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
xy00,511,52

Приблизьте ∫02 1/(1 + x³) dx методом Симпсона с n = 4 полосами. Укажите S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
2.Численные методыСложная
00,20,4−1−0,9−0,8ty(0, −1)

Используйте метод Эйлера с h = 0,1 для y′ = −0,5y, y(0) = −1, чтобы оценить y5 ≈ y(0,5).

y′ = −0,5yy(0) = −1h = 0,1
y5 =
3.Последовательности и рядыСредняя
kSn​12345678910S = ?

Найдите сумму S = Σk=1∞ 6/(k(k + 4)).

ak = 6/(k(k + 4))
S =
4.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = sin x приближается в точке x = 0,5 её многочленом Маклорена степени n. С оценкой Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! и M = 1 найдите наименьшую степень n, гарантирующую погрешность меньше 0,001.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,001
n =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =−55−25B =24−50

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c12 (строка 1, столбец 2).

A = [−5 5; −2 5]B = [2 4; −5 0]
c12 =
6.Матрицы и определителиСложная
A =15−15b =−34

Решите систему x + 5y = −3 и −x + 5y = 4. Найдите x.

x + 5y = −3−x + 5y = 4
x =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Решите y″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = -1. Найдите y(1,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(1.5) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
t (min)m (kg)5 minm = ?

В баке 500 L воды, в которой растворено 10 kg соли. Рассол с содержанием соли 0,2 kg на литр поступает со скоростью 20 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 5 min?

V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: S = 1,097

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.

ixᵢf(xᵢ)вес001110,50,8888894210,5231,50,2285714420,1111111

Узлы и значения

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,888889 + 2·0,5 + 4·0,228571 + 0,111111 = 6,580952

Метод Симпсона

S = (0,5/3)·6,580952 = 1,097

Ответ

S = 1,097

У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.

2.Численные методы

Ответ: y5 = −0,7738

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00−10,5−0,9510,1−0,950,475−0,902520,2−0,90250,45125−0,85737530,3−0,8573750,428687−0,81450640,4−0,8145060,407253−0,773781

Шаги Эйлера

y₁ = −1 + 0,1·(0,5) = −0,95
y₂ = −0,95 + 0,1·(0,475) = −0,9025
y₃ = −0,9025 + 0,1·(0,45125) = −0,857375
y₄ = −0,857375 + 0,1·(0,428687) = −0,814506
y₅ = −0,814506 + 0,1·(0,407253) = −0,773781
00,20,4−1−0,9−0,8ty

График

y5 = −0,7738

Ответ

y5 = −0,7738

Точное значение равно y(0,5) = −0,778801.

3.Последовательности и ряды

Ответ: S = 3,125

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.

Простые дроби

6/(k(k + 4)) = (6/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Отмена

S = (6/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 3,125

Ответ

S = 3,125
4.Последовательности и ряды

Ответ: n = 4

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.

n(n + 1)!оценка010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

Оценки при возрастающем n

n = 3: 0,002604 ≥ 0,001
n = 4: 0,0002604 < 0,001

Наименьшая степень

n = 4

Ответ

n = 4
5.Матрицы и определители

Ответ: c12 = −20

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.

Строка на столбец

c12 = (−5)·4 + 5·0 = −20

Ответ

c12 = −20
6.Матрицы и определители

Ответ: x = −3,5

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 = 1·5 − 5·(−1) = 10

Замените столбец x

det Aₓ = (−3)·5 − 5·4 = −35
x = −35/10 = −3,5

Ответ

x = −3,5
y = 0,1
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 0,01363

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 + 4)² = 0 → r = −4

Константы

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 4 = 3

Вычислите

y(1,5) = (1 + 3·1,5)·e−6 = 0,01363

Ответ

y(1,5) = 0,01363
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: m = 26,31 kg

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.

Составьте уравнение

dm/dt = 20·0,2 − (20/500)·m = 4 − 0,04·m

Решите

Интегрирующий множитель равен ert/V; решение стремится к равновесному значению c·V.

m(t) = 100 + (−90)·e−t/25

Подставьте t

m(5) = 100 + (−90)·0,8187 = 26,31 kg

Ответ

m = 26,31 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods