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)0102030405060v (m/s)3238131215

Скорость транспортного средства измеряется каждые 10 s (таблица). Оцените пройденный путь s от t = 0 до t = 60 s методом Симпсона.

h = 10 sn = 6
s = m
2.Численные методыСложная
00,20,4−1−0,50ty(0, −1)

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

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

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ (2/5)ᵏB: Σ 1/√kC: Σ k/3ᵏD: Σ 1/(k(k + 1))
  1. 1A: Σ (2/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/√k
  3. 3C: Σ k/3ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 1))
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 0,0001.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,0001
n =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =−1−12−3200−5−1

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−1 −1 2; −3 2 0; 0 −5 −1]
det A =
6.Матрицы и определителиСложная
A =34−2−2b =11−10

Решите систему 3x + 4y = 11 и −2x − 2y = −10. Найдите x.

3x + 4y = 11−2x − 2y = −10
x =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
t (min)T (°C)10Ta​T = ?

Банку газировки температурой 3 °C достали из холодильника в комнату при 26 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,04 min⁻¹ найдите температуру T через 10 min.

T0 = 3 °CTa = 26 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 10 min
T = °C
8.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 1y(1,5) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 29y = 29 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(1,5); углы в радианах.

y″ + 4y′ + 29y = 29y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: s = 460 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

3 + 4·2 + 2·3 + 4·8 + 2·13 + 4·12 + 15 = 138

Метод Симпсона

s = (10/3)·138 = 460 m

Ответ

s = 460 m
2.Численные методы

Ответ: y5 = −0,1949

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₊₁00−12−0,810,1−0,81,795004−0,620520,2−0,62051,600566−0,46044330,3−0,4604431,415779−0,31886540,4−0,3188651,239926−0,194872

Шаги Эйлера

y₁ = −1 + 0,1·(2) = −0,8
y₂ = −0,8 + 0,1·(1,795004) = −0,6205
y₃ = −0,6205 + 0,1·(1,600566) = −0,460443
y₄ = −0,460443 + 0,1·(1,415779) = −0,318865
y₅ = −0,318865 + 0,1·(1,239926) = −0,194872
00,20,4−1−0,50ty

График

y5 = −0,1949

Ответ

y5 = −0,1949
3.Последовательности и ряды

Ответ: B: Σ 1/√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 (2/5)ᵏ → Геометрический ряд с r = 2/5, |r| < 1: сходится.
B: Σ 1/√k → p-ряд с p = 1/2 ≤ 1: расходится.
C: Σ k/3ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/3 < 1, сходится.
D: Σ 1/(k(k + 1)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.

Ответ

B: Σ 1/√k

Ответ

B: Σ 1/√k
4.Последовательности и ряды

Ответ: n = 5

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)!оценка010,5120,125260,020833240,00260441200,000260457202,17 × 10⁻⁵

Оценки при возрастающем n

n = 4: 0,0002604 ≥ 0,0001
n = 5: 2,17 × 10⁻⁵ < 0,0001

Наименьшая степень

n = 5

Ответ

n = 5
5.Матрицы и определители

Ответ: det A = 35

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 = −2, M₁₂ = 3, M₁₃ = 15

Разложение по строке

det A = (−1)·(−2) − (−1)·3 + 2·15 = 35

Ответ

det A = 35
6.Матрицы и определители

Ответ: x = 9

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 = 3·(−2) − 4·(−2) = 2

Замените столбец x

det Aₓ = 11·(−2) − 4·(−10) = 18
x = 18/2 = 9

Ответ

x = 9
y = −4
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 10,58 °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) = 26 + (−23)·e−0,04t

Подставьте t

T(10) = 26 + (−23)·0,6703 = 10,58 °C

Ответ

T = 10,58 °C
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 0,9641

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 = 1, r = −2 ± 5j

Константы по начальным значениям

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −0,4

Вычислите

y(1,5) = 1·(1 − e−3(cos 7,5 + 0,4·sin 7,5)) = 0,9641

Ответ

y(1,5) = 0,9641

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods