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″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 0. Знайдіть y(0,5).
Формулу трапецій застосовують до ∫02 sin x 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) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = −0,5y, y(0) = −1 методом Ейлера з кроком h = 0,25 до t = 1. Точний розв’язок — y = y₀e−0,5t. Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(1) − y4|.
y′ = −0,5yy(0) = −1h = 0,25
|E| =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 1,972
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.
Характеристичні корені
(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Сталі за початковими значеннями
A + B = 3, −2A − 3B = 0
A = 9, B = −6
Обчисліть
y(0,5) = 9·e−1 + (−6)·e−1,5 = 1,972
Відповідь
y(0,5) = 1,972
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1) = 1,276
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 = e2t
(e2ty)′ = 7e−t
Загальний розв’язок
y = 7/(−1)·e−3t + C·e−2t = −7·e−3t + C·e−2t
Початкова умова
5 = −7 + C → C = 12
Обчисліть
y(1) = −7·0,04979 + 12·0,1353 = 1,276
Відповідь
y(1) = 1,276
3.Інтеграли
Відповідь: V = 75,4
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.
Метод дисків
V = π∫₀2 9x² dx
Інтегруйте
V = π·9·2³/3 = 75,4
Відповідь
V = 75,4
Перевірка: конус радіуса 6 і висоти 2 має (1/3)πr²h = 75,4.
4.Інтеграли
Відповідь: A = 1,125
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.
Точки перетину
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Відповідь
A = 1,125
5.Похідні
Відповідь: f′(3) = 0,5455
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) = 2x/(x2 + 2)
Підставте
f′(3) = 6/11 = 0,5455
Відповідь
f′(3) = 0,5455
6.Похідні
Відповідь: x = 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.
Похідна
f′(x) = 3x2 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)
Розв'яжіть f′(x) = 0
x = 1 або x = 4
Що є що
f″(x) = 6x − 15: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.
f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 1
Відповідь
x = 1
7.Чисельні методи
Відповідь: n = 26
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 = |sin(π/2)| = 1
Виразіть n
n² > 8·1/(12·0,001) = 666,7
n > 25,82 → n = 26
Відповідь
n = 26
8.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,02035
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 = −0,586182
Точне значення
y(1) = −0,606531
Глобальна похибка
|E| = |−0,606531 + 0,586182| = 0,02035
Графік
Відповідь
|E| = 0,02035
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.