Чисельні методи: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Чисельні методи

Бісекція
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Ньютон–Рафсон
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Лінійна інтерполяція
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Формула трапецій
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Формула Сімпсона (n парне)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Оцінка похибки трапецій
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Ейлер
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Хойн
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Метод

  1. Для кореня: перевірте зміну знака для бісекції або обчисліть f і f′ для Ньютона й зберігайте шість і більше цифр у таблиці ітерацій.
  2. Для табличного значення: інтерполюйте лінійно між двома сусідніми точками.
  3. 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.
  4. 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.

Послідовності та ряди

Арифметична послідовність
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрична послідовність
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Нескінченний геометричний ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ознака Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радіус збіжності
R = lim |ck/ck+1|
Многочлен Тейлора
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Ряд Маклорена
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Оцінка похибки Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Метод

  1. Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
  2. Для сум користуйтеся Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) або S = a₁/(1 − r) за |r| < 1, де a₁ — перший член суми.
  3. Для збіжності: спершу ознака n-го члена, потім порівняння з Σ1/kᵖ або геометричним рядом, а ознаку Даламбера чи Коші використовуйте для факторіалів і k-х степенів.
  4. Для многочленів Тейлора випишіть f(a), f′(a), f″(a), …, поділіть k-ту похідну на k! і оцініть похибку за M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Матриці та визначники

визначник 2×2
det = ad − bc
Обернена матриця 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Власні значення
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)

Диференціальні рівняння

Експоненціальне зростання/спадання
dy/dt = ky → y = y0ekt
Період напіврозпаду
k = ln 2 / t½
Закон охолодження Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Інтегрувальний множник
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак змішування
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Задачі для практики

1.Чисельні методиСередня
t (s)02468v (m/s)915181824

Швидкість транспортного засобу вимірюють кожні 2 с (таблиця). Оцініть пройдену відстань s від t = 0 до t = 8 с за формулою Сімпсона.

h = 2 sn = 4
s = m
2.Чисельні методиСкладна
00,10,20,3−1,4−1,2−1ty(0, −1)

Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,1 для y′ = y − t², y(0) = −1, щоб оцінити y3 ≈ y(0,3).

y′ = y − t²y(0) = −1h = 0,1
y3 =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ (2/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ 3/kk = 1 … ∞DΣ 3/k⁴k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ (2/3)ᵏB: Σ 2ᵏ/k!C: Σ 3/kD: Σ 3/k⁴
  1. 1A: Σ (2/3)ᵏ
  2. 2B: Σ 2ᵏ/k!
  3. 3C: Σ 3/k
  4. 4D: Σ 3/k⁴
4.Послідовності та рядиСкладна

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!
S =
5.Матриці та визначникиСередня
A =−46−41B =−1−2−52

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).

A = [−4 6; −4 1]B = [−1 −2; −5 2]
c12 =
6.Матриці та визначникиСкладна
A =0−156

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [0 −1; 5 6]
λ =
7.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)29Ta​20 °C

Чашку кави температурою 93 °C залишили в кімнаті з температурою 18 °C. Через 29 min її температура становить 20 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 93 °CTa = 18 °CT(29) = 20 °C
k = min⁻¹
8.Диференціальні рівнянняСкладна
ty1y(1) = ?

Розв’яжіть y′ + 2y = 3e−3t при y(0) = 5. Знайдіть y(1).

y′ + 2y = 3e−3ty(0) = 5
y(1) =

3Розчини

1.Чисельні методи

Відповідь: s = 134 m

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.

Зважена сума

9 + 4·15 + 2·18 + 4·18 + 24 = 201

Формула Сімпсона

s = (2/3)·201 = 134 m

Відповідь

s = 134 m
2.Чисельні методи

Відповідь: y3 = −1,359

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00−1−1−1,11−1,105510,1−1,1055−1,1155−1,25705−1,22412720,2−1,224127−1,264127−1,44054−1,359361

Кроки Хойна

y₁ = −1 + (0,1/2)(−1 − 1,11) = −1,1055
y₂ = −1,1055 + (0,1/2)(−1,1155 − 1,25705) = −1,224127
y₃ = −1,224127 + (0,1/2)(−1,264127 − 1,44054) = −1,359361
00,10,20,3−1,4−1,2−1ty

Графік

y3 = −1,359

Відповідь

y3 = −1,359

Точне значення дорівнює y(0,3) = −1,359576.

3.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ 3/k

Збіжність: якщо члени не прямують до 0, ряд розбігається (необхідна умова збіжності, ознака n-го члена). Σ1/kᵖ збігається лише за p > 1, а Σrᵏ лише за |r| < 1. Порівнюйте ряд з одним із них, коли його члени для великих k поводяться як вони. Ознака Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; ознака Коші: L = lim |ak|1/k. L < 1 — збігається, L > 1 — розбігається, L = 1 нічого не вирішує. Степеневий ряд Σck(x − x₀)ᵏ збігається для |x − x₀| < R, де R = lim |ck/ck+1|; знакозмінний ряд із членами, що спадають до 0, збігається.

Перевірте кожен ряд

A: Σ (2/3)ᵏ → Геометричний з r = 2/3, |r| < 1: збігається.
B: Σ 2ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
C: Σ 3/k → Кратне гармонічного ряду (p = 1): розбігається.
D: Σ 3/k⁴ → p-ряд з p = 4 > 1: збігається.

Відповідь

C: Σ 3/k

Відповідь

C: Σ 3/k
4.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,9093

Многочлени Тейлора: поблизу x = a гладка функція наближається многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; для a = 0 це многочлен Маклорена. Стандартні ряди: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Оцінка похибки Лагранжа: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, де M — найбільше значення |f⁽ⁿ⁺¹⁾| між a і x.

Стандартні ряди

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Підставте

x = 2
S = sin 2 = 0,9093

Відповідь

S = 0,9093
5.Матриці та визначники

Відповідь: c12 = 20

Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.

Рядок на стовпець

c12 = (−4)·(−2) + 6·2 = 20

Відповідь

c12 = 20
6.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 5

Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.

Характеристичне рівняння

λ² − (6)λ + (5) = 0

Розв’яжіть

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Відповідь

λ = 5
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,125 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−29k = 2/75

Розв’яжіть щодо k

k = ln(75/2)/29 = 0,125 min⁻¹

Відповідь

k = 0,125 min⁻¹
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 0,9333

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)′ = 3e−t

Загальний розв’язок

y = 3/(−1)·e−3t + C·e−2t = −3·e−3t + C·e−2t

Початкова умова

5 = −3 + C → C = 8

Обчисліть

y(1) = −3·0,04979 + 8·0,1353 = 0,9333

Відповідь

y(1) = 0,9333

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods