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
Кувану сталеву деталь температурою 340 °C залишили остигати в цеху з температурою 21 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,05 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 41 min.
T0 = 340 °CTa = 21 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 41 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 2y′ + 5y = 50 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.
y″ + 2y′ + 5y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 4x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 4xy = 2x²
V =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = (−2x − 1)3. Знайдіть f′(1).
f(x) = (−2x − 1)3x = 1
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = −x2 − x + 4 у точці x = 1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = −x2 − x + 4x = 1
b =
7.Чисельні методиСередня
Формулу трапецій застосовують до ∫02 eˣ 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 0,001.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = y − t², y(0) = 1 методом Ейлера з кроком h = 0,1 до t = 0,3. Точний розв’язок — y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(0,3) − y3|.
y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,1
|E| =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: T = 62,07 °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) = 21 + 319·e−0,05t
Підставте t
T(41) = 21 + 319·0,1287 = 62,07 °C
Відповідь
T = 62,07 °C
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.25) = 1,298
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.
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Відповідь
I = 23,5
4.Інтеграли
Відповідь: V = 53,62
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
4x = 2x² → x = 0, x = 2
Метод шайб
V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62
Відповідь
V = 53,62
5.Похідні
Відповідь: f′(1) = −54
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
f′(x) = 3·(−2x − 1)2·(−2)
Підставте
f′(1) = 3·(−3)2·(−2) = −54
Відповідь
f′(1) = −54
6.Похідні
Відповідь: b = 5
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) = 2
f′(x) = −2x − 1 → f′(1) = −3
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − (−3)·1 = 5
Відповідь
b = 5
7.Чисельні методи
Відповідь: n = 71
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 = e2 = 7,389
Виразіть n
n² > 8·7,389/(12·0,001) = 4926
n > 70,19 → n = 71
Відповідь
n = 71
8.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,01424
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 = 1,3259
Точне значення
y(0,3) = 1,340141
Глобальна похибка
|E| = |1,340141 − 1,3259| = 0,01424
Графік
Відповідь
|E| = 0,01424
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.