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
xy00,51

Наближено обчисліть ∫01 sin x dx за формулою Сімпсона, n = 2, і порівняйте з точним значенням. Знайдіть абсолютну похибку |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
2.Чисельні методиСкладна
00,511,502040ty(0, 2)

Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,5 для y′ = 2y, y(0) = 2, щоб оцінити y3 ≈ y(1,5).

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

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

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

Функцію f(x) = ln(1 + x) наближено многочленом Маклорена степеня 3 у точці x = 0,5. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 3! = 6, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₃|.

f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0,5M = 6
|R₃| =
5.Матриці та визначникиСередня
A =−130−41−3−35−4

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−1 3 0; −4 1 −3; −3 5 −4]
det A =
6.Матриці та визначникиСкладна
A =−13−56b =4−2

Розв'яжіть систему −x + 3y = 4 і −5x + 6y = −2. Знайдіть x.

−x + 3y = 4−5x + 6y = −2
x =
7.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)47Ta​61 °C47 °C

Кувану сталеву деталь температурою 380 °C залишили остигати в цеху з температурою 27 °C. Через 47 min її температура становить 61 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 47 °C?

T0 = 380 °CTa = 27 °CT(47) = 61 °CT = 47 °C
t = min
8.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)t = ?19 kg

Бак містить 1000 L води, у якій розчинено 5 kg солі. Розсіл із 0,05 kg солі на літр надходить зі швидкістю 2 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Через скільки хвилин t бак міститиме 19 kg солі?

V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
t = min

3Розчини

1.Чисельні методи

Відповідь: |E| = 0,0001645

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 = 0,459698

Формула Сімпсона

S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862

Похибка

|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645

Відповідь

|E| = 0,0001645

Відносна похибка: 0,03578 %.

2.Чисельні методи

Відповідь: y3 = 31,25

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₊₁00248510,55102012,52112,5255031,25

Кроки Хойна

y₁ = 2 + (0,5/2)(4 + 8) = 5
y₂ = 5 + (0,5/2)(10 + 20) = 12,5
y₃ = 12,5 + (0,5/2)(25 + 50) = 31,25
00,511,502040ty

Графік

y3 = 31,25

Відповідь

y3 = 31,25

Точне значення дорівнює y(1,5) = 40,171074.

3.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ k³/5ᵏ

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

Відповідь

A: Σ k³/5ᵏ

Відповідь

A: Σ k³/5ᵏ
4.Послідовності та ряди

Відповідь: |R₃| = 0,01563

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.

Оцінка похідної

M = 3! = 6

Оцінка Лагранжа

|R₃| ≤ 6·0,5⁴/4! = 0,01563

Відповідь

|R₃| = 0,01563

Справжня похибка менша: |f(0,5) − P₃(0,5)| = 0,0112.

5.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −32

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 = 11, M₁₂ = 7, M₁₃ = −17

Розклад за рядком

det A = (−1)·11 − 3·7 + 0·(−17) = −32

Відповідь

det A = −32
6.Матриці та визначники

Відповідь: x = 3,333

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)·6 − 3·(−5) = 9

Замініть стовпець x

det Aₓ = 4·6 − 3·(−2) = 30
x = 30/9 = 3,333

Відповідь

x = 3,333
y = 2,444
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 57,66 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(353/34)/47 = 0,04979 min⁻¹

Час до досягнення цільової температури

t = ln(353/20)/0,04979 = 57,66 min

Відповідь

t = 57,66 min
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 186,3 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.

Результат

m(t) = 50 + (−45)·e−t/500

Розв’яжіть щодо t

e−t/500 = (50 − 19)/(50 − 5) = 0,6889
t = 500·ln(1,452) = 186,3 min

Відповідь

t = 186,3 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods