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 85 °C залишили в кімнаті з температурою 24 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,03 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 16 min.
T0 = 85 °CTa = 24 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 16 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + y′ + 4,25y = 8,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + y′ + 4,25y = 8,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫03 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 3]
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 3x і параболою y = 3x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 3xy = 3x²
V =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = ln(2x2 + 2). Знайдіть f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 2)x = −1
f′(−1) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 3x2 + 2x + 1 у точці x = 1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 3x2 + 2x + 1x = 1
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx за формулою Сімпсона з n = 2 смугами. Дайте S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 2
S =
8.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = y − t², y(0) = 3 методом Ейлера з кроком h = 0,5 до t = 1,5. Точний розв’язок — y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(1,5) − y3|.
y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,5
|E| =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: T = 61,75 °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) = 24 + 61·e−0,03t
Підставте t
T(16) = 24 + 61·0,6188 = 61,75 °C
Відповідь
T = 61,75 °C
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 2,912
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 = 2, r = −0,5 ± 2j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −0,5
Пік
t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/2) = 2,912
Відповідь
ymax = 2,912
3.Інтеграли
Відповідь: I = 0,9502
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) = e−x/(−1)
Підставте межі
I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502
Відповідь
I = 0,9502
4.Інтеграли
Відповідь: V = 3,77
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 = 3x² → x = 0, x = 1
Метод шайб
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Відповідь
V = 3,77
5.Похідні
Відповідь: f′(−1) = −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.
Ланцюгове правило для логарифма
f′(x) = 4x/(2x2 + 2)
Підставте
f′(−1) = −4/4 = −1
Відповідь
f′(−1) = −1
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(1) = 6
f′(x) = 6x + 2 → f′(1) = 8
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − 8·1 = −2
Відповідь
b = −2
7.Чисельні методи
Відповідь: S = 1,223
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 = 1 + 4·0,871576 + 0,406138 = 4,892441
Формула Сімпсона
S = (0,75/3)·4,892441 = 1,223
Відповідь
S = 1,223
Цей інтеграл не має елементарної первісної, і саме тоді потрібне чисельне правило.
8.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 2,294
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 = 9,4375
Точне значення
y(1,5) = 11,731689
Глобальна похибка
|E| = |11,731689 − 9,4375| = 2,294
Графік
Відповідь
|E| = 2,294
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.