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″ + 8y′ + 15y = 0 z y(0) = 1 i y′(0) = -2. Wyznacz y(0,5).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + y′ + 4,25y = 21,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + y′ + 4,25y = 21,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Obszar pod krzywą y = √(x) od x = 0 do x = 1 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x3·e0,5x. Wyznacz f′(1).
f(x) = x3·e0,5xx = 1
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 2x2 − 3 w x = 3 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 2x2 − 3x = 3
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 1/√(1 + x⁴) dx wzorem Simpsona przy n = 4 paskach. Podaj S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,1 dla y′ = t² + y², y(0) = 0,5, aby oszacować y4 ≈ y(0,4).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y4 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 0,2937
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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Stałe z wartości początkowych
A + B = 1, −3A − 5B = -2
A = 1,5, B = −0,5
Oblicz
y(0,5) = 1,5·e−1,5 + (−0,5)·e−2,5 = 0,2937
Odpowiedź
y(0,5) = 0,2937
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 7,28
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 = 5, r = −0,5 ± 2j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −1,25
Szczyt
t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−0,5·π/2) = 7,28
Odpowiedź
ymax = 7,28
3.Całki
Odpowiedź: V = 1,571
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 x dx
Całkuj
V = π·1·1²/2 = 1,571
Odpowiedź
V = 1,571
4.Całki
Odpowiedź: I = 98,43
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.
Pierwsza runda
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Druga runda
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Granice
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Odpowiedź
I = 98,43
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1) = 5,771
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′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)
Podstaw
f′(1) = 1,649·(3 + 0,5) = 5,771
Odpowiedź
f′(1) = 5,771
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −21
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(3) = 15
f′(x) = 4x → f′(3) = 12
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 15 − 12·3 = −21
Odpowiedź
b = −21
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: S = 1,36
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: y4 = 0,6318
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.