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 92 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 23 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,12 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 23 min.
T0 = 92 °CTa = 23 °Ck = 0,12 min⁻¹t = 23 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 4y′ + 20y = 200 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 4y′ + 20y = 200y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 4 − x² a osią x.
y = 4 − x²
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·sin(x), x w radianach. Wyznacz f′(0,5).
f(x) = x·sin(x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = −x2 − 4 w x = −1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = −x2 − 4x = −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
Wykonaj jeden krok klasycznej metody Rungego–Kutty (RK4) z h = 0,1 dla y′ = e−ty, y(0) = 0. Znajdź y₁ ≈ y(0,1).
y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,1
y1 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: T = 27,37 °C
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.
Rozwiązanie prawa stygnięcia
T(t) = 23 + 69·e−0,12t
Podstaw t
T(23) = 23 + 69·0,06329 = 27,37 °C
Odpowiedź
T = 27,37 °C
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 12,08
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 = 10, r = −2 ± 4j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −5
Szczyt
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−2·π/4) = 12,08
Odpowiedź
ymax = 12,08
3.Całki
Odpowiedź: I = 7,34
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
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Odpowiedź
I = 7,34
4.Całki
Odpowiedź: A = 10,67
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.
Miejsca zerowe
4 − x² = 0 → x = ±2
Całkuj
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Odpowiedź
A = 10,67
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(0.5) = 0,9182
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 i łańcuchowa
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Podstaw
f′(0,5) = 0,4794 + 0,5·0,8776 = 0,9182
Odpowiedź
f′(0,5) = 0,9182
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −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.
Punkt i nachylenie
f(−1) = −5
f′(x) = −2x → f′(−1) = 2
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −5 − 2·(−1) = −3
Odpowiedź
b = −3
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: y1 = 0,09967
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.