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
Решите y″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 4. Найдите y(0,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 2y′ + 5y = 50 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(0,5); углы в радианах.
y″ + 2y′ + 5y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 5x и параболой y = 3x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
y = 5xy = 3x²
V =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(2x), x в радианах. Найдите f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = 0,5x2 − 4x + 4 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = 0,5x2 − 4x + 4x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫02 √x·e−x dx методом трапеций с n = 4 полосами. Укажите T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 4
T =
8.Численные методыСложная
Сделайте один шаг классического метода Рунге–Кутты (RK4) с h = 0,5 для y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Найдите y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 2,943
Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.
Двойной корень
(r + 2)² = 0 → r = −2
Константы
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 6 = 10
Вычислите
y(0,5) = (3 + 10·0,5)·e−1 = 2,943
Ответ
y(0,5) = 2,943
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 4,171
Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.
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.
Выберите u и dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первообразная
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Пределы
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Ответ
I = 0,1436
4.Интегралы
Ответ: V = 48,48
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.
Точки пересечения
5x = 3x² → x = 0, x = 1,667
Метод колец (шайб)
V = π∫₀1,667 ((5x)² − (3x²)²) dx
Интегрируйте
V = π(25·1,667³/3 − 9·1,667⁵/5) = π·15,43 = 48,48
Ответ
V = 48,48
5.Производные
Ответ: f′(2) = −3,371
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.
Правила произведения и цепное
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Подставьте
f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Ответ
f′(2) = −3,371
6.Производные
Ответ: b = 3,5
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) = 0,5
f′(x) = x − 4 → f′(1) = −3
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0,5 − (−3)·1 = 3,5
Ответ
b = 3,5
7.Численные методы
Ответ: T = 0,5829
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.
У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.
8.Численные методы
Ответ: y1 = 0,716
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.