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
Чашку кофе температурой 85 °C оставили в комнате при 21 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,04 min⁻¹ найдите температуру T через 18 min.
T0 = 85 °CTa = 21 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 18 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y″ + 2y′ + 10y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(1); углы в радианах.
y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫24 4/x dx.
f(x) = 4/x[2, 4]
I =
4.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = x.
y = 2x2y = x
A =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = x·sin(x), x в радианах. Найдите f′(1,5).
Метод трапеций применяется для ∫01 sin x dx. Погрешность не больше (b − a)³·M/(12n²), где M = max|f″| на [0, 1]. Найдите наименьшее число полос n, гарантирующее погрешность меньше 0,0005.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 0,0005
n =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,25 для y′ = cos t − y, y(0) = 3, чтобы оценить y2 ≈ y(0,5).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,25
y2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 52,15 °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) = 21 + 64·e−0,04t
Подставьте t
T(18) = 21 + 64·0,4868 = 52,15 °C
Ответ
T = 52,15 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = −0,3469
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 = −1 ± 3j
Константы
A = 1, B = 1·1/3 = 0,3333
Вычислите
y(1) = e−1(1·cos 3 + 0,3333·sin 3) = −0,3469
Ответ
y(1) = −0,3469
3.Интегралы
Ответ: I = 2,773
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.
Первообразная
F(x) = 4·ln x
Подставьте пределы
I = 4·(ln 4 − ln 2) = 4·ln 2 = 2,773
Ответ
I = 2,773
4.Интегралы
Ответ: A = 0,04167
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 = x → x = 0, x = 0,5
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Ответ
A = 0,04167
5.Производные
Ответ: f′(1.5) = 1,104
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(x) + x·cos(x)
Подставьте
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Ответ
f′(1,5) = 1,104
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 + 12x + 9 = 3·(x2 + 4x + 3)
Решите f′(x) = 0
x = −3 или x = −1
Что есть что
f″(x) = 6x + 12: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(−3) = −6, f″(−1) = 6
x = −3
Ответ
x = −3
7.Численные методы
Ответ: n = 12
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.
Оценка второй производной
M = sin 1 = 0,8415
Выразите n
n² > 1·0,8415/(12·0,0005) = 140,2
n > 11,84 → n = 12
Ответ
n = 12
8.Численные методы
Ответ: y2 = 2,199
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.