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′ + 8y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 6. Найдите y(1).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(1) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 400 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,2 kg на литр поступает со скоростью 10 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 60 min?
Приблизьте ∫13 1/x dx методом трапеций, n = 4, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 4
|E| =
8.Численные методыСложная
Решите y′ = y − t², y(0) = 1 методом Эйлера с шагом h = 0,1 до t = 0,4. Точное решение равно y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Найдите глобальную погрешность |E| = |y(0,4) − y4|.
y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,1
|E| =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 1,36
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.
Характеристические корни
(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Константы по начальным значениям
A + B = 4, −2A − 4B = 6
A = 11, B = −7
Вычислите
y(1) = 11·e−2 + (−7)·e−4 = 1,36
Ответ
y(1) = 1,36
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: m = 62,15 kg
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.
Составьте уравнение
dm/dt = 10·0,2 − (10/400)·m = 2 − 0,025·m
Решите
Интегрирующий множитель равен ert/V; решение стремится к равновесному значению c·V.
m(t) = 80 + (−80)·e−t/40
Подставьте t
m(60) = 80 + (−80)·0,2231 = 62,15 kg
Ответ
m = 62,15 kg
3.Интегралы
Ответ: I = 0,5708
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Первообразная
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Пределы
(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708
Ответ
I = 0,5708
4.Интегралы
Ответ: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Ответ
I = 12,78
5.Производные
Ответ: f′(3) = 0,6
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 для логарифма
f′(x) = 2x/(x2 + 1)
Подставьте
f′(3) = 6/10 = 0,6
Ответ
f′(3) = 0,6
6.Производные
Ответ: x = −3
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
Решите f′(x) = 0
x = −3 или x = 1
Что есть что
f″(x) = 6x + 6: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = −3
Ответ
x = −3
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,01805
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.
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
y4 = 1,44949
Точное значение
y(0,4) = 1,468175
Глобальная погрешность
|E| = |1,468175 − 1,44949| = 0,01869
График
Ответ
|E| = 0,01869
Уменьшение h вдвое примерно вдвое уменьшает погрешность метода Эйлера.