Численные методы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Численные методы

Бисекция
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Метод Ньютона–Рафсона
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Линейная интерполяция
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Метод трапеций
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Метод Симпсона (n чётное)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Оценка погрешности метода трапеций
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Эйлер
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Хойн
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Метод

  1. Для корня: проверьте смену знака для бисекции или вычислите f и f′ для метода Ньютона и сохраняйте шесть и более цифр в таблице итераций.
  2. Для значения из таблицы: интерполируйте линейно между двумя соседними точками.
  3. 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.
  4. 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.

Последовательности и ряды

Арифметическая прогрессия
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрическая прогрессия
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Бесконечный геометрический ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Признак Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радиус сходимости
R = lim |ck/ck+1|
Многочлен Тейлора
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Ряд Маклорена
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Оценка Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Метод

  1. Определите тип: арифметическая (постоянная разность), геометрическая (постоянное отношение), стандартный ряд, степенной ряд или многочлен Тейлора.
  2. Для сумм используйте Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) или S = a₁/(1 − r) при |r| < 1, где a₁ — первый член суммы.
  3. Для сходимости: сначала признак n-го члена, затем сравнение с Σ1/kᵖ или с геометрическим рядом, а для факториалов и k-х степеней используйте признак Даламбера или радикальный признак Коши.
  4. Для многочленов Тейлора выпишите f(a), f′(a), f″(a), …, разделите k-ю производную на k! и оцените погрешность по M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Матрицы и определители

определитель 2×2
det = ad − bc
Обратная матрица 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Собственные значения
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)

Дифференциальные уравнения

Экспоненциальный рост/убывание
dy/dt = ky → y = y0ekt
Период полураспада
k = ln 2 / t½
Закон охлаждения Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Интегрирующий множитель
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак смешения
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Тренировочные задачи

1.Численные методыСредняя
t (s)0246810v (m/s)1610111718

Скорость транспортного средства измеряется каждые 2 s (таблица). Оцените пройденный путь s от t = 0 до t = 10 s методом трапеций.

h = 2 sn = 5
s = m
2.Численные методыСложная
00,20,4−1−0,5ty(0, −1)

Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,25 для y′ = cos t − y, y(0) = −1, чтобы оценить y2 ≈ y(0,5).

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,25
y2 =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ ln k / kk = 1 … ∞BΣ 1/(2k + 4)k = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ ln k / kB: Σ 1/(2k + 4)C: Σ (5/4)ᵏD: Σ k²/5ᵏ
  1. 1A: Σ ln k / k
  2. 2B: Σ 1/(2k + 4)
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ k²/5ᵏ
4.Последовательности и рядыСложная

Найдите коэффициент c₄ при (x − 1)⁴ в ряде Тейлора функции f(x) = ln x в точке a = 1.

f(x) = ln xa = 1k = 4
c₄ =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =2−42555−54−3

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [2 −4 2; 5 5 5; −5 4 −3]
det A =
6.Матрицы и определителиСложная
A =243−6b =−7−2

Решите систему 2x + 4y = −7 и 3x − 6y = −2. Найдите x.

2x + 4y = −73x − 6y = −2
x =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 4y(0,5) = ?

Решите y″ + 3y′ + 2y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 1. Найдите y(0,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = 1
y(0.5) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
xy12(1, −2)y(2) = ?

Решите задачу Коши y′ + 2y/x = 5x при x > 0, y(1) = −2. Найдите y(2).

y′ + 2y/x = 5xy(1) = −2
y(2) =

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: s = 107 m

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.

Взвешенная сумма

1 + 2·6 + 2·10 + 2·11 + 2·17 + 18 = 107

Метод трапеций

s = (2/2)·107 = 107 m

Ответ

s = 107 m
2.Численные методы

Ответ: y2 = −0,242

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00−121,468912−0,56638610,25−0,5663861,5352981,060144−0,241956

Шаги метода Хойна

y₁ = −1 + (0,25/2)(2 + 1,468912) = −0,566386
y₂ = −0,566386 + (0,25/2)(1,535298 + 1,060144) = −0,241956
00,20,4−1−0,5ty

График

y2 = −0,242

Ответ

y2 = −0,242
3.Последовательности и ряды

Ответ: D: Σ k²/5ᵏ

Сходимость: если члены не стремятся к 0, ряд расходится (необходимый признак сходимости, признак n-го члена). Σ1/kᵖ сходится только при p > 1, а Σrᵏ — только при |r| < 1. Сравнивайте ряд с одним из них, когда его члены при больших k ведут себя так же. Признак Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; радикальный признак Коши: L = lim |ak|1/k. При L < 1 ряд сходится, при L > 1 расходится, при L = 1 вывода нет. Степенной ряд Σck(x − x₀)ᵏ сходится при |x − x₀| < R, где R = lim |ck/ck+1|; знакочередующийся ряд с членами, убывающими к 0, сходится.

Проверьте каждый ряд

A: Σ ln k / k → Больше 1/k при k ≥ 3: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.
B: Σ 1/(2k + 4) → При больших k ведёт себя как 1/(2k); при сравнении с гармоническим рядом расходится.
C: Σ (5/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 5/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
D: Σ k²/5ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/5 < 1, сходится.

Ответ

D: Σ k²/5ᵏ

Ответ

D: Σ k²/5ᵏ
4.Последовательности и ряды

Ответ: c₄ = −0,25

Многочлены Тейлора: вблизи x = a гладкая функция приближается многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; при a = 0 это многочлен Маклорена. Стандартные ряды: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Оценка остатка по Лагранжу: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, где M — наибольшее значение |f⁽ⁿ⁺¹⁾| между a и x.

Производная f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −6/x⁴

Коэффициент

c₄ = f⁽⁴⁾(1)/4! = −6/(1⁴·24) = −0,25
c₄ = −0,25

Ответ

c₄ = −0,25
5.Матрицы и определители

Ответ: det A = 60

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Миноры 2×2 первой строки

M₁₁ = −35, M₁₂ = 10, M₁₃ = 45

Разложение по строке

det A = 2·(−35) − (−4)·10 + 2·45 = 60

Ответ

det A = 60
6.Матрицы и определители

Ответ: x = −2,083

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Определитель матрицы коэффициентов

det A = 2·(−6) − 4·3 = −24

Замените столбец x

det Aₓ = (−7)·(−6) − 4·(−2) = 50
x = 50/(−24) = −2,083

Ответ

x = −2,083
y = −0,7083
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.5) = 3,619

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 + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Константы по начальным значениям

A + B = 4, −1A − 2B = 1
A = 9, B = −5

Вычислите

y(0,5) = 9·e−0,5 + (−5)·e−1 = 3,619

Ответ

y(0,5) = 3,619
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 4,188

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∫2/x dx = x2

Интегрируйте

(x2y)′ = 5x3 → x2y = 5x4/4 + C

Начальное условие

−2 = 5/4 + C → C = −3,25

Вычислите

y(2) = (5·24/4 + (−3,25))/22 = 4,188

Ответ

y(2) = 4,188

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods