Чисельні методи: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Чисельні методи з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: корені та інтерполяція, формули трапецій і Сімпсона, Ейлер, Хойн і Рунге–Кутта.

Безкоштовна задачаЛегка
xyx₀ = 0

Застосуйте метод Ньютона–Рафсона до f(x) = e−x − x з початковим значенням x₀ = 0. Знайдіть x2.

f(x) = e−x − xf′(x) = −e−x − 1x₀ = 0
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкакорені та інтерполяція
  2. Середняформули трапецій і Сімпсона
  3. СкладнаЕйлер, Хойн і Рунге–Кутта

Як розв’язувати задачі на тему «Чисельні методи»

  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.

Типові помилки

  • Залишити не ту половину інтервалу бісекції або неправильно порахувати кроки.
  • Писати x − f′/f замість x − f/f′ у методі Ньютона–Рафсона.
  • Давати внутрішнім вузлам вагу 1 у формулі трапецій або застосовувати Сімпсона з непарною кількістю смуг.
  • Округлювати ітерації надто рано.
  • Зробити на один крок Ейлера менше або більше, ніж потрібно, щоб дійти до кінцевого часу.

Основні формули

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)

Вивчайте тему «Чисельні методи» з нуля

Перед цим: Похідні, Інтеграли, Диференціальні рівняння

1Навіщо чисельні методи, і бісекція

Багато рівнянь та інтегралів не мають формули для відповіді: x = cos x, ∫e−x²dx або більшість диференціальних рівнянь. Чисельні методи обчислюють відповідь крок за кроком із потрібною точністю.

Метод бісекції знаходить корінь f(x) = 0 на інтервалі [a, b], де f змінює знак. Візьміть середину c = (a + b)/2 і залиште половину, де знак усе ще змінюється.

Приклад: f(x) = x² − 2 на [1, 2]. c₁ = 1,5 дає f = 0,25 > 0, тож залиште [1; 1,5]. c₂ = 1,25 дає f = −0,4375 < 0, тож залиште [1,25; 1,5]. Потім c₃ = 1,375.

Кожен крок ділить інтервал навпіл, тож після n кроків його ширина дорівнює (b − a)/2ⁿ. Бісекція повільна, але завжди працює, щойно є зміна знака.

Самоперевірка Бісекція починає з інтервалу довжиною 1. Яка ширина інтервалу після 10 кроків?
  1. 1/100
  2. 1/1024
  3. 1/10
  4. 1/20

Відповідь: 1/1024. Кожен крок ділить його навпіл: 1/2¹⁰ = 1/1024 ≈ 0,001. Ділення на 10 чи 20 трактує ділення навпіл так, ніби воно адитивне.

2Ньютон–Рафсон

Метод Ньютона–Рафсона іде за дотичною вниз до осі x і використовує цей перетин як наступне наближення:

xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
xx₀ = 2x₁ = 1,5√2f(x) = x² − 2

Для f(x) = x² − 2 із f′(x) = 2x і x₀ = 2: x₁ = 2 − 2/4 = 1,5, x₂ = 1,5 − 0,25/3 = 1,416667, x₃ = 1,414216. Корінь дорівнює √2 = 1,414214.

Поблизу кореня метод Ньютона приблизно подвоює кількість правильних цифр на кожному кроці. Він може не спрацювати, коли f′(xₙ) близька до 0 або коли початкове значення далеке від кореня.

Зберігайте щонайменше шість цифр у кожній ітерації; раннє округлення не дає методу покращуватися.

Самоперевірка Один крок Ньютона для f(x) = x² − 5 від x₀ = 2 дає…
  1. 1,75
  2. 2,25
  3. 2,2
  4. 2,5

Відповідь: 2,25. f(2) = −1 і f′(2) = 4, тож x₁ = 2 − (−1)/4 = 2,25. Якщо додати −1/4 замість віднімання, вийде 1,75.

3Лінійна інтерполяція

Таблиці дають значення лише в певних точках. Лінійна інтерполяція проводить пряму між двома сусідніми точками таблиці:

y = y₁ + (y₂ − y₁)·(x − x₁)/(x₂ − x₁)

Приклад: таблиця дає f(1) = 2,0 і f(2) = 2,6. У x = 1,4 частка дорівнює 0,4, тож f(1,4) ≈ 2,0 + 0,6·0,4 = 2,24.

