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″ + 6y′ + 9y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = -2. Знайдіть y(1).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(1) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + 3y/x = 1 при x > 0, y(1) = 5. Знайдіть y(2).
y′ + 3y/x = 1y(1) = 5
y(2) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.
y = 9 − x²
A =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = (3x + 1)4. Знайдіть f′(1).
f(x) = (3x + 1)4x = 1
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 2x2 + 4x − 4 у точці x = −1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 2x2 + 4x − 4x = −1
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫02 √x·e−x dx за формулою Сімпсона з n = 2 смугами. Дайте S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = y − t², y(0) = 3 методом Ейлера з кроком h = 0,2 до t = 0,8. Точний розв’язок — y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,2
|E| =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1) = 0,2987
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 + 3)² = 0 → r = −3
Сталі
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 6 = 4
Обчисліть
y(1) = (2 + 4·1)·e−3 = 0,2987
Відповідь
y(1) = 0,2987
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(2) = 1,094
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∫3/x dx = x3
Інтегруйте
(x3y)′ = x3 → x3y = 1x4/4 + C
Початкова умова
5 = 1/4 + C → C = 4,75
Обчисліть
y(2) = (1·24/4 + 4,75)/23 = 1,094
Відповідь
y(2) = 1,094
3.Інтеграли
Відповідь: I = 14,12
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
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Відповідь
I = 14,12
4.Інтеграли
Відповідь: A = 36
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.
Нулі
9 − x² = 0 → x = ±3
Інтегруйте
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Відповідь
A = 36
5.Похідні
Відповідь: f′(1) = 768
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) = 4·(3x + 1)3·3
Підставте
f′(1) = 4·43·3 = 768
Відповідь
f′(1) = 768
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(−1) = −6
f′(x) = 4x + 4 → f′(−1) = 0
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −6 − 0·(−1) = −6
Відповідь
b = −6
7.Чисельні методи
Відповідь: S = 0,5543
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 = 1
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,367879 + 0,191393 = 1,662911
Формула Сімпсона
S = (1/3)·1,662911 = 0,5543
Відповідь
S = 0,5543
Цей інтеграл не має елементарної первісної, і саме тоді потрібне чисельне правило.
8.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,3667
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
y4 = 6,09888
Точне значення
y(0,8) = 6,465541
Глобальна похибка
|E| = |6,465541 − 6,09888| = 0,3667
Графік
Відповідь
|E| = 0,3667
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.