Для корня: проверьте смену знака для бисекции или вычислите f и f′ для метода Ньютона и сохраняйте шесть и более цифр в таблице итераций.
Для значения из таблицы: интерполируйте линейно между двумя соседними точками.
Для интеграла: найдите h = (b − a)/n, выпишите f в каждом узле, примените веса (1, 2, …, 2, 1 для трапеций; 1, 4, 2, …, 4, 1 для Симпсона при чётном n) и умножьте на h/2 или h/3.
Для ОДУ: идите от t₀ по формуле yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Эйлер) или по усреднённому наклону (Хойн), по одной строке на шаг, пока не дойдёте до нужного t.
2Тренировочные задачи
1.Дифференциальные уравненияСредняя
Чашку кофе температурой 86 °C оставили в комнате при 19 °C. Через 9 min температура равна 70 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 34 °C?
T0 = 86 °CTa = 19 °CT(9) = 70 °CT = 34 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y′ + y = 4e−3t при y(0) = 0. Найдите y(0,5).
y′ + y = 4e−3ty(0) = 0
y(0.5) =
3.ИнтегралыСредняя
Область под y = 3x от x = 0 до x = 1 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).
y = 3x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = (−2x + 1)3. Найдите f′(−1).
f(x) = (−2x + 1)3x = −1
f′(−1) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = 3x2 − x − 1 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = 3x2 − x − 1x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫14 1/x dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Решите y′ = −2ty, y(0) = 2 методом Эйлера с шагом h = 0,25 до t = 0,75. Точное решение равно y = y₀e−t². Найдите глобальную погрешность |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,25
|E| =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 49,36 min
Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.
Константа охлаждения
k = ln(67/51)/9 = 0,03032 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(67/15)/0,03032 = 49,36 min
Ответ
t = 49,36 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 0,7668
Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.
Интегрирующий множитель
μ = et
(ety)′ = 4e−2t
Общее решение
y = 4/(−2)·e−3t + C·e−t = −2·e−3t + C·e−t
Начальное условие
0 = −2 + C → C = 2
Вычислите
y(0,5) = −2·0,2231 + 2·0,6065 = 0,7668
Ответ
y(0,5) = 0,7668
3.Интегралы
Ответ: V = 9,425
Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.
Метод дисков
V = π∫₀1 9x² dx
Интегрируйте
V = π·9·1³/3 = 9,425
Ответ
V = 9,425
Проверка: конус с радиусом 3 и высотой 1 имеет (1/3)πr²h = 9,425.
4.Интегралы
Ответ: I = 98,43
Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.
Первый шаг
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Второй шаг
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Пределы
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Ответ
I = 98,43
5.Производные
Ответ: f′(−1) = −54
Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.
Цепное правило
f′(x) = 3·(−2x + 1)2·(−2)
Подставьте
f′(−1) = 3·32·(−2) = −54
Ответ
f′(−1) = −54
6.Производные
Ответ: b = −4
Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.
Точка и наклон
f(1) = 1
f′(x) = 6x − 1 → f′(1) = 5
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − 5·1 = −4
Ответ
b = −4
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,03871
Численное интегрирование: разделите [a, b] на n полос шириной h = (b − a)/n с узлами x₀ … xₙ. Метод трапеций: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Метод Симпсона (n чётное): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Погрешность метода трапеций убывает как h² (оценка (b − a)h²·M/12, где M = max|f″|), метода Симпсона — как h⁴, поэтому при тех же узлах метод Симпсона обычно намного точнее.
Точное значение
I = 1,386294
Метод Симпсона
S = (1,5/3)·(1 + 4·0,4 + 0,25) = 1,425
Погрешность
|E| = |1,425 − 1,386294| = 0,03871
Ответ
|E| = 0,03871
Относительная погрешность: 2,792%.
8.Численные методы
Ответ: |E| = 0,1729
Численное решение y′ = f(t, y): метод Эйлера идёт по наклону в начале каждого шага: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) усредняет наклон в начале и в точке, предсказанной методом Эйлера: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Классический метод Рунге–Кутты (RK4) объединяет четыре наклона: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Глобальная погрешность метода Эйлера пропорциональна h, метода Хойна — h², метода RK4 — h⁴.
Шаги Эйлера
y3 = 1,3125
Точное значение
y(0,75) = 1,139566
Глобальная погрешность
|E| = |1,139566 − 1,3125| = 0,1729
График
Ответ
|E| = 0,1729
Уменьшение h вдвое примерно вдвое уменьшает погрешность метода Эйлера.