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
Чашку кави температурою 84 °C залишили в кімнаті з температурою 23 °C. Через 28 min її температура становить 26 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 84 °CTa = 23 °CT(28) = 26 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 2x і параболою y = 0,5x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 2xy = 0,5x²
V =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = x·sin(2x), x у радіанах. Знайдіть f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 3x2 − 3x − 6 у точці x = 3 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 3x2 − 3x − 6x = 3
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx за формулою трапецій з n = 5 смугами. Дайте T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,5 для y′ = t² + y², y(0) = 0. Знайдіть y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0h = 0,5
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,1076 min⁻¹
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.
Відношення різниць температур
e−28k = 3/61
Розв’яжіть щодо k
k = ln(61/3)/28 = 0,1076 min⁻¹
Відповідь
k = 0,1076 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1.5) = 2,185
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.
Комплексні корені
r = −0,5 ± 4j
Сталі
A = 5, B = 0,5·5/4 = 0,625
Обчисліть
y(1,5) = e−0,75(5·cos 6 + 0,625·sin 6) = 2,185
Відповідь
y(1,5) = 2,185
3.Інтеграли
Відповідь: I = 41,33
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.
Заміна змінної
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Відповідь
I = 41,33
4.Інтеграли
Відповідь: V = 107,2
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.
Точки перетину
2x = 0,5x² → x = 0, x = 4
Метод шайб
V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2
Відповідь
V = 107,2
5.Похідні
Відповідь: f′(1) = 0,077
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.
Правила добутку й ланцюгове
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Підставте
f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Відповідь
f′(1) = 0,077
6.Похідні
Відповідь: b = −33
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.
Точка і нахил
f(3) = 12
f′(x) = 6x − 3 → f′(3) = 15
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 15·3 = −33
Відповідь
b = −33
7.Чисельні методи
Відповідь: T = 1,196
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.