x

= +

= ⋅ + = − −− −

1 22

16

(6) D D y e x2 48 16 3− + =c h y e c c x

y Ae x x eh

x

px x

= +

= ⋅ =

40 1

4 2 32

2 4

b g

常 用 數 學 公 式

a x d tt

x

special cases b x y x y

xy

x y

x r x

x

r

) ln ( )

ln( ) , ln( ) , ln( )) ln( ) ln ln

ln( ) ln ln

ln( ) ln

= >

= = −∞ ∞ == +

= −

= ⋅

z1 0

1 0 0 :

+∞

a e e e jb e xc e y y y

e y y y

j

x

y

y

) . , , cos si) exp ( )) exp(ln )

ln ln (exp( ))

ln

1 02 718281828 1≈ = =

=

= ⇔ =

= ⇔ =

θ θ θ

n+

sin( ) sin cos cos sinsin( ) sin cos cos sincos( ) cos cos sin sincos( ) cos cos sin sin

sin cos sin( ) sin( )

cos sin sin( ) sin( )

cos cos cos( ) cos( )

sin sin cos( ) cos( )

( ) /(

A B A B A BA B A B A BA B A B A BA B A B A B

A B A B A B

A B A B A B

A B A B A B

A B A B A B

assumex A By A B

thenA x yB x

+ = ⋅ + ⋅− = ⋅ − ⋅+ = ⋅ − ⋅− = ⋅ + ⋅

⋅ = + + −

⋅ = + − −

⋅ = + + −

⋅ = − + − −

= += −RST

= +=

12121212

2+

RST+ = ⋅

+⋅

−

− = ⋅+

⋅−

+ = ⋅+

⋅−

− = − ⋅+

⋅−

y

x y x y x y

x y x y x y

x y x y x y

x y x y x y

) /

sin sin sin cos

sin sin cos sin

cos cos cos cos

cos cos sin sin

2

22 2

22 2

22 2

22 2

sin sin coscos cos sin cos sin

cos cos , sin cos

2 22 2 1

1 22

1 22

2 2 2

2 2

θ θ θ

θ θ θ θ

θ θ θ θ

=

= − = − = −

=+

=−

1 2 2θ

常用數學公式

微 積 分 定 理 與 公 式

ddx

f x g x ddxf x d

dxg x

ddx

f g g ddxf f d

dxg f g f g f

fg

f g f gg

g x

y y u u u x dydx

dydu

dudx

( ) ( ) ( ) ( )

( )

( ) ( )

± = ±

⋅ = ⋅ + ⋅ ⇔ ⋅ ′= ′ ⋅ + ⋅ ′

LNMOQP′=

′ ⋅ − ⋅ ′⇒ ≠

= = =

2 0

chain rule : if and then

g

⋅

d F xdx

f x f x dx F x C

ddx

f t dt f x a

ddx

f x dx f x d f x dx f x dx

f x dx d f x dx

d f xdx

dx f x C d f x f x C C

y y x dy y dx

u u x y du uxdx u

ydy

u dv u v v du

a

x

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) , :

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( : )

( )

( , )

= ⇒ = +

=

= => =

=

= + => = +

= = ′ ⋅

= =∂∂

⋅ +∂∂

⋅

RS|T|

⋅ = ⋅ − ⋅

zzz zz

zz

zz

constant.

integral constant

( integral by parts )

( ) ( )

ddx

f x t dt f x b x dbdx

f x p x d pdx x

f x t dtp x

b x

p x

b x( , ) , ( ) , ( ) ( , )

( ) ( )z z= − +∂∂

b g b g

dCdxd xdx

n xn

n

=

= −

0

1

dedx

e dedx

a e

dadx

a a

xx chain rule

a xa x

xx

= → =

= ⋅ln

d xdx

x d xdx

x

d xdx

x d xdx

x

d xdx

x d xdx

x

d xdx

x d xdx

x

d xdx

x x d xdx

x x

d xdx

x x d xdx

x

chain rule

chain rule

chain rule

chain rule

chain rule

chain rule

sin cos sin cos

cos sin cos sin

tan sec tan sec

cot csc cot csc

sec sec tan sec sec tan

csc csc cot csc csc

= → = ⋅

= − → = − ⋅

= → = ⋅

= − → = − ⋅

= ⋅ → = ⋅ ⋅

= − ⋅ → = − ⋅ ⋅

ω ω ω

ω ω ω

ω ω ω

ω ω ω

ω ω ω ω

ω ω ω

2 2

2 2

cotω x

微積分定理與公式(1)

微 積 分 定 理 與 公 式

微積分定理與公式(2)

d xdx x

d xdx x

d xdx x

d xdx x

d xdx x

d xdx x

d xdx x

d xdx x

d xdx x x

d xdx x

chain rule

chain rule

chain rule

chain rule

chain rule

sin sin( )

cos cos( )

tan tan( )

cot cot( )

sec sec(

− −

− −

− −

− −

− −

=−

→ =−

=−

− → =

−

−

=+

→ =+

=−+

→ =−

+

=−

→ =

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

11 1

11 1

11 1

11 1

11

1

ω ωω

ω ωω

ω ωω

ω ωω

ωω

ωω

x

d xdx x x

d xdx x x

chain rule

)

csc csc( )

2

1

2

1

2

1

11

11

−

=−

− → =

−

−

− −

* Taylor’s series expansion :

f x f an

x a

f a f a x a f a x a f a x a

f(x) is an infinitely differentiable functionsome important expansions :

e xn

x x x

x xn

x x x x

x

nn

n

xn

n

n n

n

( ) ( )!

