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
Банку газованого напою температурою 4 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 24 °C. Через 7 min її температура становить 14 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 21 °C?
T0 = 4 °CTa = 24 °CT(7) = 14 °CT = 21 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 2y′ + 26y = 52 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + 2y′ + 26y = 52y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₀1 x·sin x dx (x у радіанах).
∫₀1 x·sin x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = x·sin(3x), x у радіанах. Знайдіть f′(0,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 3x2 − 3x + 4 у точці x = −2 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 3x2 − 3x + 4x = −2
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫01 eˣ dx за формулою трапецій, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,5 для y′ = cos t − y, y(0) = 2. Знайдіть y₁ ≈ y(0,5).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,5
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 19,16 min
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.
Стала охолодження
k = ln(-20/-10)/7 = 0,09902 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(-20/(−3))/0,09902 = 19,16 min
Відповідь
t = 19,16 min
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 3,067
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.
Усталене значення та корені
yss = 2, r = −1 ± 5j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −0,4
Пік
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−1·π/5) = 3,067
Відповідь
ymax = 3,067
3.Інтеграли
Відповідь: I = 0,3012
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 = sin x dx, v = −cos x
Первісна
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Границі
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Відповідь
I = 0,3012
4.Інтеграли
Відповідь: A = 0,6667
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
0,5x2 = x → x = 0, x = 2
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Відповідь
A = 0,6667
5.Похідні
Відповідь: f′(0.5) = 1,104
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.
Правила добутку й ланцюгове
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Підставте
f′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Відповідь
f′(0,5) = 1,104
6.Похідні
Відповідь: b = −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.
Точка і нахил
f(−2) = 22
f′(x) = 6x − 3 → f′(−2) = −15
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 22 − (−15)·(−2) = −8
Відповідь
b = −8
7.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,03565
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 = 1,718282
Формула трапецій
T = (0,5/2)·(1 + 2·1,648721 + 2,718282) = 1,753931
Похибка
|E| = |1,753931 − 1,718282| = 0,03565
Відповідь
|E| = 0,03565
Відносна похибка: 2,075 %.
8.Чисельні методи
Відповідь: y1 = 1,588
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.