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″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 1. Найдите y(0,5).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + y′ + 9,25y = 46,25 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + y′ + 9,25y = 46,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₀1 x·cos x dx (x в радианах).
∫₀1 x·cos x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 3x и параболой y = x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
y = 3xy = x²
V =
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) = −x2 − 3x − 2 в точке x = −2 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = −x2 − 3x − 2x = −2
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫01 eˣ dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,25 для y′ = e−ty, y(0) = 1, чтобы оценить y2 ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,25
y2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 0,6537
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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 1, −2A − 5B = 1
A = 2, B = −1
Вычислите
y(0,5) = 2·e−1 + (−1)·e−2,5 = 0,6537
Ответ
y(0,5) = 0,6537
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 7,962
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 = 5, r = −0,5 ± 3j
Константы по начальным значениям
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,8333
Максимум
t = π/3 = 1,047
ymax = 5·(1 + e−0,5·π/3) = 7,962
Ответ
ymax = 7,962
3.Интегралы
Ответ: I = 0,3818
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 = cos x dx, v = sin x
Первообразная
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Пределы
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Ответ
I = 0,3818
4.Интегралы
Ответ: V = 101,8
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
3x = 1x² → x = 0, x = 3
Метод колец (шайб)
V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx
Интегрируйте
V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8
Ответ
V = 101,8
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 = 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.
Точка и наклон
f(−2) = 0
f′(x) = −2x − 3 → f′(−2) = 1
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − 1·(−2) = 2
Ответ
b = 2
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,0005793
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 = 1,718282
Метод Симпсона
S = (0,5/3)·(1 + 4·1,648721 + 2,718282) = 1,718861
Погрешность
|E| = |1,718861 − 1,718282| = 0,0005793
Ответ
|E| = 0,0005793
Относительная погрешность: 0,03372%.
8.Численные методы
Ответ: y2 = 1,371
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.