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 3 °C достали из холодильника в комнату при 24 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,06 min⁻¹ найдите температуру T через 21 min.
T0 = 3 °CTa = 24 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 21 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(0,25); углы в радианах.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.25) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x2·e0,5x. Найдите f′(0,5).
f(x) = x2·e0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = 3x2 − x − 1 в точке x = −1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = 3x2 − x − 1x = −1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫01 1/√(1 + x⁴) dx методом Симпсона с n = 2 полосами. Укажите S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Численные методыСложная
Сделайте один шаг классического метода Рунге–Кутты (RK4) с h = 0,5 для y′ = t² + y², y(0) = 1. Найдите y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 18,04 °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) = 24 + (−21)·e−0,06t
Подставьте t
T(21) = 24 + (−21)·0,2837 = 18,04 °C
Ответ
T = 18,04 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.25) = 1,139
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.
Комплексные корни
r = −0,5 ± 4j
Константы
A = 2, B = 0,5·2/4 = 0,25
Вычислите
y(0,25) = e−0,125(2·cos 1 + 0,25·sin 1) = 1,139
Ответ
y(0,25) = 1,139
3.Интегралы
Ответ: I = 156
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.
Замена переменной
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Проинтегрируйте и подставьте пределы
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Ответ
I = 156
4.Интегралы
Ответ: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Ответ
A = 2,667
5.Производные
Ответ: f′(0.5) = 1,445
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′ = e0,5x·(2x + 0,5·x2)
Подставьте
f′(0,5) = 1,284·(1 + 0,125) = 1,445
Ответ
f′(0,5) = 1,445
6.Производные
Ответ: b = −4
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 − 1 → f′(−1) = −7
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − (−7)·(−1) = −4
Ответ
b = −4
7.Численные методы
Ответ: S = 0,9313
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.
Узлы и значения
h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,970143 + 0,707107 = 5,587677
Метод Симпсона
S = (0,5/3)·5,587677 = 0,9313
Ответ
S = 0,9313
У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.
8.Численные методы
Ответ: y1 = 2,055
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.