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
xy012

Наближено обчисліть ∫02 1/(1 + x³) dx за формулою Сімпсона з n = 2 смугами. Дайте S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
2.Чисельні методиСкладна
00,511,511,5ty(0, 1)

Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,5 для y′ = e−ty, y(0) = 1, щоб оцінити y3 ≈ y(1,5).

y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y3 =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ k³/2ᵏk = 1 … ∞BΣ (k + 1)/k²k = 1 … ∞CΣ 1/(5k + 4)k = 1 … ∞DΣ k/(k + 3)k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ k³/2ᵏB: Σ (k + 1)/k²C: Σ 1/(5k + 4)D: Σ k/(k + 3)
  1. 1A: Σ k³/2ᵏ
  2. 2B: Σ (k + 1)/k²
  3. 3C: Σ 1/(5k + 4)
  4. 4D: Σ k/(k + 3)
4.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₄ при (x − 1)⁴ у ряді Тейлора функції f(x) = 1/x у точці a = 1.

f(x) = 1/xa = 1k = 4
c₄ =
5.Матриці та визначникиСередня
A =−1−5453−4−30−3

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−1 −5 4; 5 3 −4; −3 0 −3]
det A =
6.Матриці та визначникиСкладна
A =12−5−2b =9−11

Розв'яжіть систему x + 2y = 9 і −5x − 2y = −11. Знайдіть x.

x + 2y = 9−5x − 2y = −11
x =
7.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)9Ta​T = ?

Банку газованого напою температурою 5 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 24 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,05 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 9 min.

T0 = 5 °CTa = 24 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 9 min
T = °C
8.Диференціальні рівнянняСкладна
ty1y(1) = ?

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

y′ + 0,5y = 3e−ty(0) = 2
y(1) =

3Розчини

1.Чисельні методи

Відповідь: S = 1,037

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.

ixᵢf(xᵢ)вага0011110,54220,1111111

Вузли та значення

h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,5 + 0,111111 = 3,111111

Формула Сімпсона

S = (1/3)·3,111111 = 1,037

Відповідь

S = 1,037

Цей інтеграл не має елементарної первісної, і саме тоді потрібне чисельне правило.

2.Чисельні методи

Відповідь: y3 = 1,618

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₊₁00110,4723671,36809210,51,3680920,5045710,1978241,543691211,5436910,2135910,08410161,618114

Кроки Хойна

y₁ = 1 + (0,5/2)(1 + 0,472367) = 1,368092
y₂ = 1,368092 + (0,5/2)(0,504571 + 0,197824) = 1,543691
y₃ = 1,543691 + (0,5/2)(0,213591 + 0,0841016) = 1,618114
00,511,511,5ty

Графік

y3 = 1,618

Відповідь

y3 = 1,618
3.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ k³/2ᵏ

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 k³/2ᵏ → Ознака Даламбера: L = 1/2 < 1, збігається.
B: Σ (k + 1)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
C: Σ 1/(5k + 4) → Для великих k поводиться як 1/(5k); порівняно з гармонічним рядом розбігається.
D: Σ k/(k + 3) → Члени прямують до 1, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.

Відповідь

A: Σ k³/2ᵏ

Відповідь

A: Σ k³/2ᵏ
4.Послідовності та ряди

Відповідь: c₄ = 1

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.

Похідна f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = 24/x⁵

Коефіцієнт

c₄ = 24/(1⁵·24) = 1
c₄ = 1

Відповідь

c₄ = 1
5.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −90

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.

Мінори 2×2 першого рядка

M₁₁ = −9, M₁₂ = −27, M₁₃ = 9

Розклад за рядком

det A = (−1)·(−9) − (−5)·(−27) + 4·9 = −90

Відповідь

det A = −90
6.Матриці та визначники

Відповідь: x = 0,5

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.

Визначник матриці коефіцієнтів

det A = 1·(−2) − 2·(−5) = 8

Замініть стовпець x

det Aₓ = 9·(−2) − 2·(−11) = 4
x = 4/8 = 0,5

Відповідь

x = 0,5
y = 4,25
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 11,89 °C

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.

Розв’язок закону охолодження

T(t) = 24 + (−19)·e−0,05t

Підставте t

T(9) = 24 + (−19)·0,6376 = 11,89 °C

Відповідь

T = 11,89 °C
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 2,645

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 3e−0,5t

Загальний розв’язок

y = 3/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −6·e−t + C·e−0,5t

Початкова умова

2 = −6 + C → C = 8

Обчисліть

y(1) = −6·0,3679 + 8·0,6065 = 2,645

Відповідь

y(1) = 2,645

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods