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
xy00,511,522,53

Приблизьте ∫03 √x·e−x dx методом Симпсона с n = 6 полосами. Укажите S.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 6
S =
2.Численные методыСложная
00,050,111,051,1ty(0, 1)

Сделайте один шаг классического метода Рунге–Кутты (RK4) с h = 0,1 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Найдите y₁ ≈ y(0,1).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y1 =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ 1/√kk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ (3/5)ᵏB: Σ 1/(2ᵏ + k)C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ 1/√k
  1. 1A: Σ (3/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(2ᵏ + k)
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ 1/√k
4.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = eˣ приближается её многочленом Маклорена степени 5 в точке x = 1,5. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = e1,5 = 4,482, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₅|.

f(x) = eˣn = 5x = 1,5M = 4,482
|R₅| =
5.Матрицы и определителиСредняя
A =5−2−5−5B =−4−234

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

A = [5 −2; −5 −5]B = [−4 −2; 3 4]
c12 =
6.Матрицы и определителиСложная
A =4333b =41

Решите систему 4x + 3y = 4 и 3x + 3y = 1. Найдите x.

4x + 3y = 43x + 3y = 1
x =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
t (min)T (°C)28Ta​39 °C32 °C

Чашку кофе температурой 83 °C оставили в комнате при 24 °C. Через 28 min температура равна 39 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 32 °C?

T0 = 83 °CTa = 24 °CT(28) = 39 °CT = 32 °C
t = min
8.Дифференциальные уравненияСложная
ty1,5y(1,5) = ?

Решите y′ + 0,5y = 10e−2t при y(0) = 3. Найдите y(1,5).

y′ + 0,5y = 10e−2ty(0) = 3
y(1.5) =

3Растворы

1.Численные методы

Ответ: S = 0,7554

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)вес000110,50,4288824210,367879231,50,2732784420,191393252,50,1297884630,08623371

Узлы и значения

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,428882 + 2·0,367879 + 4·0,273278 + 2·0,191393 + 4·0,129788 + 0,0862337 = 4,532568

Метод Симпсона

S = (0,5/3)·4,532568 = 0,7554

Ответ

S = 0,7554

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

2.Численные методы

Ответ: y1 = 1,105

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.

Четыре наклона

k₁ = f(0, 1) = 1
k₂ = f(0,05, 1,05) = 1,052476
k₃ = f(0,05, 1,052624) = 1,052607
k₄ = f(0,1, 1,105261) = 1,110301

Объедините

y₁ = 1 + (0,1/6)(1 + 2·1,052476 + 2·1,052607 + 1,110301) = 1,105

Ответ

y1 = 1,105
3.Последовательности и ряды

Ответ: D: 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 (3/5)ᵏ → Геометрический ряд с r = 3/5, |r| < 1: сходится.
B: Σ 1/(2ᵏ + k) → Меньше (1/2)ᵏ, сходящегося геометрического ряда: сходится по признаку сравнения.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Знакочередующийся, 1/k убывает к 0: сходится (условно).
D: Σ 1/√k → p-ряд с p = 1/2 ≤ 1: расходится.

Ответ

D: Σ 1/√k

Ответ

D: Σ 1/√k
4.Последовательности и ряды

Ответ: |R₅| = 0,0709

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.

Оценка производной

M = e1,5 = 4,482

Оценка Лагранжа

|R₅| ≤ 4,482·1,5⁶/6! = 0,0709

Ответ

|R₅| = 0,0709

Истинная погрешность меньше: |f(1,5) − P₅(1,5)| = 0,01997.

5.Матрицы и определители

Ответ: c12 = −18

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·(−2) + (−2)·4 = −18

Ответ

c12 = −18
6.Матрицы и определители

Ответ: x = 3

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 = 4·3 − 3·3 = 3

Замените столбец x

det Aₓ = 4·3 − 3·1 = 9
x = 9/3 = 3

Ответ

x = 3
y = −2,667
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: t = 40,85 min

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.

Константа охлаждения

k = ln(59/15)/28 = 0,04891 min⁻¹

Время достижения целевой температуры

t = ln(59/8)/0,04891 = 40,85 min

Ответ

t = 40,85 min
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 4,234

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 10e−1,5t

Общее решение

y = 10/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −6,667·e−2t + C·e−0,5t

Начальное условие

3 = −6,667 + C → C = 9,667

Вычислите

y(1,5) = −6,667·0,04979 + 9,667·0,4724 = 4,234

Ответ

y(1,5) = 4,234

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods