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

Метод трапеций применяется для ∫02 x³ dx. Погрешность не больше (b − a)³·M/(12n²), где M = max|f″| на [0, 2]. Найдите наименьшее число полос n, гарантирующее погрешность меньше 0,0005.

f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
2.Численные методыСложная
00,510,511,5ty(0, 0,5)

Используйте метод Эйлера с h = 0,25 для y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5, чтобы оценить y5 ≈ y(1,25).

y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,25
y5 =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞CΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞DΣ 1/√kk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ 5ᵏ/k!B: Σ k!/2ᵏC: Σ (k + 5)/k²D: Σ 1/√k
  1. 1A: Σ 5ᵏ/k!
  2. 2B: Σ k!/2ᵏ
  3. 3C: Σ (k + 5)/k²
  4. 4D: Σ 1/√k
4.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=1∞ k·(−0,5)ᵏ.

ak = k·(−0,5)ᵏ
S =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =−44−55−1−5−112

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−4 4 −5; 5 −1 −5; −1 1 2]
det A =
6.Матрицы и определителиСложная
A =−5−6−16b =−42

Решите систему −5x − 6y = −4 и −x + 6y = 2. Найдите x.

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

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(2) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
ty2y(2) = ?

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

y′ + y = 3e−0,5ty(0) = 0
y(2) =

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: n = 127

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 = 6·2 = 12

Выразите n

n² > 8·12/(12·0,0005) = 16000
n > 126,5 → n = 127

Ответ

n = 127
2.Численные методы

Ответ: y5 = 1,614

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₊₁000,50,750,687510,250,68750,9023440,91308620,50,9130860,9924461,16119730,751,1611970,9740151,404701411,4047010,8362171,613755

Шаги Эйлера

y₁ = 0,5 + 0,25·(0,75) = 0,6875
y₂ = 0,6875 + 0,25·(0,902344) = 0,913086
y₃ = 0,913086 + 0,25·(0,992446) = 1,161197
y₄ = 1,161197 + 0,25·(0,974015) = 1,404701
y₅ = 1,404701 + 0,25·(0,836217) = 1,613755
00,510,511,5ty

График

y5 = 1,614

Ответ

y5 = 1,614

Точное значение равно y(1,25) = 1,604808.

3.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ 5ᵏ/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 5ᵏ/k! → Признак Даламбера: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, сходится.
B: Σ k!/2ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/2 = ∞, расходится.
C: Σ (k + 5)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.
D: Σ 1/√k → p-ряд с p = 1/2 ≤ 1: расходится.

Ответ

A: Σ 5ᵏ/k!

Ответ

A: Σ 5ᵏ/k!
4.Последовательности и ряды

Ответ: S = −0,2222

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 k·xᵏ = x/(1 − x)²

Подставьте

x = −0,5
S = −0,5/(1 − (−0,5))² = −0,2222

Ответ

S = −0,2222
5.Матрицы и определители

Ответ: det A = −52

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 = 3, M₁₂ = 5, M₁₃ = 4

Разложение по строке

det A = (−4)·3 − 4·5 + (−5)·4 = −52

Ответ

det A = −52
6.Матрицы и определители

Ответ: x = 0,3333

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 = (−5)·6 − (−6)·(−1) = −36

Замените столбец x

det Aₓ = (−4)·6 − (−6)·2 = −12
x = −12/(−36) = 0,3333

Ответ

x = 0,3333
y = 0,3889
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 2,301

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 + 1)² = 0 → r = −1

Константы

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 5 = 6

Вычислите

y(2) = (5 + 6·2)·e−2 = 2,301

Ответ

y(2) = 2,301
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 1,395

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)′ = 3e0,5t

Общее решение

y = 3/0,5·e−0,5t + C·e−t = 6·e−0,5t + C·e−t

Начальное условие

0 = 6 + C → C = −6

Вычислите

y(2) = 6·0,3679 + (−6)·0,1353 = 1,395

Ответ

y(2) = 1,395

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods