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
Кованую стальную деталь температурой 400 °C оставили остывать в цехе при 28 °C. Через 60 min температура равна 47 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.
T0 = 400 °CTa = 28 °CT(60) = 47 °C
k = min⁻¹
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y″ + 4y′ + 13y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(1,5); углы в радианах.
y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ИнтегралыСредняя
Область под y = 3x от x = 0 до x = 2 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).
y = 3x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 4x.
Приблизьте ∫01 sin x dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Эйлера с h = 0,25 для y′ = −2ty, y(0) = 0,5, чтобы оценить y4 ≈ y(1).
y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,25
y4 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: k = 0,04957 min⁻¹
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.
Отношение разностей температур
e−60k = 19/372
Найдите k
k = ln(372/19)/60 = 0,04957 min⁻¹
Ответ
k = 0,04957 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = −0,2147
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 = −2 ± 3j
Константы
A = 5, B = 2·5/3 = 3,333
Вычислите
y(1,5) = e−3(5·cos 4,5 + 3,333·sin 4,5) = −0,2147
Ответ
y(1,5) = −0,2147
3.Интегралы
Ответ: V = 75,4
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∫₀2 9x² dx
Интегрируйте
V = π·9·2³/3 = 75,4
Ответ
V = 75,4
Проверка: конус с радиусом 6 и высотой 2 имеет (1/3)πr²h = 75,4.
4.Интегралы
Ответ: A = 42,67
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.
Точки пересечения
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Ответ
A = 42,67
5.Производные
Ответ: f′(2) = 273
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.
Правило произведения
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(1 + 2·x)
Подставьте
f′(2) = 54,6·(1 + 4) = 273
Ответ
f′(2) = 273
6.Производные
Ответ: x = 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.
Производная
f′(x) = 3x2 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)
Решите f′(x) = 0
x = 1 или x = 4
Что есть что
f″(x) = 6x − 15: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 4
Ответ
x = 4
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,0001645
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 = 0,459698
Метод Симпсона
S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862
Погрешность
|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645
Ответ
|E| = 0,0001645
Относительная погрешность: 0,03578%.
8.Численные методы
Ответ: y4 = 0,2051
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.