Dla pierwiastka: sprawdź zmianę znaku dla bisekcji albo oblicz f i f′ dla Newtona i zachowaj sześć lub więcej cyfr w tabeli iteracji.
Dla wartości z tabeli: interpoluj liniowo między dwoma sąsiednimi punktami.
Dla całki: znajdź h = (b − a)/n, wypisz f w każdym węźle, zastosuj wagi (1, 2, …, 2, 1 dla trapezów; 1, 4, 2, …, 4, 1 dla Simpsona przy parzystym n) i pomnóż przez h/2 lub h/3.
Dla równania różniczkowego: idź krok po kroku od t₀ według yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) lub uśrednionego nachylenia (Heun), po jednym wierszu na krok, aż dojdziesz do żądanego t.
2Zadania do ćwiczenia
1.Równania różniczkoweŚredni
Rozwiąż y″ + 6y′ + 5y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = -2. Wyznacz y(0,5).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.
y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫02 ex dx.
f(x) = ex[0, 2]
I =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (−2x + 5)4. Wyznacz f′(−1).
f(x) = (−2x + 5)4x = −1
f′(−1) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 4,5x2 + 6x + 3. Wyznacz współrzędną x x minimum lokalnego.
f(x) = x3 + 4,5x2 + 6x + 3
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01 1/√(1 + x⁴) dx wzorem trapezów przy n = 4 paskach. Podaj T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,25 dla y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5, aby oszacować y3 ≈ y(0,75).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 3,426
Liniowe równania drugiego rzędu: dla y″ + b·y′ + c·y = 0 spróbuj y = ert: otrzymasz równanie charakterystyczne r² + b·r + c = 0. Dwa różne pierwiastki rzeczywiste r₁ ≠ r₂ dają y = A·er₁t + B·er₂t (tłumienie nadkrytyczne); pierwiastek podwójny r daje y = (A + Bt)·ert (tłumienie krytyczne); pierwiastki zespolone −α ± jω dają y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (tłumienie podkrytyczne, drgania). Wartości początkowe y(0) i y′(0) wyznaczają A i B. Zapisane jako y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn jest częstością drgań własnych, a ζ współczynnikiem tłumienia: dla ζ < 1 występują drgania. Przy stałym wymuszeniu y″ + by′ + cy = c·K rozwiązaniem jest wartość ustalona K plus odpowiedź swobodna.
Pierwiastki charakterystyczne
(r + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Stałe z wartości początkowych
A + B = 5, −1A − 5B = -2
A = 5,75, B = −0,75
Oblicz
y(0,5) = 5,75·e−0,5 + (−0,75)·e−2,5 = 3,426
Odpowiedź
y(0,5) = 3,426
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.75) = 3,671
Liniowe równania drugiego rzędu: dla y″ + b·y′ + c·y = 0 spróbuj y = ert: otrzymasz równanie charakterystyczne r² + b·r + c = 0. Dwa różne pierwiastki rzeczywiste r₁ ≠ r₂ dają y = A·er₁t + B·er₂t (tłumienie nadkrytyczne); pierwiastek podwójny r daje y = (A + Bt)·ert (tłumienie krytyczne); pierwiastki zespolone −α ± jω dają y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (tłumienie podkrytyczne, drgania). Wartości początkowe y(0) i y′(0) wyznaczają A i B. Zapisane jako y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn jest częstością drgań własnych, a ζ współczynnikiem tłumienia: dla ζ < 1 występują drgania. Przy stałym wymuszeniu y″ + by′ + cy = c·K rozwiązaniem jest wartość ustalona K plus odpowiedź swobodna.
Całki oznaczone: ∫ₐᵇ f(x) dx to pole ze znakiem między wykresem a osią x od a do b. Znajdź funkcję pierwotną F (F′ = f) i oblicz F(b) − F(a). Reguła potęgowa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Pole między dwiema krzywymi to ∫(górna − dolna) dx.
Funkcja pierwotna
F(x) = ex/1
Podstaw granice
I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389
Odpowiedź
I = 6,389
4.Całki
Odpowiedź: I = 3,602
Całkowanie przez części: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, co wynika z reguły różniczkowania iloczynu. Za u wybierz czynnik, który po zróżniczkowaniu staje się prostszy (potęga x lub ln x), a za dv czynnik, który umiesz scałkować (eˣ, sin x, cos x albo x, gdy u = ln x). Dla całki oznaczonej oblicz u·v na obu granicach: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Czynnik x² wymaga dwóch rund.
Pierwsza runda
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Druga runda
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Granice
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Odpowiedź
I = 3,602
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(−1) = −2744
Różniczkowanie: pochodna f′(x) to nachylenie wykresu w punkcie x. Reguła potęgowa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Reguła iloczynu: (uv)′ = u′v + uv′. Reguła łańcuchowa: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Gdzie f′(x) = 0, wykres ma poziomą styczną: maksimum, minimum albo punkt siodłowy.
Reguła łańcuchowa
f′(x) = 4·(−2x + 5)3·(−2)
Podstaw
f′(−1) = 4·73·(−2) = −2744
Odpowiedź
f′(−1) = −2744
6.Pochodne
Odpowiedź: x = −1
Różniczkowanie: pochodna f′(x) to nachylenie wykresu w punkcie x. Reguła potęgowa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Reguła iloczynu: (uv)′ = u′v + uv′. Reguła łańcuchowa: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Gdzie f′(x) = 0, wykres ma poziomą styczną: maksimum, minimum albo punkt siodłowy.
Pochodna
f′(x) = 3x2 + 9x + 6 = 3·(x2 + 3x + 2)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −2 lub x = −1
Które jest które
f″(x) = 6x + 9: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−2) = −3, f″(−1) = 3
x = −1
Odpowiedź
x = −1
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 0,9233
Całkowanie numeryczne: podziel [a, b] na n pasków o szerokości h = (b − a)/n z węzłami x₀ … xₙ. Wzór trapezów: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Wzór Simpsona (n parzyste): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Błąd wzoru trapezów maleje jak h² (oszacowanie (b − a)h²·M/12, gdzie M = max|f″|), a wzoru Simpsona jak h⁴, więc Simpson jest zwykle znacznie dokładniejszy przy tych samych węzłach.
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 1,422
Numeryczne rozwiązywanie y′ = f(t, y): metoda Eulera idzie wzdłuż nachylenia na początku każdego kroku: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Metoda Heuna (ulepszona metoda Eulera) uśrednia nachylenie na początku i w przewidywaniu Eulera: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Klasyczna metoda Rungego–Kutty (RK4) łączy cztery nachylenia: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Błąd globalny metody Eulera jest proporcjonalny do h, metody Heuna do h², a RK4 do h⁴.