Обернена інтерполяція працює так само, але навпаки: щоб знайти, де y = 2,3, частка дорівнює (2,3 − 2,0)/0,6 = 0,5, тож x ≈ 1,5.

4Формули трапецій і Сімпсона

Щоб проінтегрувати f від a до b, розбийте інтервал на n смуг шириною h = (b − a)/n з вузлами x₀, x₁, …, xₙ.

Формула трапецій замінює криву в кожній смузі прямою. Кожен внутрішній вузол належить двом смугам, тож рахується двічі:

T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]
0,51y = x²x

Формула Сімпсона проводить параболи через по три вузли. Їй потрібне парне n:

S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]

Для ∫01 x² dx = 1/3 з n = 2 (h = 0,5): T = 0,25·(0 + 0,5 + 1) = 0,375, тоді як S = (0,5/3)·(0 + 1 + 1) = 0,3333, точно.

Похибка трапецій зменшується як h², а Сімпсона — як h⁴: зменшення h удвічі робить Сімпсона приблизно в 16 разів точнішим.

Самоперевірка Які ваги формула трапецій дає вузлам x₀, x₁, x₂, x₃?
  1. 1, 1, 1, 1
  2. 1, 2, 2, 1
  3. 1, 4, 2, 1
  4. 1, 4, 4, 1

Відповідь: 1, 2, 2, 1. Два крайні вузли належать одній смузі, а внутрішні — двом, тож 1, 2, 2, 1 із множником h/2. Четвірки належать формулі Сімпсона.

5Ейлер і Хойн для диференціальних рівнянь

Для y′ = f(t, y) з y(t₀) = y₀ крокуйте вперед у часі з кроком h. Метод Ейлера використовує нахил на початку кожного кроку:

yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)

Метод Хойна (вдосконалений метод Ейлера) передбачає за Ейлером, а потім усереднює нахили на обох кінцях: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).

Похибка Ейлера пропорційна h, Хойна — h². Класичний метод Рунге–Кутти (RK4) використовує чотири нахили і має точність h⁴.

Розв’язаний приклад

Розв’яжіть y′ = y, y(0) = 1 методом Ейлера з h = 0,1 до t = 0,3 і порівняйте з точним розв’язком eᵗ.

1

Крок 1

y₁ = 1 + 0,1·1 = 1,1
2

Крок 2

y₂ = 1,1 + 0,1·1,1 = 1,21
3

Крок 3

y₃ = 1,21 + 0,1·1,21 = 1,331
4

Порівняйте

Точне значення дорівнює e0,3 = 1,349859, тож глобальна похибка становить 0,0189. Один крок Хойна від y₀ дав би 1 + 0,05·(1 + 1,1) = 1,105 проти e0,1 = 1,105171.

Відповідь

y(0,3) ≈ 1,331 за Ейлером; похибка 0,019 зменшується приблизно пропорційно h.

6Типові помилки та екзаменаційні запитання

  • Вважати першу середину бісекції кроком 0 або залишити не ту половину інтервалу.
  • Писати x − f′/f замість x − f/f′ у методі Ньютона.
  • Забути множник 2 на внутрішніх вузлах або використати h замість h/2 у формулі трапецій.
  • Застосовувати формулу Сімпсона з непарною кількістю смуг.
  • У методі Ейлера використати нахил у кінці кроку або зробити на один крок менше.

Легкі: бісекція, ітерації Ньютона та інтерполяція в таблиці. Середні: формули трапецій і Сімпсона, їхня похибка та потрібна кількість смуг. Складні: кроки Ейлера, Хойна та Рунге–Кутти для диференціальних рівнянь.

