微分方程與泰勒展開 A35580
1. **問題陳述**:
(九) 解微分方程 $s'(t) = 0.07s(t) + 40000$,且初始條件 $s(0) = 1000000$。
(十) 使用一階與二階泰勒展開式來近似計算 $\sqrt[3]{27.03}$。
2. **(九) 微分方程解法**:
這是非齊次線性微分方程,形式為 $s'(t) - 0.07s(t) = 40000$。
3. **求齊次方程解**:
齊次方程為 $s'(t) - 0.07s(t) = 0$。
解為 $s_h(t) = Ce^{0.07t}$。
4. **求特解**:
假設特解為常數 $s_p$,代入方程得:
$0 - 0.07s_p = 40000 \Rightarrow s_p = -\frac{40000}{0.07} = -571428.57$。
5. **通解**:
$s(t) = s_h(t) + s_p = Ce^{0.07t} - 571428.57$。
6. **利用初始條件求 $C$**:
$s(0) = C - 571428.57 = 1000000 \Rightarrow C = 1571428.57$。
7. **最終解**:
$$s(t) = 1571428.57 e^{0.07t} - 571428.57$$
8. **(十) 泰勒展開近似 $\sqrt[3]{27.03}$**:
令函數 $f(x) = x^{1/3}$,在 $a=27$ 展開。
9. **計算函數值與導數**:
$f(27) = 3$
$f'(x) = \frac{1}{3}x^{-2/3}$,故 $f'(27) = \frac{1}{3 \times 9} = \frac{1}{27}$。
10. **二階導數**:
$f''(x) = -\frac{2}{9} x^{-5/3}$,故 $f''(27) = -\frac{2}{9 \times 243} = -\frac{2}{2187}$。
11. **一階泰勒展開**:
$$f(27.03) \approx f(27) + f'(27)(27.03 - 27) = 3 + \frac{1}{27} \times 0.03 = 3 + 0.00111 = 3.00111$$
12. **二階泰勒展開**:
$$f(27.03) \approx 3 + \frac{1}{27} \times 0.03 + \frac{-2/2187}{2} \times (0.03)^2 = 3 + 0.00111 - 0.000041 = 3.00107$$
13. **結論**:
一階近似為 $3.00111$,二階近似為 $3.00107$,更精確。