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
Чашку кави температурою 93 °C залишили в кімнаті з температурою 18 °C. Через 27 min її температура становить 33 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 26 °C?
T0 = 93 °CTa = 18 °CT(27) = 33 °CT = 26 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + y′ + 4,25y = 42,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + y′ + 4,25y = 42,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₀π x·cos x dx (x у радіанах).
∫₀π x·cos x dx
I =
4.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
5.ПохідніСередня
Нехай f(x) = (4x − 3)5. Знайдіть f′(1).
f(x) = (4x − 3)5x = 1
f′(1) =
6.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = −x2 + 3x − 4 у точці x = −1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = −x2 + 3x − 4x = −1
b =
7.Чисельні методиСередня
Наближено обчисліть ∫01 sin(x²) dx за формулою трапецій з n = 3 смугами. Дайте T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1]n = 3
T =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,1 для y′ = t² + y², y(0) = 1. Знайдіть y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 37,55 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(75/15)/27 = 0,05961 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(75/8)/0,05961 = 37,55 min
Відповідь
t = 37,55 min
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 14,56
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 = 10, r = −0,5 ± 2j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −2,5
Пік
t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/2) = 14,56
Відповідь
ymax = 14,56
3.Інтеграли
Відповідь: I = −2
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
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Відповідь
I = −2
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′(1) = 20
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) = 5·(4x − 3)4·4
Підставте
f′(1) = 5·14·4 = 20
Відповідь
f′(1) = 20
6.Похідні
Відповідь: b = −3
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) = −8
f′(x) = −2x + 3 → f′(−1) = 5
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −8 − 5·(−1) = −3
Відповідь
b = −3
7.Чисельні методи
Відповідь: T = 0,3205
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.