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
Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 29 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,06 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 13 min.
T0 = 6 °CTa = 29 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 13 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + y′ + 25,25y = 126,3 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + y′ + 25,25y = 126,3y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 4 − x² і віссю x.
Наближено обчисліть ∫02 eˣ dx за формулою Сімпсона, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |S − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,1 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Знайдіть y₁ ≈ y(0,1).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: T = 18,46 °C
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.
Розв’язок закону охолодження
T(t) = 29 + (−23)·e−0,06t
Підставте t
T(13) = 29 + (−23)·0,4584 = 18,46 °C
Відповідь
T = 18,46 °C
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 8,652
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.
Усталене значення та корені
yss = 5, r = −0,5 ± 5j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,5
Пік
t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−0,5·π/5) = 8,652
Відповідь
ymax = 8,652
3.Інтеграли
Відповідь: I = 0,6363
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.
Оберіть u та dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первісна
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Границі
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Відповідь
I = 0,6363
4.Інтеграли
Відповідь: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Інтегруйте
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Відповідь
A = 10,67
5.Похідні
Відповідь: f′(−1) = −0,3333
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 для логарифма
f′(x) = 2x/(x2 + 5)
Підставте
f′(−1) = −2/6 = −0,3333
Відповідь
f′(−1) = −0,3333
6.Похідні
Відповідь: x = 2
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Розв'яжіть f′(x) = 0
x = 2 або x = 4
Що є що
f″(x) = 6x − 18: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 2
Відповідь
x = 2
7.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,03167
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 = 6,389056
Формула Сімпсона
S = (1/3)·(1 + 4·2,718282 + 7,389056) = 6,420728
Похибка
|E| = |6,420728 − 6,389056| = 0,03167
Відповідь
|E| = 0,03167
Відносна похибка: 0,4957 %.
8.Чисельні методи
Відповідь: y1 = 0,6028
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.