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″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 1. Найдите y(2).
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(x), x в радианах. Найдите f′(1,5).
f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = x2 + 5x + 5 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = x2 + 5x + 5x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Метод трапеций применяется для ∫13 1/x dx. Погрешность не больше (b − a)³·M/(12n²), где M = max|f″| на [1, 3]. Найдите наименьшее число полос n, гарантирующее погрешность меньше 1 × 10⁻⁵.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Эйлера с h = 0,25 для y′ = e−ty, y(0) = 0, чтобы оценить y4 ≈ y(1).
y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,25
y4 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 0,2253
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 + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Константы по начальным значениям
A + B = 1, −1A − 4B = 1
A = 1,667, B = −0,6667
Вычислите
y(2) = 1,667·e−2 + (−0,6667)·e−8 = 0,2253
Ответ
y(2) = 0,2253
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 2,473
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 = e2t
(e2ty)′ = 5e1,5t
Общее решение
y = 5/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 3,333·e−0,5t + C·e−2t
Начальное условие
3 = 3,333 + C → C = −0,3333
Вычислите
y(0,5) = 3,333·0,7788 + (−0,3333)·0,3679 = 2,473
Ответ
y(0,5) = 2,473
3.Интегралы
Ответ: I = 1,099
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.
Первообразная
F(x) = ln x
Подставьте пределы
I = (ln 6 − ln 2) = ln 3 = 1,099
Ответ
I = 1,099
4.Интегралы
Ответ: A = 18
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.
Точки пересечения
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Ответ
A = 18
5.Производные
Ответ: f′(1.5) = 1,104
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(x) + x·cos(x)
Подставьте
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Ответ
f′(1,5) = 1,104
6.Производные
Ответ: b = 4
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) = 11
f′(x) = 2x + 5 → f′(1) = 7
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − 7·1 = 4
Ответ
b = 4
7.Численные методы
Ответ: n = 366
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.
Оценка второй производной
M = 2/1³ = 2
Выразите n
n² > 8·2/(12·1 × 10⁻⁵) = 133333
n > 365,1 → n = 366
Ответ
n = 366
8.Численные методы
Ответ: y4 = 0,831
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.