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 87 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 19 °C. Po 26 min jej temperatura wynosi 24 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 21 °C?
T0 = 87 °CTa = 19 °CT(26) = 24 °CT = 21 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 18,25y = 91,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(0,25); kąty w radianach.
y″ + 3y′ + 18,25y = 91,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.CałkiŚredni
Obszar pod krzywą y = √(4x) od x = 0 do x = 1 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 0,5x2 i y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x3·e−0,5x. Wyznacz f′(0,5).
f(x) = x3·e−0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = −x2 + x + 6 w x = 1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = −x2 + x + 6x = 1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Prędkość pojazdu mierzono co 1 s (tabela). Oszacuj drogę s przebytą od t = 0 do t = 5 s wzorem trapezów.
h = 1 sn = 5
s = m
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,1 dla y′ = −y, y(0) = −1, aby oszacować y5 ≈ y(0,5).
y′ = −yy(0) = −1h = 0,1
y5 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: t = 35,13 min
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.
Stała stygnięcia
k = ln(68/5)/26 = 0,1004 min⁻¹
Czas do osiągnięcia celu
t = ln(68/2)/0,1004 = 35,13 min
Odpowiedź
t = 35,13 min
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.25) = 2,059
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.
Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.
Metoda dysków
V = π∫₀1 4x dx
Całkuj
V = π·4·1²/2 = 6,283
Odpowiedź
V = 6,283
4.Całki
Odpowiedź: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Całkuj górną minus dolną
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Odpowiedź
A = 42,67
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(0.5) = 0,5354
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′ = e−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)
Podstaw
f′(0,5) = 0,7788·(0,75 + (−0,0625)) = 0,5354
Odpowiedź
f′(0,5) = 0,5354
6.Pochodne
Odpowiedź: b = 7
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.
Punkt i nachylenie
f(1) = 6
f′(x) = −2x + 1 → f′(1) = −1
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − (−1)·1 = 7
Odpowiedź
b = 7
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: s = 45 m
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.
Suma ważona
9 + 2·7 + 2·10 + 2·10 + 2·8 + 11 = 90
Wzór trapezów
s = (1/2)·90 = 45 m
Odpowiedź
s = 45 m
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y5 = −0,5905
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.