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″ + 2y′ + y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 2. Знайдіть y(0,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Бак містить 500 L води, у якій розчинено 10 kg солі. Розсіл із 0,2 kg солі на літр надходить зі швидкістю 4 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 70 min?
V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,2 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.ІнтегралиСередня
Область під y = 3x від x = 0 до x = 4 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (конуса).
y = 3x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.
Швидкість транспортного засобу вимірюють кожні 1 с (таблиця). Оцініть пройдену відстань s від t = 0 до t = 4 с за формулою трапецій.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = −y, y(0) = 0,5 методом Ейлера з кроком h = 0,25 до t = 0,75. Точний розв’язок — y = y₀e−t. Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = −yy(0) = 0,5h = 0,25
|E| =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 3,336
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.
Подвійний корінь
(r + 1)² = 0 → r = −1
Сталі
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 3 = 5
Обчисліть
y(0,5) = (3 + 5·0,5)·e−0,5 = 3,336
Відповідь
y(0,5) = 3,336
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: m = 48,59 kg
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.
Складіть рівняння
dm/dt = 4·0,2 − (4/500)·m = 0,8 − 0,008·m
Розв’яжіть
Інтегрувальний множник ert/V; розв’язок наближається до рівноважного c·V.
m(t) = 100 + (−90)·e−t/125
Підставте t
m(70) = 100 + (−90)·0,5712 = 48,59 kg
Відповідь
m = 48,59 kg
3.Інтеграли
Відповідь: V = 603,2
Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.
Метод дисків
V = π∫₀4 9x² dx
Інтегруйте
V = π·9·4³/3 = 603,2
Відповідь
V = 603,2
Перевірка: конус радіуса 12 і висоти 4 має (1/3)πr²h = 603,2.
4.Інтеграли
Відповідь: A = 36
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.
Нулі
9 − x² = 0 → x = ±3
Інтегруйте
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Відповідь
A = 36
5.Похідні
Відповідь: f′(1) = −54
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.
Ланцюгове правило
f′(x) = 3·(−2x − 1)2·(−2)
Підставте
f′(1) = 3·(−3)2·(−2) = −54
Відповідь
f′(1) = −54
6.Похідні
Відповідь: x = −1
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 − 6x − 9 = 3·(x2 − 2x − 3)
Розв'яжіть f′(x) = 0
x = −1 або x = 3
Що є що
f″(x) = 6x − 6: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.
f″(−1) = −12, f″(3) = 12
x = −1
Відповідь
x = −1
7.Чисельні методи
Відповідь: s = 12,5 m
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.
Зважена сума
0 + 2·4 + 2·3 + 2·4 + 3 = 25
Формула трапецій
s = (1/2)·25 = 12,5 m
Відповідь
s = 12,5 m
8.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,02525
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.
Кроки Ейлера
y3 = 0,210938
Точне значення
y(0,75) = 0,236183
Глобальна похибка
|E| = |0,236183 − 0,210938| = 0,02525
Графік
Відповідь
|E| = 0,02525
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.