Untuk punca: semak perubahan tanda untuk pembahagi dua, atau hitung f dan f′ untuk Newton, dan simpan enam digit atau lebih dalam jadual lelaran.
Untuk nilai jadual: interpolasi secara linear antara dua titik jiran.
Untuk kamiran: cari h = (b − a)/n, senaraikan f pada setiap nod, gunakan pemberat (1, 2, …, 2, 1 untuk trapezium; 1, 4, 2, …, 4, 1 untuk Simpson dengan n genap) dan darab dengan h/2 atau h/3.
Untuk PPB: melangkah dari t₀ dengan yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) atau cerun purata (Heun), satu baris bagi setiap langkah, sehingga anda sampai ke t yang diminta.
2Soalan latihan
1.Persamaan pembezaanSederhana
Selesaikan y″ + 5y′ + 4y = 0 dengan y(0) = 4 dan y′(0) = -4. Cari y(0.5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(0.5) =
2.Persamaan pembezaanSukar
Sebuah tangki mengandungi 100 L air tulen. Air garam dengan 0.2 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 4 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Selepas berapa minit t tangki mengandungi 6 kg garam?
V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0.2 kg/Lr = 4 L/min
t = min
3.KamiranSederhana
Nilaikan I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
4.KamiranSukar
Cari luas A kawasan yang dikelilingi oleh y = 2x2 dan y = x.
y = 2x2y = x
A =
5.TerbitanSederhana
Biar f(x) = ln(x2 + 5). Cari f′(−1).
f(x) = ln(x2 + 5)x = −1
f′(−1) =
6.TerbitanSukar
Garis tangen kepada f(x) = 0.5x2 + 2x − 3 pada x = −1 memotong paksi-y pada y = b. Cari b.
f(x) = 0.5x2 + 2x − 3x = −1
b =
7.Kaedah berangkaSederhana
Petua trapezium digunakan untuk ∫01 sin x dx. Ralatnya paling banyak (b − a)³·M/(12n²) dengan M = maks|f″| pada [0, 1]. Cari bilangan jalur terkecil n yang menjamin ralat di bawah 1 × 10⁻⁵.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Kaedah berangkaSukar
Selesaikan y′ = −0.5y, y(0) = 2 dengan kaedah Euler dan langkah h = 0.25 sehingga t = 1. Penyelesaian tepat ialah y = y₀e−0.5t. Cari ralat global |E| = |y(1) − y4|.
y′ = −0.5yy(0) = 2h = 0.25
|E| =
3Larutan
1.Persamaan pembezaan
Jawapan: y(0.5) = 2.426
Persamaan linear tertib kedua: bagi y″ + b·y′ + c·y = 0 cuba y = ert: ini memberikan persamaan ciri r² + b·r + c = 0. Dua punca nyata r₁ ≠ r₂ memberikan y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lampau); punca berganda r memberikan y = (A + Bt)·ert (redaman genting); punca kompleks −α ± jω memberikan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berayun). Nilai awal y(0) dan y′(0) menetapkan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn ialah frekuensi tabii dan ζ nisbah redaman: ζ < 1 berayun. Dengan input malar, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya ialah nilai mantap K tambah sambutan bebas.
Punca ciri
(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Pemalar daripada nilai awal
A + B = 4, −1A − 4B = -4
A = 4, B = 0
Nilaikan
y(0.5) = 4·e−0.5 + 0·e−2 = 2.426
Jawapan
y(0.5) = 2.426
2.Persamaan pembezaan
Jawapan: t = 8.917 min
Persamaan pembezaan peringkat pertama: dy/dt = k·y mempunyai penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan bagi k > 0, pereputan bagi k < 0); separuh hayat T memberikan k = ln 2/T. Hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor pengamiran μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, maka μy = ∫μq dx + C.
Keputusan
m(t) = 20 + (−20)·e−t/25
Selesaikan untuk t
e−t/25 = (20 − 6)/(20 − 0) = 0.7
t = 25·ln(1.429) = 8.917 min
Jawapan
t = 8.917 min
3.Kamiran
Jawapan: I = 1.5
Kamiran tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx ialah luas bertanda antara graf dan paksi-x dari a hingga b. Cari antiterbitan F (dengan F′ = f) dan nilaikan F(b) − F(a). Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua lengkung ialah ∫(atas − bawah) dx.
Penggantian
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du
Kamirkan dan nilaikan
I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1.5
Jawapan
I = 1.5
4.Kamiran
Jawapan: A = 0.04167
Kamiran tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx ialah luas bertanda antara graf dan paksi-x dari a hingga b. Cari antiterbitan F (dengan F′ = f) dan nilaikan F(b) − F(a). Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua lengkung ialah ∫(atas − bawah) dx.
Titik persilangan
2x2 = x → x = 0, x = 0.5
Kamirkan atas tolak bawah
A = [0.5x2 − 0.6667x3]00.5 = 0.04167
Jawapan
A = 0.04167
5.Terbitan
Jawapan: f′(−1) = −0.3333
Pembezaan: terbitan f′(x) ialah kecerunan graf pada x. Petua kuasa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Petua hasil darab: (uv)′ = u′v + uv′. Petua rantai: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Di mana f′(x) = 0, graf mempunyai tangen mengufuk: maksimum, minimum atau titik pelana.
Petua rantai untuk logaritma
f′(x) = 2x/(x2 + 5)
Gantikan
f′(−1) = −2/6 = −0.3333
Jawapan
f′(−1) = −0.3333
6.Terbitan
Jawapan: b = −3.5
Pembezaan: terbitan f′(x) ialah kecerunan graf pada x. Petua kuasa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Petua hasil darab: (uv)′ = u′v + uv′. Petua rantai: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Di mana f′(x) = 0, graf mempunyai tangen mengufuk: maksimum, minimum atau titik pelana.
Titik dan kecerunan
f(−1) = −4.5
f′(x) = x + 2 → f′(−1) = 1
Garis tangen pada x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −4.5 − 1·(−1) = −3.5
Jawapan
b = −3.5
7.Kaedah berangka
Jawapan: n = 84
Pengamiran berangka: bahagikan [a, b] kepada n jalur selebar h = (b − a)/n dengan nod x₀ … xₙ. Petua trapezium: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Petua Simpson (n genap): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Ralat trapezium mengecil seperti h² (had (b − a)h²·M/12 dengan M = maks|f″|), Simpson seperti h⁴, maka Simpson biasanya jauh lebih tepat untuk nod yang sama.
Had terbitan kedua
M = sin 1 = 0.8415
Selesaikan untuk n
n² > 1·0.8415/(12·1 × 10⁻⁵) = 7012
n > 83.74 → n = 84
Jawapan
n = 84
8.Kaedah berangka
Jawapan: |E| = 0.0407
Penyelesaian berangka bagi y′ = f(t, y): kaedah Euler melangkah di sepanjang cerun pada permulaan setiap langkah: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Kaedah Heun (Euler yang dipertingkat) mengambil purata cerun pada permulaan dan pada ramalan Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Kaedah Runge–Kutta klasik (RK4) menggabungkan empat cerun: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Ralat global Euler berkadar dengan h, Heun dengan h², RK4 dengan h⁴.
Langkah Euler
y4 = 1.172363
Nilai tepat
y(1) = 1.213061
Ralat global
|E| = |1.213061 − 1.172363| = 0.0407
Graf
Jawapan
|E| = 0.0407
Membahagi dua h kira-kira membahagi dua ralat kaedah Euler.