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
Odkuwkę stalową o temperaturze 360 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 29 °C. Po 37 min jej temperatura wynosi 104 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.
T0 = 360 °CTa = 29 °CT(37) = 104 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + y′ + 25,25y = 50,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + y′ + 25,25y = 50,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x w radianach).
∫₀π/3 x·sin x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = x2 i y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·sin(x), x w radianach. Wyznacz f′(1,5).
f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 2. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 2
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx wzorem trapezów przy n = 6 paskach. Podaj T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,25 dla y′ = t + y, y(0) = 1, aby oszacować y3 ≈ y(0,75).
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,25
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: k = 0,04013 min⁻¹
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.
Stosunek różnic temperatur
e−37k = 75/331
Wyznacz k
k = ln(331/75)/37 = 0,04013 min⁻¹
Odpowiedź
k = 0,04013 min⁻¹
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 3,461
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.
Wartość ustalona i pierwiastki
yss = 2, r = −0,5 ± 5j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,2
Szczyt
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/5) = 3,461
Odpowiedź
ymax = 3,461
3.Całki
Odpowiedź: I = 0,3424
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Funkcja pierwotna
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Granice
(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424
Odpowiedź
I = 0,3424
4.Całki
Odpowiedź: A = 4,5
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.
Punkty przecięcia
x2 = 3x → x = 0, x = 3
Całkuj górną minus dolną
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Odpowiedź
A = 4,5
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1.5) = 1,104
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(x) + x·cos(x)
Podstaw
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Odpowiedź
f′(1,5) = 1,104
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 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −3 lub x = −2
Które jest które
f″(x) = 6x + 15: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3
Odpowiedź
x = −3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 1,197
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 = 2,156
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.