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
xy00,3750,751,1251,5

Приблизьте ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx методом трапеций с n = 4 полосами. Укажите T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
2.Численные методыСложная
00,5111,5ty(0, 1)

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

y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y2 =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞BΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ 3/kk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ 1/(k(k + 3))B: Σ (5/4)ᵏC: Σ k!/3ᵏD: Σ 3/k
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 3))
  2. 2B: Σ (5/4)ᵏ
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ 3/k
4.Последовательности и рядыСложная
xyfP₄0,25

Используйте многочлен Маклорена степени 4 для f(x) = 1/(1 − 2x), чтобы приблизить f(0,25). Укажите P₄(0,25).

f(x) = 1/(1 − 2x)n = 4x = 0,25
P₄(0.25) =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =15211−534−1

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [1 5 2; 1 1 −5; 3 4 −1]
det A =
6.Матрицы и определителиСложная
A =−2−2−62

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [−2 −2; −6 2]
λ =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
t (min)T (°C)23Ta​T = ?

Кованую стальную деталь температурой 360 °C оставили остывать в цехе при 22 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,01 min⁻¹ найдите температуру T через 23 min.

T0 = 360 °CTa = 22 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 23 min
T = °C
8.Дифференциальные уравненияСложная
ty2y(2) = ?

Решите y′ + y = 3e−3t при y(0) = 5. Найдите y(2).

y′ + y = 3e−3ty(0) = 5
y(2) =

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: T = 1,194

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)вес001110,3750,990257220,750,871576231,1250,619958241,50,4061381

Узлы и значения

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,990257 + 2·0,871576 + 2·0,619958 + 0,406138 = 6,369719

Метод трапеций

T = (0,375/2)·6,369719 = 1,194

Ответ

T = 1,194

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

2.Численные методы

Ответ: y2 = 1,544

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₊₁00110,4723671,36809210,51,3680920,5045710,1978241,543691

Шаги метода Хойна

y₁ = 1 + (0,5/2)(1 + 0,472367) = 1,368092
y₂ = 1,368092 + (0,5/2)(0,504571 + 0,197824) = 1,543691
00,5111,5ty

График

y2 = 1,544

Ответ

y2 = 1,544
3.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ 1/(k(k + 3))

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 1/(k(k + 3)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.
B: Σ (5/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 5/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
C: Σ k!/3ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, расходится.
D: Σ 3/k → Кратное гармонического ряда (p = 1): расходится.

Ответ

A: Σ 1/(k(k + 3))

Ответ

A: Σ 1/(k(k + 3))
4.Последовательности и ряды

Ответ: P₄(0.25) = 1,938

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.

Многочлен Маклорена

P₄(x) = 1 + 2x + 4x² + 8x³ + 16x⁴

Подставьте

P₄(0,25) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938

Ответ

P₄(0,25) = 1,938

Точное значение равно f(0,25) = 2; погрешность 0,0625 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.

5.Матрицы и определители

Ответ: det A = −49

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 = 19, M₁₂ = 14, M₁₃ = 1

Разложение по строке

det A = 1·19 − 5·14 + 2·1 = −49

Ответ

det A = −49
6.Матрицы и определители

Ответ: λ = 4

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.

Характеристическое уравнение

λ² − (0)λ + (−16) = 0

Решите

λ = (0 ± √(64))/2 → λ = −4, 4
λ = 4

Ответ

λ = 4
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 290,6 °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) = 22 + 338·e−0,01t

Подставьте t

T(23) = 22 + 338·0,7945 = 290,6 °C

Ответ

T = 290,6 °C
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,876

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 = et
(ety)′ = 3e−2t

Общее решение

y = 3/(−2)·e−3t + C·e−t = −1,5·e−3t + C·e−t

Начальное условие

5 = −1,5 + C → C = 6,5

Вычислите

y(2) = −1,5·0,002479 + 6,5·0,1353 = 0,876

Ответ

y(2) = 0,876

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods