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) = 5 и y′(0) = 1. Найдите y(1,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + y/x = x при x > 0, y(1) = −3. Найдите y(2).
y′ + y/x = xy(1) = −3
y(2) =
3.ИнтегралыСредняя
Область под y = √(x) от x = 0 до x = 3 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (параболоида).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(2x), x в радианах. Найдите f′(1,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = 3x2 + 2x − 2 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = 3x2 + 2x − 2x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫02 x³ dx методом трапеций, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |T − I|.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,2 для y′ = e−ty, y(0) = 0,5, чтобы оценить y2 ≈ y(0,4).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 3,124
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) = 5
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 5 = 6
Вычислите
y(1,5) = (5 + 6·1,5)·e−1,5 = 3,124
Ответ
y(1,5) = 3,124
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = −0,3333
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 = e∫1/x dx = x1
Интегрируйте
(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C
Начальное условие
−3 = 1/3 + C → C = −3,333
Вычислите
y(2) = (1·23/3 + (−3,333))/21 = −0,3333
Ответ
y(2) = −0,3333
3.Интегралы
Ответ: V = 14,14
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∫₀3 x dx
Интегрируйте
V = π·1·3²/2 = 14,14
Ответ
V = 14,14
4.Интегралы
Ответ: I = 12,78
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.
Первый шаг
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Второй шаг
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Пределы
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Ответ
I = 12,78
5.Производные
Ответ: f′(1.5) = −2,829
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′(1,5) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Ответ
f′(1,5) = −2,829
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) = 3
f′(x) = 6x + 2 → f′(1) = 8
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − 8·1 = −5
Ответ
b = −5
7.Численные методы
Ответ: |E| = 1
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 = 4
Метод трапеций
T = (1/2)·(0 + 2·1 + 8) = 5
Погрешность
|E| = |5 − 4| = 1
Ответ
|E| = 1
Относительная погрешность: 25%.
8.Численные методы
Ответ: y2 = 0,845
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.