Самоперевірка y′ = 2y з y(0) = 1. Що дає один крок Ейлера з h = 0,2?
  1. 1,2
  2. 1,49
  3. 1,4
  4. 2,4

Відповідь: 1,4. y₁ = 1 + 0,2·(2·1) = 1,4. Якщо забути множник 2 у нахилі, вийде 1,2; 1,49 — це точне значення e0,4.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка

Метод бісекції починає з інтервалу довжиною 4. Кожен крок ділить інтервал навпіл. Скільки кроків n потрібно щонайменше, щоб інтервал став коротшим за 0,0001?

b − a = 4ε = 0,0001

Знайти: n

Показати підказки
  1. Після n кроків інтервал має довжину (b − a)/2ⁿ.
  2. Розв’яжіть 4/2ⁿ < 0,0001, тож 2ⁿ > 40000.
  3. n > log₂(40000) = 15,29
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Знаходження коренів та інтерполяція: метод бісекції зберігає інтервал [a, b], на якому f змінює знак; на кожному кроці береться середина c = (a + b)/2 і залишається та половина, де знак усе ще змінюється, тож після n кроків ширина інтервалу дорівнює (b − a)/2ⁿ. Метод Ньютона–Рафсона йде за дотичною до осі: xn+1 = xn − f(xn)/f′(xn); поблизу простого кореня він приблизно подвоює кількість правильних цифр на кроці. Лінійна інтерполяція між двома точками таблиці: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁).

Умова

4/2ⁿ < 0,0001 → 2ⁿ > 40000

Логарифм

n > ln(40000)/ln 2 = 15,29
n = 16

Перевірка

2¹⁵ = 32768 < 40000 < 2¹⁶ = 65536

Відповідь

n = 16
Приклад 2Середня
xy00,511,5

Наближено обчисліть ∫01,5 √(1 + x³) dx за формулою трапецій з n = 3 смугами. Дайте T.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3

Знайти: T

Показати підказки
  1. h = (1,5 − 0)/3 = 0,5; вузли: 0, 0,5, 1, 1,5.
  2. Ваги: 1, 2, 2, …, 2, 1; T = (h/2)·Σ wᵢfᵢ.
  3. Зважена сума дорівнює Σ wᵢfᵢ = 8,041398.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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)вага001110,51,060662211,414214231,52,091651

Вузли та значення

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,06066 + 2·1,414214 + 2,09165 = 8,041398

Формула трапецій

T = (0,5/2)·8,041398 = 2,01

Відповідь

T = 2,01

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

Приклад 3Складна
00,10,20,30,40,40,60,81ty(0, 0,5)

Скористайтеся методом Хойна (вдосконаленим методом Ейлера) з h = 0,2 для y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5, щоб оцінити y2 ≈ y(0,4).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2

Знайти: y2

Показати підказки
  1. Кожен крок: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).
  2. Крок 1: k₁ = 1, k₂ = 1,139543, y₁ = 0,713954.
  3. Щоб дійти до t = 0,4, потрібно 2 кроків.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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₊₁000,511,1395430,71395410,20,7139541,1423061,3681010,964995

Кроки Хойна

y₁ = 0,5 + (0,2/2)(1 + 1,139543) = 0,713954
y₂ = 0,713954 + (0,2/2)(1,142306 + 1,368101) = 0,964995
00,10,20,30,40,40,60,81ty

Графік

y2 = 0,965

Відповідь

y2 = 0,965

Запитання й відповіді

Чисельні методи: що це?

Багато рівнянь та інтегралів не мають формули для відповіді: x = cos x, ∫e−x²dx або більшість диференціальних рівнянь. Чисельні методи обчислюють відповідь крок за кроком із потрібною точністю.

Приклад: f(x) = x² − 2 на [1, 2]. c₁ = 1,5 дає f = 0,25 > 0, тож залиште [1; 1,5]. c₂ = 1,25 дає f = −0,4375 < 0, тож залиште [1,25; 1,5]. Потім c₃ = 1,375.

Чисельні методи: як розв’язувати задачі крок за кроком?
  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.
Чисельні методи: які помилки найпоширеніші?
  • Залишити не ту половину інтервалу бісекції або неправильно порахувати кроки.
  • Писати x − f′/f замість x − f/f′ у методі Ньютона–Рафсона.
  • Давати внутрішнім вузлам вагу 1 у формулі трапецій або застосовувати Сімпсона з непарною кількістю смуг.
  • Округлювати ітерації надто рано.
  • Зробити на один крок Ейлера менше або більше, ніж потрібно, щоб дійти до кінцевого часу.
Чисельні методи: що ви тренуєте?
  • Легка: корені та інтерполяція
  • Середня: формули трапецій і Сімпсона
  • Складна: Ейлер, Хойн і Рунге–Кутта

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Спочатку вивчіть

Курси з цією темою

Інші теми: Математика і статистика

Робочий аркуш для друку