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
Filiżankę kawy o temperaturze 85 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 20 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,03 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 28 min.
T0 = 85 °CTa = 20 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 28 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 4y′ + 29y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(1); kąty w radianach.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁3 x·ln x dx.
∫₁3 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 9 − x² a osią x.
y = 9 − x²
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x3·e2x. Wyznacz f′(1,5).
f(x) = x3·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 6x2 + 9x. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 + 6x2 + 9x
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫02 x³ dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [0, 2]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,0001.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Rozwiąż y′ = 1,5y, y(0) = −1 metodą Eulera z krokiem h = 0,5 aż do t = 2. Rozwiązanie dokładne to y = y₀e1,5t. Znajdź błąd globalny |E| = |y(2) − y4|.
y′ = 1,5yy(0) = −1h = 0,5
|E| =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: T = 48,06 °C
Równania różniczkowe pierwszego rzędu: dy/dt = k·y ma rozwiązanie y = y₀·ekt (wzrost dla k > 0, zanik dla k < 0); okres połowicznego rozpadu T daje k = ln 2/T. Prawo stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ), daje T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Równanie liniowe y′ + p(x)·y = q(x) rozwiązuje się czynnikiem całkującym μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, więc μy = ∫μq dx + C.
Rozwiązanie prawa stygnięcia
T(t) = 20 + 65·e−0,03t
Podstaw t
T(28) = 20 + 65·0,4317 = 48,06 °C
Odpowiedź
T = 48,06 °C
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = −0,06761
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 zespolone
r = −2 ± 5j
Stałe
A = 5, B = 2·5/5 = 2
Oblicz
y(1) = e−2(5·cos 5 + 2·sin 5) = −0,06761
Odpowiedź
y(1) = −0,06761
3.Całki
Odpowiedź: I = 2,944
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.
Wybierz u i dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Funkcja pierwotna
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Granice
(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944
Odpowiedź
I = 2,944
4.Całki
Odpowiedź: A = 36
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.
Miejsca zerowe
9 − x² = 0 → x = ±3
Całkuj
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Odpowiedź
A = 36
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1.5) = 271,2
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 iloczynu
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Podstaw
f′(1,5) = 20,09·(6,75 + 6,75) = 271,2
Odpowiedź
f′(1,5) = 271,2
6.Pochodne
Odpowiedź: x = −3
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 + 12x + 9 = 3·(x2 + 4x + 3)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −3 lub x = −1
Które jest które
f″(x) = 6x + 12: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−3) = −6, f″(−1) = 6
x = −3
Odpowiedź
x = −3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 283
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.
Oszacowanie drugiej pochodnej
M = 6·2 = 12
Wyznacz n
n² > 8·12/(12·0,0001) = 80000
n > 282,8 → n = 283
Odpowiedź
n = 283
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 10,71
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.