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′ + 9y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = 0. Wyznacz y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Zbiornik zawiera 200 L wody, w której rozpuszczono 20 kg soli. Solanka zawierająca 0,2 kg soli na litr wpływa z natężeniem 5 L/min, a dobrze wymieszany roztwór wypływa z tym samym natężeniem. Ile soli m jest w zbiorniku po 20 min?
V = 200 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln 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) = ln(x2 + 4). Wyznacz f′(3).
f(x) = ln(x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 3. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 3
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 1/√(1 + x⁴) dx wzorem trapezów przy n = 2 paskach. Podaj T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 2
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Wykonaj jeden krok klasycznej metody Rungego–Kutty (RK4) z h = 0,2 dla y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Znajdź y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1.5) = 0,1833
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.
Pierwiastek podwójny
(r + 3)² = 0 → r = −3
Stałe
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 9 = 9
Oblicz
y(1,5) = (3 + 9·1,5)·e−4,5 = 0,1833
Odpowiedź
y(1,5) = 0,1833
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: m = 27,87 kg
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.
Ułóż równanie
dm/dt = 5·0,2 − (5/200)·m = 1 − 0,025·m
Rozwiąż
Czynnik całkujący to ert/V; rozwiązanie dąży do stanu równowagi c·V.
m(t) = 40 + (−20)·e−t/40
Podstaw t
m(20) = 40 + (−20)·0,6065 = 27,87 kg
Odpowiedź
m = 27,87 kg
3.Całki
Odpowiedź: I = 23,5
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Odpowiedź
I = 23,5
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′(3) = 0,4615
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 dla logarytmu
f′(x) = 2x/(x2 + 4)
Podstaw
f′(3) = 6/13 = 0,4615
Odpowiedź
f′(3) = 0,4615
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = 3 lub x = 7
Które jest które
f″(x) = 6x − 30: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3
Odpowiedź
x = 3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 1,328
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.
Węzły i wartości
h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,707107 + 0,242536 = 2,656749
Wzór trapezów
T = (1/2)·2,656749 = 1,328
Odpowiedź
T = 1,328
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y1 = 0,7128
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.