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
Банку газировки температурой 4 °C достали из холодильника в комнату при 27 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,1 min⁻¹ найдите температуру T через 30 min.
T0 = 4 °CTa = 27 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 30 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y″ + 3y′ + 6,25y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(0,5); углы в радианах.
y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 4 − x² и осью x.
y = 4 − x²
A =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x3·e−x. Найдите f′(0,5).
f(x) = x3·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = x2 + x − 1 в точке x = 2 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = x2 + x − 1x = 2
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫02 √x·e−x dx методом трапеций с n = 5 полосами. Укажите T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 5
T =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Эйлера с h = 0,25 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0, чтобы оценить y3 ≈ y(0,75).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,25
y3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 25,85 °C
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.
Решение закона охлаждения
T(t) = 27 + (−23)·e−0,1t
Подставьте t
T(30) = 27 + (−23)·0,04979 = 25,85 °C
Ответ
T = 25,85 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 0,5533
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 = −1,5 ± 2j
Константы
A = 1, B = 1,5·1/2 = 0,75
Вычислите
y(0,5) = e−0,75(1·cos 1 + 0,75·sin 1) = 0,5533
Ответ
y(0,5) = 0,5533
3.Интегралы
Ответ: I = 23,5
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Ответ
I = 23,5
4.Интегралы
Ответ: A = 10,67
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.
Нули
4 − x² = 0 → x = ±2
Интегрируйте
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Ответ
A = 10,67
5.Производные
Ответ: f′(0.5) = 0,3791
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′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)
Подставьте
f′(0,5) = 0,6065·(0,75 + (−0,125)) = 0,3791
Ответ
f′(0,5) = 0,3791
6.Производные
Ответ: b = −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(2) = 5
f′(x) = 2x + 1 → f′(2) = 5
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 5·2 = −5
Ответ
b = −5
7.Численные методы
Ответ: T = 0,6027
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 = 0,8294
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.