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) = 5 i y′(0) = 4. Wyznacz y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 5x2 dla x > 0, z y(1) = 0. Wyznacz y(2).
y′ + y/x = 5x2y(1) = 0
y(2) =
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 = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (−2x + 1)5. Wyznacz f′(0).
f(x) = (−2x + 1)5x = 0
f′(0) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = x2 + 2x − 4 w x = 2 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = x2 + 2x − 4x = 2
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫13 1/x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [1, 3]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,0001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 0,0001
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Rozwiąż y′ = y(2 − y), y(0) = 1 metodą Eulera z krokiem h = 0,1 aż do t = 0,4. Rozwiązanie dokładne to y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Znajdź błąd globalny |E| = |y(0,4) − y4|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,1
|E| =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 3,235
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) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 4 + 15 = 19
Oblicz
y(0,5) = (5 + 19·0,5)·e−1,5 = 3,235
Odpowiedź
y(0,5) = 3,235
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 9,375
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∫1/x dx = x1
Całkuj
(x1y)′ = 5x3 → x1y = 5x4/4 + C
Warunek początkowy
0 = 5/4 + C → C = −1,25
Oblicz
y(2) = (5·24/4 + (−1,25))/21 = 9,375
Odpowiedź
y(2) = 9,375
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 = 1,333
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 = 2x → x = 0, x = 2
Całkuj górną minus dolną
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Odpowiedź
A = 1,333
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(0) = −10
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
f′(x) = 5·(−2x + 1)4·(−2)
Podstaw
f′(0) = 5·14·(−2) = −10
Odpowiedź
f′(0) = −10
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −8
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(2) = 4
f′(x) = 2x + 2 → f′(2) = 6
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − 6·2 = −8
Odpowiedź
b = −8
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 116
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 = 2/1³ = 2
Wyznacz n
n² > 8·2/(12·0,0001) = 13333
n > 115,5 → n = 116
Odpowiedź
n = 116
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,006386
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.