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″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 4. Знайдіть y(2).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + 2y/x = 5 при x > 0, y(1) = 1. Знайдіть y(3).
y′ + 2y/x = 5y(1) = 1
y(3) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫13 5/x dx.
f(x) = 5/x[1, 3]
I =
4.ІнтегралиСкладна
Обчисліть I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = x·sin(2x), x у радіанах. Знайдіть f′(0,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 0,5x2 + 2x − 4 у точці x = 2 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 0,5x2 + 2x − 4x = 2
b =
7.Чисельні методиСередня
Формулу трапецій застосовують до ∫02 x³ dx. Похибка не перевищує (b − a)³·M/(12n²), де M = max|f″| на [0, 2]. Знайдіть найменшу кількість смуг n, що гарантує похибку нижче за 0,0005.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Чисельні методиСкладна
Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,2 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5, щоб оцінити y2 ≈ y(0,4).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(2) = 0,6044
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 + 2)² = 0 → r = −2
Сталі
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 10 = 14
Обчисліть
y(2) = (5 + 14·2)·e−4 = 0,6044
Відповідь
y(2) = 0,6044
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(3) = 4,926
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∫2/x dx = x2
Інтегруйте
(x2y)′ = 5x2 → x2y = 5x3/3 + C
Початкова умова
1 = 5/3 + C → C = −0,6667
Обчисліть
y(3) = (5·33/3 + (−0,6667))/32 = 4,926
Відповідь
y(3) = 4,926
3.Інтеграли
Відповідь: I = 5,493
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) = 5·ln x
Підставте межі
I = 5·(ln 3 − ln 1) = 5·ln 3 = 5,493
Відповідь
I = 5,493
4.Інтеграли
Відповідь: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Відповідь
I = 37,59
5.Похідні
Відповідь: f′(0.5) = 1,382
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′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Відповідь
f′(0,5) = 1,382
6.Похідні
Відповідь: b = −6
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(2) = 2
f′(x) = x + 2 → f′(2) = 4
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − 4·2 = −6
Відповідь
b = −6
7.Чисельні методи
Відповідь: n = 127
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.
Оцінка другої похідної
M = 6·2 = 12
Виразіть n
n² > 8·12/(12·0,0005) = 16000
n > 126,5 → n = 127
Відповідь
n = 127
8.Чисельні методи
Відповідь: y2 = 0,965
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.