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″ + 3y′ + 2y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 4. Знайдіть y(1).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + y′ + 9,25y = 92,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,75); кути в радіанах.
y″ + y′ + 9,25y = 92,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln 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 ∫02 eˣ dx за формулою трапецій, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Чисельні методиСкладна
Виконайте один крок класичного методу Рунге–Кутти (RK4) з h = 0,1 для y′ = cos t − y, y(0) = 3. Знайдіть y₁ ≈ y(0,1).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,1
y1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1) = 3,932
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 + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2
Сталі за початковими значеннями
A + B = 5, −1A − 2B = 4
A = 14, B = −9
Обчисліть
y(1) = 14·e−1 + (−9)·e−2 = 3,932
Відповідь
y(1) = 3,932
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.75) = 13,43
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первісна
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Границі
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Відповідь
I = 14,12
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′(0.5) = 0,3791
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.
Правило добутку
f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)
Підставте
f′(0,5) = 0,6065·(0,75 + (−0,125)) = 0,3791
Відповідь
f′(0,5) = 0,3791
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 + 9x + 6 = 3·(x2 + 3x + 2)
Розв'яжіть f′(x) = 0
x = −2 або x = −1
Що є що
f″(x) = 6x + 9: від'ємна в максимумі, додатна в мінімумі.
f″(−2) = −3, f″(−1) = 3
x = −1
Відповідь
x = −1
7.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,5238
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 = 6,389056
Формула трапецій
T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281
Похибка
|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238
Відповідь
|E| = 0,5238
Відносна похибка: 8,198 %.
8.Чисельні методи
Відповідь: y1 = 2,81
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.