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″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = -4. Найдите y(1,5).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + y/x = 4 при x > 0, y(1) = 5. Найдите y(3).
y′ + y/x = 4y(1) = 5
y(3) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 5x и параболой y = 2x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
y = 5xy = 2x²
V =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(2x), x в радианах. Найдите f′(0,5).
Скорость транспортного средства измеряется каждые 10 s (таблица). Оцените пройденный путь s от t = 0 до t = 60 s методом Симпсона.
h = 10 sn = 6
s = m
8.Численные методыСложная
Решите y′ = t + y, y(0) = 2 методом Эйлера с шагом h = 0,2 до t = 0,6. Точное решение равно y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Найдите глобальную погрешность |E| = |y(0,6) − y3|.
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,2
|E| =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 0,03277
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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 2, −3A − 5B = -4
A = 3, B = −1
Вычислите
y(1,5) = 3·e−4,5 + (−1)·e−7,5 = 0,03277
Ответ
y(1,5) = 0,03277
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(3) = 7
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∫1/x dx = x1
Интегрируйте
(x1y)′ = 4x → x1y = 4x2/2 + C
Начальное условие
5 = 4/2 + C → C = 3
Вычислите
y(3) = (4·32/2 + 3)/31 = 7
Ответ
y(3) = 7
3.Интегралы
Ответ: I = 12
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.
Замена переменной
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
Проинтегрируйте и подставьте пределы
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Ответ
I = 12
4.Интегралы
Ответ: V = 163,6
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.
Точки пересечения
5x = 2x² → x = 0, x = 2,5
Метод колец (шайб)
V = π∫₀2,5 ((5x)² − (2x²)²) dx
Интегрируйте
V = π(25·2,5³/3 − 4·2,5⁵/5) = π·52,08 = 163,6
Ответ
V = 163,6
5.Производные
Ответ: f′(0.5) = 1,382
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(2x) + 2x·cos(2x)
Подставьте
f′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Ответ
f′(0,5) = 1,382
6.Производные
Ответ: x = 2
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 = 3·(x2 − 2x)
Решите f′(x) = 0
x = 0 или x = 2
Что есть что
f″(x) = 6x − 6: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(0) = −6, f″(2) = 6
x = 2
Ответ
x = 2
7.Численные методы
Ответ: s = 876,7 m
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.
Взвешенная сумма
9 + 4·7 + 2·13 + 4·14 + 2·16 + 4·22 + 24 = 263
Метод Симпсона
s = (10/3)·263 = 876,7 m
Ответ
s = 876,7 m
8.Численные методы
Ответ: |E| = 0,2824
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
y3 = 3,584
Точное значение
y(0,6) = 3,866356
Глобальная погрешность
|E| = |3,866356 − 3,584| = 0,2824
График
Ответ
|E| = 0,2824
Уменьшение h вдвое примерно вдвое уменьшает погрешность метода Эйлера.