Для кореня: перевірте зміну знака для бісекції або обчисліть f і f′ для Ньютона й зберігайте шість і більше цифр у таблиці ітерацій.
Для табличного значення: інтерполюйте лінійно між двома сусідніми точками.
Для інтеграла: знайдіть h = (b − a)/n, випишіть f у кожному вузлі, застосуйте ваги (1, 2, …, 2, 1 для трапецій; 1, 4, 2, …, 4, 1 для Сімпсона з парним n) і помножте на h/2 або h/3.
Для ЗДР: крокуйте від t₀ за yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Ейлер) або усередненим нахилом (Хойн), по одному рядку на крок, доки не дійдете до потрібного t.
2Задачі для практики
1.Диференціальні рівнянняСередня
Розв’яжіть y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = -2. Знайдіть y(0,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 6 при x > 0, y(1) = 3. Знайдіть y(3).
Наближено обчисліть ∫01 eˣ dx за формулою Сімпсона, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |S − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,1 для y′ = t + y, y(0) = −1, щоб оцінити y2 ≈ y(0,2).
y′ = t + yy(0) = −1h = 0,1
y2 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 1,77
Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.
Характеристичні корені
(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Сталі за початковими значеннями
A + B = 4, −3A − 4B = -2
A = 14, B = −10
Обчисліть
y(0,5) = 14·e−1,5 + (−10)·e−2 = 1,77
Відповідь
y(0,5) = 1,77
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(3) = 9
Диференціальні рівняння першого порядку: dy/dt = k·y має розв’язок y = y₀·ekt (зростання при k > 0, спадання при k < 0); період напіврозпаду T дає k = ln 2/T. Закон охолодження Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) дає T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Лінійне рівняння y′ + p(x)·y = q(x) розв’язують з інтегрувальним множником μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, тож μy = ∫μq dx + C.
Інтегрувальний множник
μ = e∫1/x dx = x1
Інтегруйте
(x1y)′ = 6x → x1y = 6x2/2 + C
Початкова умова
3 = 6/2 + C → C = 0
Обчисліть
y(3) = (6·32/2 + 0)/31 = 9
Відповідь
y(3) = 9
3.Інтеграли
Відповідь: I = 0,9502
Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.
Первісна
F(x) = e−x/(−1)
Підставте межі
I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502
Відповідь
I = 0,9502
4.Інтеграли
Відповідь: I = 0,7183
Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.
Перший крок
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Другий крок
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Границі
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Відповідь
I = 0,7183
5.Похідні
Відповідь: f′(1) = 36,95
Диференціювання: похідна f′(x) — це нахил графіка в точці x. Степеневе правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило добутку: (uv)′ = u′v + uv′. Ланцюгове правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Де f′(x) = 0, графік має горизонтальну дотичну: максимум, мінімум або сідлову точку.
Правило добутку
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Підставте
f′(1) = 7,389·(3 + 2) = 36,95
Відповідь
f′(1) = 36,95
6.Похідні
Відповідь: x = 3
Диференціювання: похідна f′(x) — це нахил графіка в точці x. Степеневе правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило добутку: (uv)′ = u′v + uv′. Ланцюгове правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Де f′(x) = 0, графік має горизонтальну дотичну: максимум, мінімум або сідлову точку.
Похідна
f′(x) = 3x2 − 24x + 45 = 3·(x2 − 8x + 15)
Розв'яжіть f′(x) = 0
x = 3 або x = 5
Що є що
f″(x) = 6x − 24: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.
f″(3) = −6, f″(5) = 6
x = 3
Відповідь
x = 3
7.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,0005793
Чисельне інтегрування: розбийте [a, b] на n смуг шириною h = (b − a)/n з вузлами x₀ … xₙ. Формула трапецій: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Формула Сімпсона (n парне): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Похибка трапецій зменшується як h² (оцінка (b − a)h²·M/12, де M = max|f″|), Сімпсона — як h⁴, тож за тих самих вузлів Сімпсон зазвичай значно точніший.
Точне значення
I = 1,718282
Формула Сімпсона
S = (0,5/3)·(1 + 4·1,648721 + 2,718282) = 1,718861
Похибка
|E| = |1,718861 − 1,718282| = 0,0005793
Відповідь
|E| = 0,0005793
Відносна похибка: 0,03372 %.
8.Чисельні методи
Відповідь: y2 = −1,2
Чисельний розв’язок y′ = f(t, y): метод Ейлера рухається вздовж нахилу на початку кожного кроку: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Метод Хойна (вдосконалений метод Ейлера) усереднює нахил на початку та в передбаченні Ейлера: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Класичний метод Рунге–Кутти (RK4) поєднує чотири нахили: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Глобальна похибка методу Ейлера пропорційна h, Хойна — h², RK4 — h⁴.