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
xy012

Приблизьте ∫02 e−x² dx методом Симпсона с n = 2 полосами. Укажите S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
2.Численные методыСложная
012−1−0,50ty(0, −1)

Решите y′ = −y, y(0) = −1 методом Эйлера с шагом h = 0,5 до t = 2,5. Точное решение равно y = y₀e−t. Найдите глобальную погрешность |E| = |y(2,5) − y5|.

y′ = −yy(0) = −1h = 0,5
|E| =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ 3/k⁴k = 1 … ∞DΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ (7/4)ᵏC: Σ 3/k⁴D: Σ k²/5ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ (7/4)ᵏ
  3. 3C: Σ 3/k⁴
  4. 4D: Σ k²/5ᵏ
4.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!
S =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =5515B =−241−3

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

A = [5 5; 1 5]B = [−2 4; 1 −3]
c12 =
6.Матрицы и определителиСложная
A =1−24−1b =−11−3

Решите систему x − 2y = −11 и 4x − y = −3. Найдите x.

x − 2y = −114x − y = −3
x =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 4y(1) = ?

Решите y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 4. Найдите y(1).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(1) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 5y(0,75) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 13y = 65 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(0,75); углы в радианах.

y″ + 4y′ + 13y = 65y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: S = 0,8299

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)вес0011110,3678794220,01831561

Узлы и значения

h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,367879 + 0,0183156 = 2,489833

Метод Симпсона

S = (1/3)·2,489833 = 0,8299

Ответ

S = 0,8299

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

2.Численные методы

Ответ: |E| = 0,05083

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₊₁00−11−0,510,5−0,50,5−0,2521−0,250,25−0,12531,5−0,1250,125−0,062542−0,06250,0625−0,03125

Шаги Эйлера

y5 = −0,03125

Точное значение

y(2,5) = −0,082085

Глобальная погрешность

|E| = |−0,082085 + 0,03125| = 0,05083
012−1−0,50ty

График

Ответ

|E| = 0,05083

Уменьшение h вдвое примерно вдвое уменьшает погрешность метода Эйлера.

3.Последовательности и ряды

Ответ: B: Σ (7/4)ᵏ

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 → Знакочередующийся, 1/k убывает к 0: сходится (условно).
B: Σ (7/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 7/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
C: Σ 3/k⁴ → p-ряд с p = 4 > 1: сходится.
D: Σ k²/5ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/5 < 1, сходится.

Ответ

B: Σ (7/4)ᵏ

Ответ

B: Σ (7/4)ᵏ
4.Последовательности и ряды

Ответ: S = 0,6967

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.

Стандартные ряды

Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x

Подставьте

x = 0,8
S = cos 0,8 = 0,6967

Ответ

S = 0,6967
5.Матрицы и определители

Ответ: c12 = 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.

Строка на столбец

c12 = 5·4 + 5·(−3) = 5

Ответ

c12 = 5
6.Матрицы и определители

Ответ: x = 0,7143

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·(−1) − (−2)·4 = 7

Замените столбец x

det Aₓ = (−11)·(−1) − (−2)·(−3) = 5
x = 5/7 = 0,7143

Ответ

x = 0,7143
y = 5,857
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1) = 0,5435

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 4, −3A − 5B = 4
A = 12, B = −8

Вычислите

y(1) = 12·e−3 + (−8)·e−5 = 0,5435

Ответ

y(1) = 0,5435
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.75) = 5,122

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 = 5, r = −2 ± 3j

Константы по начальным значениям

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −3,333

Вычислите

y(0,75) = 5·(1 − e−1,5(cos 2,25 + 0,6667·sin 2,25)) = 5,122

Ответ

y(0,75) = 5,122

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods