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) = 2 и y′(0) = 1. Найдите y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + 2y/x = 4x при x > 0, y(1) = −3. Найдите y(2).
y′ + 2y/x = 4xy(1) = −3
y(2) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 1 − x² и осью x.
Приблизьте ∫02 eˣ dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Решите y′ = −2ty, y(0) = 1 методом Эйлера с шагом h = 0,2 до t = 1. Точное решение равно y = y₀e−t². Найдите глобальную погрешность |E| = |y(1) − y5|.
y′ = −2tyy(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 0,03966
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) = 2
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 6 = 7
Вычислите
y(2) = (2 + 7·2)·e−6 = 0,03966
Ответ
y(2) = 0,03966
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 3
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.
Интегрирующий множитель
μ = e∫2/x dx = x2
Интегрируйте
(x2y)′ = 4x3 → x2y = 4x4/4 + C
Начальное условие
−3 = 4/4 + C → C = −4
Вычислите
y(2) = (4·24/4 + (−4))/22 = 3
Ответ
y(2) = 3
3.Интегралы
Ответ: I = 14,12
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
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Ответ
I = 14,12
4.Интегралы
Ответ: A = 1,333
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
1 − x² = 0 → x = ±1
Интегрируйте
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Ответ
A = 1,333
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 = 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.
Производная
f′(x) = 3x2 − 24x + 36 = 3·(x2 − 8x + 12)
Решите f′(x) = 0
x = 2 или x = 6
Что есть что
f″(x) = 6x − 24: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(2) = −12, f″(6) = 12
x = 6
Ответ
x = 6
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,03167
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 = 6,389056
Метод Симпсона
S = (1/3)·(1 + 4·2,718282 + 7,389056) = 6,420728
Погрешность
|E| = |6,420728 − 6,389056| = 0,03167
Ответ
|E| = 0,03167
Относительная погрешность: 0,4957%.
8.Численные методы
Ответ: |E| = 0,0315
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
y5 = 0,399383
Точное значение
y(1) = 0,367879
Глобальная погрешность
|E| = |0,367879 − 0,399383| = 0,0315
График
Ответ
|E| = 0,0315
Уменьшение h вдвое примерно вдвое уменьшает погрешность метода Эйлера.