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) = 3 и y′(0) = 4. Найдите y(1).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(1) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 20y = 20 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 4y′ + 20y = 20y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ИнтегралыСредняя
Область под y = √(x) от x = 0 до x = 4 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (параболоида).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 4
V =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = x.
Приблизьте ∫01 sin(x²) dx методом Симпсона с n = 6 полосами. Укажите S.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1]n = 6
S =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Эйлера с h = 0,1 для y′ = t² + y², y(0) = 0,5, чтобы оценить y3 ≈ y(0,3).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 3,679
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) = 3
y′(0) = B − 1A → B = 4 + 3 = 7
Вычислите
y(1) = (3 + 7·1)·e−1 = 3,679
Ответ
y(1) = 3,679
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 1,208
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 = 1, r = −2 ± 4j
Константы по начальным значениям
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −0,5
Максимум
t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−2·π/4) = 1,208
Ответ
ymax = 1,208
3.Интегралы
Ответ: V = 25,13
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∫₀4 x dx
Интегрируйте
V = π·1·4²/2 = 25,13
Ответ
V = 25,13
4.Интегралы
Ответ: A = 0,1667
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
x2 = x → x = 0, x = 1
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Ответ
A = 0,1667
5.Производные
Ответ: f′(1.5) = 271,2
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.
Правило произведения
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Подставьте
f′(1,5) = 20,09·(6,75 + 6,75) = 271,2
Ответ
f′(1,5) = 271,2
6.Производные
Ответ: x = −1
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 + 9x + 6 = 3·(x2 + 3x + 2)
Решите f′(x) = 0
x = −2 или x = −1
Что есть что
f″(x) = 6x + 9: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(−2) = −3, f″(−1) = 3
x = −1
Ответ
x = −1
7.Численные методы
Ответ: S = 0,3102
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 = 0,5882
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.