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″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 2. Знайдіть y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 4y′ + 13y = 26 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.
y″ + 4y′ + 13y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₀1 x·cos x dx (x у радіанах).
∫₀1 x·cos x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 6x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
Наближено обчисліть ∫14 1/x dx за формулою трапецій, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = −2ty, y(0) = 2 методом Ейлера з кроком h = 0,1 до t = 0,4. Точний розв’язок — y = y₀e−t². Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(0,4) − y4|.
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,1
|E| =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 2,165
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 + 4)² = 0 → r = −4
Сталі
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 2 + 20 = 22
Обчисліть
y(0,5) = (5 + 22·0,5)·e−2 = 2,165
Відповідь
y(0,5) = 2,165
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1.5) = 2,086
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Первісна
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Границі
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Відповідь
I = 0,3818
4.Інтеграли
Відповідь: V = 407,2
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
6x = 2x² → x = 0, x = 3
Метод шайб
V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2
Відповідь
V = 407,2
5.Похідні
Відповідь: f′(0) = −8
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·(−2x + 1)3·(−2)
Підставте
f′(0) = 4·13·(−2) = −8
Відповідь
f′(0) = −8
6.Похідні
Відповідь: x = 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.
Похідна
f′(x) = 3x2 − 9x + 6 = 3·(x2 − 3x + 2)
Розв'яжіть f′(x) = 0
x = 1 або x = 2
Що є що
f″(x) = 6x − 9: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.
f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 2
Відповідь
x = 2
7.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,1512
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.
Точне значення
I = 1,386294
Формула трапецій
T = (1,5/2)·(1 + 2·0,4 + 0,25) = 1,5375
Похибка
|E| = |1,5375 − 1,386294| = 0,1512
Відповідь
|E| = 0,1512
Відносна похибка: 10,91 %.
8.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,06442
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 = 1,768704
Точне значення
y(0,4) = 1,704288
Глобальна похибка
|E| = |1,704288 − 1,768704| = 0,06442
Графік
Відповідь
|E| = 0,06442
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.