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′ + 6y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 6. Найдите y(1).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(1) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y′ + y = 4e−3t при y(0) = 1. Найдите y(0,5).
y′ + y = 4e−3ty(0) = 1
y(0.5) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 3x и параболой y = x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
Приблизьте ∫03 √x·e−x dx методом трапеций с n = 5 полосами. Укажите T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 5
T =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,2 для y′ = cos t − y, y(0) = 0,5, чтобы оценить y2 ≈ y(0,4).
y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 1,739
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 + 3) = 0 → r = −2, −3
Константы по начальным значениям
A + B = 4, −2A − 3B = 6
A = 18, B = −14
Вычислите
y(1) = 18·e−2 + (−14)·e−3 = 1,739
Ответ
y(1) = 1,739
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 1,373
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 = et
(ety)′ = 4e−2t
Общее решение
y = 4/(−2)·e−3t + C·e−t = −2·e−3t + C·e−t
Начальное условие
1 = −2 + C → C = 3
Вычислите
y(0,5) = −2·0,2231 + 3·0,6065 = 1,373
Ответ
y(0,5) = 1,373
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: 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′(1) = 29,56
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.
Правило произведения
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(2x + 2·x2)
Подставьте
f′(1) = 7,389·(2 + 2) = 29,56
Ответ
f′(1) = 29,56
6.Производные
Ответ: x = 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.
Производная
f′(x) = 3x2 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Решите f′(x) = 0
x = 2 или x = 4
Что есть что
f″(x) = 6x − 18: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 2
Ответ
x = 2
7.Численные методы
Ответ: T = 0,6963
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: y2 = 0,6527
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.