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
Банку газировки температурой 6 °C достали из холодильника в комнату при 29 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,08 min⁻¹ найдите температуру T через 6 min.
T0 = 6 °CTa = 29 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 6 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(1,5); углы в радианах.
y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ИнтегралыСредняя
Область под y = √(x) от x = 0 до x = 2 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (параболоида).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
4.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 6x и параболой y = 2x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
y = 6xy = 2x²
V =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(2x), x в радианах. Найдите f′(2).
Приблизьте ∫02 e−x² dx методом трапеций с n = 6 полосами. Укажите T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Эйлера с h = 0,1 для y′ = t − y, y(0) = −1, чтобы оценить y3 ≈ y(0,3).
y′ = t − yy(0) = −1h = 0,1
y3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 14,77 °C
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.
Решение закона охлаждения
T(t) = 29 + (−23)·e−0,08t
Подставьте t
T(6) = 29 + (−23)·0,6188 = 14,77 °C
Ответ
T = 14,77 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 1,074
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.
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.
Метод дисков
V = π∫₀2 x dx
Интегрируйте
V = π·1·2²/2 = 6,283
Ответ
V = 6,283
4.Интегралы
Ответ: V = 407,2
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
6x = 2x² → x = 0, x = 3
Метод колец (шайб)
V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx
Интегрируйте
V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2
Ответ
V = 407,2
5.Производные
Ответ: f′(2) = −3,371
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(2x) + 2x·cos(2x)
Подставьте
f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Ответ
f′(2) = −3,371
6.Производные
Ответ: x = −3
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.
Производная
f′(x) = 3x2 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
Решите f′(x) = 0
x = −3 или x = 1
Что есть что
f″(x) = 6x + 6: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = −3
Ответ
x = −3
7.Численные методы
Ответ: T = 0,8814
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.
У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.
8.Численные методы
Ответ: y3 = −0,7
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.