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″ + 3y′ + 2y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = -4. Wyznacz y(0,5).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 3y′(0) = -4
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + 3y/x = 2x2 dla x > 0, z y(1) = 0. Wyznacz y(3).
y′ + 3y/x = 2x2y(1) = 0
y(3) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 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) = x·sin(2x), x w radianach. Wyznacz f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 5. Wyznacz współrzędną x x minimum lokalnego.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 5
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫01 sin x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [0, 1]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,0005.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 0,0005
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Rozwiąż y′ = −2ty, y(0) = −1 metodą Eulera z krokiem h = 0,2 aż do t = 0,6. Rozwiązanie dokładne to y = y₀e−t². Znajdź błąd globalny |E| = |y(0,6) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = −1h = 0,2
|E| =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 1,581
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 + 2) = 0 → r = −1, −2
Stałe z wartości początkowych
A + B = 3, −1A − 2B = -4
A = 2, B = 1
Oblicz
y(0,5) = 2·e−0,5 + 1·e−1 = 1,581
Odpowiedź
y(0,5) = 1,581
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(3) = 8,988
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.
Czynnik całkujący
μ = e∫3/x dx = x3
Całkuj
(x3y)′ = 2x5 → x3y = 2x6/6 + C
Warunek początkowy
0 = 2/6 + C → C = −0,3333
Oblicz
y(3) = (2·36/6 + (−0,3333))/33 = 8,988
Odpowiedź
y(3) = 8,988
3.Całki
Odpowiedź: I = 7,34
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
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Odpowiedź
I = 7,34
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) = 0,077
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 i łańcuchowa
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Podstaw
f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Odpowiedź
f′(1) = 0,077
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −3 lub x = 1
Które jest które
f″(x) = 6x + 6: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1
Odpowiedź
x = 1
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 12
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 = sin 1 = 0,8415
Wyznacz n
n² > 1·0,8415/(12·0,0005) = 140,2
n > 11,84 → n = 12
Odpowiedź
n = 12
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,07512
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.