( )

( ) ( )!

( ) ( )!

( ) ( )!

( )

.

! ! ! !

sin ( )( )! ! ! !

cos (

( )

( )

= ⋅ −

= +′

− +′′

− + − +

= = + + + + ⋅⋅⋅⋅⋅

=−

+= − + − + ⋅⋅⋅⋅⋅

=

=

∞

=

∞

+

=

∞

∑

∑

∑

0

23

3

0

2 3

2 1

0

3 5 7

1 2 3

11 2 3

12 1 3 5 7

LL

−= − + − + ⋅⋅⋅⋅⋅

+ = + +−

+− −

+

=

∞

∑ 12

12 4 6

1 11

21 23

2

0

2 4 6

2 3

)( )! ! ! !

! !

n n

n

p

xn

x x x

x pxp p

xp p p

xb g b g b gb gLL

Binomial formula

x y C x y C x y

Leibniz s formuladdx

f g f g C f g

where Cnk

nk n k

nkn

k

nk n k

kn

k

nn k k

n

nn

kn

k

nk n k

kn

:

' :

!! !

( ) ( ) ( )

+ = =

⋅ = ⋅ =

=FHGIKJ = −

=

−

=

−

=

−

∑ ∑

∑

b g

b g b g

b g

0 0

0

微 積 分 定 理 與 公 式

x dxn

x C n

dxx

x C

n n=+

+ ≠

= +

+zz

11

11 ( )

ln

e dxae C

a dxaa C

ax a x

x x

= ⋅ +

= ⋅ +

zz

1

1ln

11

11

11

11

11

11

2

1

2

1

21

21

2

1

2

1

−= +

−

−= +

+= +

−+

= +

−= +

−

−= +

z zz zz z

− −

− −

− −

xdx x C

xdx x C

xdx x C

xdx x C

x xdx x C

x xdx x C

sin cos

tan cot

sec csc

e bx dx ea b

a bx b bx C

e bx dx ea b

a bx b bx C

axa x

a xa x

cos cos sin

sin sin cos

=+

⋅ + ⋅ +

=+

⋅ − ⋅ +

zz

2 2

2 2

sin cos

cos sin

tan ln sec sec tan

cot ln sin csc cot

sec ln sec tan sec tan

csc ln csc cot csc cot

sin cos

cos sin

tan ln sec

cot ln sin

x dx x C

x dx x C

x dx x C x dx x C

xdx x C xdx x C

x dx x x C x dx x C

x dx x x C x dx x C

x dx x C

x dx x C

xdx x C

x dx

zzz zz zz zz zzzzz

= − +

= +

= + ⇒ = +

= + ⇒ = − +

= + + ⇒ = +

= − + + ⇒ = − +

= − ⋅ +

= ⋅ +

= +

=

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

ωω

ω

ωω

ω

ωω

ω

ωω

ω

ωω

ω

ωω

ω x C

xdx x x C

xdx x x C

+

= + +

= − + +

zz

sec ln sec tan

csc ln csc cot

ωω

ω ω

ωω

ω ω

1

1

微積分定理與公式(3)

常 用 微 分 公 式

d f g g df f dgdu du d u udCdx

dC C constant

d x C d x d x d x C

( )( )

( : )

( ) ( )

= ++ = +

= ⇔ =

+ = ⇔ = +

1 2 1 2

0 0

dedx

e de e dx

d xdx x u

du d u

xx x x= ⇔ =

= ⇔ =ln ln1 1

d xdx

n x d x n x dx

d xdx

x d x xdx

ddx x x

dx x

dx

nn n= ⇔ =

= ⇔ =

FHGIKJ =

−⇔ FHGIKJ =

−

− −1 1

22

2 2

2 2

1 1 1 1

n

d x y ydx xdy

d x y m x y dx n y x dy

m ydx n xdy d x yx y

d yx

xdy ydxx

d xy

ydx xdyy

m n m n n m

m n

m n

( )

( )

= +

= ⋅ + ⋅

∴ ⋅ + ⋅ =

FHGIKJ =

−

FHGIKJ =

−

− −

− −

c h 1 1

1 1

2

2

d xdx

x d x x dx

d xdx

x d x x dx

d xdx

x d x x dx

d xdx

x d x x dx

d xdx

x x d x x x dx

d xdx

x x d x x x d

sin cos sin cos

cos sin cos sin

tan sec tan sec

cot csc cot csc

sec sec tan sec sec tan

csc csc cot csc csc cot

= ⇔ =

= − ⇔ = −

= ⇔ =

= − ⇔ = −

= ⇔ =

= − ⇔ = −

2 2

2 2

x

d xdx x

dxx

d x

d xdx x

dxx

d x

d xdx x x

dxx x

d x

d xdx x

dxx

d x

d xdx x

dxx

d x

d xdx x x

dxx x

d x

sin sin

tan tan

sec sec

cos cos

cot cot

csc csc

−−

−−

−−

−−

−−

−−

=−

⇔−

=

=+

⇔+

=

=−

⇔−

=

=−

−⇔

−

−=

=−+

⇔−+

=

=−

−⇔

−

−=

1

2 2

1

1

2 21

1

2 2

1

1

2 2

1

1

2 21

1

2 2

1

11 11

1 11

1 11

1 11

1 11

1 1

常用微分公式