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 5 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 29 °C. Через 17 min її температура становить 20 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 14 °C?
T0 = 5 °CTa = 29 °CT(17) = 20 °CT = 14 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 2y′ + 10y = 100 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + 2y′ + 10y = 100y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 3x і параболою y = x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 3xy = x²
V =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = x·e2x. Знайдіть f′(0,5).
f(x) = x·e2xx = 0,5
f′(0.5) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = x2 + 5x + 6 у точці x = −2 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = x2 + 5x + 6x = −2
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫01,5 sin(x²) dx за формулою Сімпсона з n = 2 смугами. Дайте S.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 2
S =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,5 для y′ = cos t − y, y(0) = 0,5. Знайдіть y₁ ≈ y(0,5).
y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 8,146 min
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.
Стала охолодження
k = ln(-24/-9)/17 = 0,0577 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(-24/(−15))/0,0577 = 8,146 min
Відповідь
t = 8,146 min
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 13,51
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 = 10, r = −1 ± 3j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −3,333
Пік
t = π/3 = 1,047
ymax = 10·(1 + e−1·π/3) = 13,51
Відповідь
ymax = 13,51
3.Інтеграли
Відповідь: I = 2,333
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 = ∫12 u2 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Відповідь
I = 2,333
4.Інтеграли
Відповідь: V = 101,8
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
3x = 1x² → x = 0, x = 3
Метод шайб
V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8
Відповідь
V = 101,8
5.Похідні
Відповідь: f′(0.5) = 5,437
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·(1 + 2·x)
Підставте
f′(0,5) = 2,718·(1 + 1) = 5,437
Відповідь
f′(0,5) = 5,437
6.Похідні
Відповідь: b = 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.
Точка і нахил
f(−2) = 0
f′(x) = 2x + 5 → f′(−2) = 1
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − 1·(−2) = 2
Відповідь
b = 2
7.Чисельні методи
Відповідь: S = 0,7278
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.
Вузли та значення
h = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,533303 + 0,778073 = 2,911284
Формула Сімпсона
S = (0,75/3)·2,911284 = 0,7278
Відповідь
S = 0,7278
Цей інтеграл не має елементарної первісної, і саме тоді потрібне чисельне правило.
8.Чисельні методи
Відповідь: y1 = 0,6783
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.