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 380 °C оставили остывать в цехе при 29 °C. Через 22 min температура равна 255 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 131 °C?
T0 = 380 °CTa = 29 °CT(22) = 255 °CT = 131 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 13y = 13 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 4y′ + 13y = 13y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₀π x·sin x dx (x в радианах).
∫₀π x·sin x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(3x), x в радианах. Найдите f′(2).
f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = 0,5x2 + 5 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = 0,5x2 + 5x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫01 sin(x²) dx методом трапеций с n = 2 полосами. Укажите T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Численные методыСложная
Сделайте один шаг классического метода Рунге–Кутты (RK4) с h = 0,1 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0. Найдите y₁ ≈ y(0,1).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,1
y1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 61,76 min
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.
Константа охлаждения
k = ln(351/226)/22 = 0,02001 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(351/102)/0,02001 = 61,76 min
Ответ
t = 61,76 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 1,123
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.
Установившееся значение и корни
yss = 1, r = −2 ± 3j
Константы по начальным значениям
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −0,6667
Максимум
t = π/3 = 1,047
ymax = 1·(1 + e−2·π/3) = 1,123
Ответ
ymax = 1,123
3.Интегралы
Ответ: I = 3,142
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 = sin x dx, v = −cos x
Первообразная
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Пределы
(−π·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142
Ответ
I = 3,142
4.Интегралы
Ответ: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Ответ
I = 37,59
5.Производные
Ответ: f′(2) = 5,482
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(3x) + 3x·cos(3x)
Подставьте
f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482
Ответ
f′(2) = 5,482
6.Производные
Ответ: b = 4,5
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(1) = 5,5
f′(x) = x → f′(1) = 1
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5,5 − 1·1 = 4,5
Ответ
b = 4,5
7.Численные методы
Ответ: T = 0,3341
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.
Узлы и значения
h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,247404 + 0,841471 = 1,336279
Метод трапеций
T = (0,5/2)·1,336279 = 0,3341
Ответ
T = 0,3341
У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.
8.Численные методы
Ответ: y1 = 0,1003
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.