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″ + 2y′ + y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 1. Найдите y(1).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(1) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 400 L воды, в которой растворено 20 kg соли. Рассол с содержанием соли 0,1 kg на литр поступает со скоростью 5 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 105 min?
V = 400 Lm0 = 20 kgc = 0,1 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₀π x·sin x dx (x в радианах).
∫₀π x·sin x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = (2x + 1)4. Найдите f′(0).
f(x) = (2x + 1)4x = 0
f′(0) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = 3x2 − x − 6 в точке x = 3 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = 3x2 − x − 6x = 3
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫02 sin x dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,1 для y′ = cos t − y, y(0) = 2, чтобы оценить y2 ≈ y(0,2).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,1
y2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 1,104
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 + 1)² = 0 → r = −1
Константы
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 1 = 2
Вычислите
y(1) = (1 + 2·1)·e−1 = 1,104
Ответ
y(1) = 1,104
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: m = 34,62 kg
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.
Составьте уравнение
dm/dt = 5·0,1 − (5/400)·m = 0,5 − 0,0125·m
Решите
Интегрирующий множитель равен ert/V; решение стремится к равновесному значению c·V.
m(t) = 40 + (−20)·e−t/80
Подставьте t
m(105) = 40 + (−20)·0,2691 = 34,62 kg
Ответ
m = 34,62 kg
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: A = 5,333
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.
Точки пересечения
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Ответ
A = 5,333
5.Производные
Ответ: f′(0) = 8
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.
Цепное правило
f′(x) = 4·(2x + 1)3·2
Подставьте
f′(0) = 4·13·2 = 8
Ответ
f′(0) = 8
6.Производные
Ответ: b = −33
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(3) = 18
f′(x) = 6x − 1 → f′(3) = 17
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 18 − 17·3 = −33
Ответ
b = −33
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,008914
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 = 1,416147
Метод Симпсона
S = (1/3)·(0 + 4·0,841471 + 0,909297) = 1,42506
Погрешность
|E| = |1,42506 − 1,416147| = 0,008914
Ответ
|E| = 0,008914
Относительная погрешность: 0,6294%.
8.Численные методы
Ответ: y2 = 1,818
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.