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.
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
Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
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.
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.
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
Формулу трапецій застосовують до ∫01 eˣ dx. Похибка не перевищує (b − a)³·M/(12n²), де M = max|f″| на [0, 1]. Знайдіть найменшу кількість смуг n, що гарантує похибку нижче за 0,0001.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]ε = 0,0001
n =
2.Чисельні методиСкладна
Розв’яжіть y′ = y − t², y(0) = 3 методом Ейлера з кроком h = 0,2 до t = 0,8. Точний розв’язок — y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Знайдіть глобальну похибку |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,2
|E| =
3.Послідовності та рядиСередня
Степеневий ряд Σk=1∞ (x − 1)ᵏ/(k·(1/2)ᵏ) збігається на інтервалі навколо x₀ = 1. Знайдіть правий кінець x цього інтервалу.
Σ (x − 1)ᵏ/(k·(1/2)ᵏ)x₀ = 1
x =
4.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 3 для f(x) = eˣ, щоб наблизити f(1,2). Дайте P₃(1,2).
f(x) = eˣn = 3x = 1,2
P₃(1.2) =
5.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).
A = [2 −3; −5 −6]B = [−6 2; −5 −2]
c12 =
6.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [2 6; −3 −7]
λ =
7.Диференціальні рівнянняСередня
Чашку кави температурою 85 °C залишили в кімнаті з температурою 18 °C. Через 28 min її температура становить 23 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 85 °CTa = 18 °CT(28) = 23 °C
k = min⁻¹
8.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + 3y/x = 2 при x > 0, y(1) = 4. Знайдіть y(3).
y′ + 3y/x = 2y(1) = 4
y(3) =
3Розчини
1.Чисельні методи
Відповідь: n = 48
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.
Оцінка другої похідної
M = e1 = 2,718
Виразіть n
n² > 1·2,718/(12·0,0001) = 2265
n > 47,59 → n = 48
Відповідь
n = 48
2.Чисельні методи
Відповідь: |E| = 0,3667
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.
Кроки Ейлера
y4 = 6,09888
Точне значення
y(0,8) = 6,465541
Глобальна похибка
|E| = |6,465541 − 6,09888| = 0,3667
Графік
Відповідь
|E| = 0,3667
Зменшення h удвічі приблизно вдвічі зменшує похибку методу Ейлера.
3.Послідовності та ряди
Відповідь: x = 1,5
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.
Коефіцієнти
ck/ck+1 = (1/2)·((k + 1)/k) → 0,5
Радіус
R = 0,5
Інтервал
0,5 < x < 1,5
x = 1,5
Відповідь
x = 1,5
Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.
4.Послідовності та ряди
Відповідь: P₃(1.2) = 3,208
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.
Многочлен Маклорена
P₃(x) = 1 + x + 0,5x² + 0,1667x³
Підставте
P₃(1,2) = 1 + 1,2 + 0,72 + 0,288 = 3,208
Відповідь
P₃(1,2) = 3,208
Точне значення дорівнює f(1,2) = 3,320117; похибка 0,112117 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
5.Матриці та визначники
Відповідь: c12 = 10
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 = 2·2 + (−3)·(−2) = 10
Відповідь
c12 = 10
6.Матриці та визначники
Відповідь: λ = −1
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 − (−5)λ + (4) = 0
Розв’яжіть
λ = (−5 ± √(9))/2 → λ = −4, −1
λ = −1
Відповідь
λ = −1
7.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,09269 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−28k = 5/67
Розв’яжіть щодо k
k = ln(67/5)/28 = 0,09269 min⁻¹
Відповідь
k = 0,09269 min⁻¹
8.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(3) = 1,63
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.