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 89 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 20 °C. Po 18 min jej temperatura wynosi 40 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.
T0 = 89 °CTa = 20 °CT(18) = 40 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 4y′ + 8y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.
y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 1 − x² a osią x.
y = 1 − x²
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (2x − 3)4. Wyznacz f′(−1).
f(x) = (2x − 3)4x = −1
f′(−1) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = −x2 − 3x − 2 w x = 1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = −x2 − 3x − 2x = 1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫12 1/x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [1, 2]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 1 × 10⁻⁵.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,1 dla y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1, aby oszacować y2 ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y2 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: k = 0,0688 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−18k = 20/69
Wyznacz k
k = ln(69/20)/18 = 0,0688 min⁻¹
Odpowiedź
k = 0,0688 min⁻¹
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.75) = 0,4767
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 zespolone
r = −2 ± 2j
Stałe
A = 2, B = 2·2/2 = 2
Oblicz
y(0,75) = e−1,5(2·cos 1,5 + 2·sin 1,5) = 0,4767
Odpowiedź
y(0,75) = 0,4767
3.Całki
Odpowiedź: I = 0,6363
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
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Odpowiedź
I = 0,6363
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.
Miejsca zerowe
1 − x² = 0 → x = ±1
Całkuj
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Odpowiedź
A = 1,333
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(−1) = −1000
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) = 4·(2x − 3)3·2
Podstaw
f′(−1) = 4·(−5)3·2 = −1000
Odpowiedź
f′(−1) = −1000
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −1
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 − 3 → f′(1) = −5
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −6 − (−5)·1 = −1
Odpowiedź
b = −1
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 130
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 > 1·2/(12·1 × 10⁻⁵) = 16667
n > 129,1 → n = 130
Odpowiedź
n = 130
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y2 = 1,223
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.