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
Кувану сталеву деталь температурою 460 °C залишили остигати в цеху з температурою 22 °C. Через 11 min її температура становить 304 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 460 °CTa = 22 °CT(11) = 304 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть y″ + 2y′ + 17y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.
y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.25) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 4x і параболою y = 3x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 4xy = 3x²
V =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = ln(x2 + 4). Знайдіть f′(−1).
f(x) = ln(x2 + 4)x = −1
f′(−1) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 3x2 + 5x − 3 у точці x = 1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 3x2 + 5x − 3x = 1
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫14 1/x dx за формулою трапецій, n = 4, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 4
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,5 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Знайдіть y₁ ≈ y(0,5).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,04003 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−11k = 282/438
Розв’яжіть щодо k
k = ln(438/282)/11 = 0,04003 min⁻¹
Відповідь
k = 0,04003 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.25) = 0,5846
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.
Комплексні корені
r = −1 ± 4j
Сталі
A = 1, B = 1·1/4 = 0,25
Обчисліть
y(0,25) = e−0,25(1·cos 1 + 0,25·sin 1) = 0,5846
Відповідь
y(0,25) = 0,5846
3.Інтеграли
Відповідь: I = 3,75
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.
Заміна змінної
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Відповідь
I = 3,75
4.Інтеграли
Відповідь: V = 15,89
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
4x = 3x² → x = 0, x = 1,333
Метод шайб
V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89
Відповідь
V = 15,89
5.Похідні
Відповідь: f′(−1) = −0,4
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 + 4)
Підставте
f′(−1) = −2/5 = −0,4
Відповідь
f′(−1) = −0,4
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) = 5
f′(x) = 6x + 5 → f′(1) = 11
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 11·1 = −6
Відповідь
b = −6
7.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,0418
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.