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″ + 6y′ + 9y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 2. Найдите y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y″ + 2y′ + 5y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(0,25); углы в радианах.
y″ + 2y′ + 5y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.25) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 ex dx.
f(x) = ex[0, 2]
I =
4.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(3x), x в радианах. Найдите f′(2).
f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = x2 − 5x в точке x = 3 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = x2 − 5xx = 3
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫03 √x·e−x dx методом трапеций с n = 6 полосами. Укажите T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 6
T =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,2 для y′ = cos t − y, y(0) = 3, чтобы оценить y3 ≈ y(0,6).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,2
y3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 3,012
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 + 3)² = 0 → r = −3
Константы
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 15 = 17
Вычислите
y(0,5) = (5 + 17·0,5)·e−1,5 = 3,012
Ответ
y(0,5) = 3,012
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.25) = 2,61
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.
Комплексные корни
r = −1 ± 2j
Константы
A = 3, B = 1·3/2 = 1,5
Вычислите
y(0,25) = e−0,25(3·cos 0,5 + 1,5·sin 0,5) = 2,61
Ответ
y(0,25) = 2,61
3.Интегралы
Ответ: I = 6,389
Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.
Первообразная
F(x) = ex/1
Подставьте пределы
I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389
Ответ
I = 6,389
4.Интегралы
Ответ: I = 0,0609
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
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Ответ
I = 0,0609
5.Производные
Ответ: f′(2) = 5,482
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(3x) + 3x·cos(3x)
Подставьте
f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482
Ответ
f′(2) = 5,482
6.Производные
Ответ: b = −9
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(3) = −6
f′(x) = 2x − 5 → f′(3) = 1
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −6 − 1·3 = −9
Ответ
b = −9
7.Численные методы
Ответ: T = 0,7172
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: y3 = 2,07
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.