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 94 °C залишили в кімнаті з температурою 20 °C. Через 19 min її температура становить 29 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 94 °CTa = 20 °CT(19) = 29 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 2y′ + 10y = 20 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.
y″ + 2y′ + 10y = 20y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 5x і параболою y = 3x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 5xy = 3x²
V =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = ln(3x2 + 4). Знайдіть f′(2).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = 2
f′(2) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 0,5x2 + 5x + 1 у точці x = −1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 0,5x2 + 5x + 1x = −1
b =
7.Чисельні методиСередня
Швидкість транспортного засобу вимірюють кожні 1 с (таблиця). Оцініть пройдену відстань s від t = 0 до t = 5 с за формулою трапецій.
h = 1 sn = 5
s = m
8.Чисельні методиСкладна
Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,1 для y′ = e−ty, y(0) = 1, щоб оцінити y3 ≈ y(0,3).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,1109 min⁻¹
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.
Відношення різниць температур
e−19k = 9/74
Розв’яжіть щодо k
k = ln(74/9)/19 = 0,1109 min⁻¹
Відповідь
k = 0,1109 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.25) = 0,5064
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
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Відповідь
I = 0,6363
4.Інтеграли
Відповідь: V = 48,48
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
5x = 3x² → x = 0, x = 1,667
Метод шайб
V = π∫₀1,667 ((5x)² − (3x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(25·1,667³/3 − 9·1,667⁵/5) = π·15,43 = 48,48
Відповідь
V = 48,48
5.Похідні
Відповідь: f′(2) = 0,75
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) = 6x/(3x2 + 4)
Підставте
f′(2) = 12/16 = 0,75
Відповідь
f′(2) = 0,75
6.Похідні
Відповідь: b = 0,5
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) = −3,5
f′(x) = x + 5 → f′(−1) = 4
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3,5 − 4·(−1) = 0,5
Відповідь
b = 0,5
7.Чисельні методи
Відповідь: s = 65 m
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.
Зважена сума
5 + 2·6 + 2·10 + 2·16 + 2·19 + 23 = 130
Формула трапецій
s = (1/2)·130 = 65 m
Відповідь
s = 65 m
8.Чисельні методи
Відповідь: y3 = 1,253
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.