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
Чашку кофе температурой 95 °C оставили в комнате при 19 °C. Через 22 min температура равна 27 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 61 °C?
T0 = 95 °CTa = 19 °CT(22) = 27 °CT = 61 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 13y = 26 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 4y′ + 13y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = (−2x + 3)3. Найдите f′(1).
f(x) = (−2x + 3)3x = 1
f′(1) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = x2 − 5x − 4 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = x2 − 5x − 4x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫14 1/x dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Сделайте один шаг классического метода Рунге–Кутты (RK4) с h = 0,5 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Найдите y₁ ≈ y(0,5).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 5,796 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(76/8)/22 = 0,1023 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(76/42)/0,1023 = 5,796 min
Ответ
t = 5,796 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 2,246
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 = 2, r = −2 ± 3j
Константы по начальным значениям
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −1,333
Максимум
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−2·π/3) = 2,246
Ответ
ymax = 2,246
3.Интегралы
Ответ: I = 1,551
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первообразная
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Пределы
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Ответ
I = 1,551
4.Интегралы
Ответ: A = 0,6667
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 = x → x = 0, x = 2
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Ответ
A = 0,6667
5.Производные
Ответ: f′(1) = −6
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) = 3·(−2x + 3)2·(−2)
Подставьте
f′(1) = 3·12·(−2) = −6
Ответ
f′(1) = −6
6.Производные
Ответ: b = −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) = −8
f′(x) = 2x − 5 → f′(1) = −3
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −8 − (−3)·1 = −5
Ответ
b = −5
7.Численные методы
Ответ: |E| = 0,03871
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 = 1,386294
Метод Симпсона
S = (1,5/3)·(1 + 4·0,4 + 0,25) = 1,425
Погрешность
|E| = |1,425 − 1,386294| = 0,03871
Ответ
|E| = 0,03871
Относительная погрешность: 2,792%.
8.Численные методы
Ответ: y1 = 1,108
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.