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 82 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 19 °C. Po 22 min jej temperatura wynosi 52 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.
T0 = 82 °CTa = 19 °CT(22) = 52 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + y′ + 16,25y = 162,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (4x − 1)3. Wyznacz f′(1).
f(x) = (4x − 1)3x = 1
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 4. Wyznacz współrzędną x x minimum lokalnego.
f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 4
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01 eˣ dx wzorem Simpsona, n = 2, i porównaj z dokładną wartością. Znajdź błąd bezwzględny |E| = |S − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,1 dla y′ = e−ty, y(0) = 1, aby oszacować y3 ≈ y(0,3).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: k = 0,02939 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−22k = 33/63
Wyznacz k
k = ln(63/33)/22 = 0,02939 min⁻¹
Odpowiedź
k = 0,02939 min⁻¹
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 16,75
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 = −0,5 ± 4j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25
Szczyt
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/4) = 16,75
Odpowiedź
ymax = 16,75
3.Całki
Odpowiedź: I = 3,75
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.
Podstawienie
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du
Scałkuj i podstaw granice
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Odpowiedź
I = 3,75
4.Całki
Odpowiedź: I = 0,7183
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
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Odpowiedź
I = 0,7183
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1) = 108
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) = 3·(4x − 1)2·4
Podstaw
f′(1) = 3·32·4 = 108
Odpowiedź
f′(1) = 108
6.Pochodne
Odpowiedź: x = 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.
Pochodna
f′(x) = 3x2 − 12x + 9 = 3·(x2 − 4x + 3)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = 1 lub x = 3
Które jest które
f″(x) = 6x − 12: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(1) = −6, f″(3) = 6
x = 3
Odpowiedź
x = 3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,0005793
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.
Wartość dokładna
I = 1,718282
Wzór Simpsona
S = (0,5/3)·(1 + 4·1,648721 + 2,718282) = 1,718861
Błąd
|E| = |1,718861 − 1,718282| = 0,0005793
Odpowiedź
|E| = 0,0005793
Błąd względny: 0,03372%.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 1,268
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.