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) = 2 i y′(0) = -2. Wyznacz y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(2) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 6 dla x > 0, z y(1) = 3. Wyznacz y(2).
y′ + y/x = 6y(1) = 3
y(2) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀π x·sin x dx (x w radianach).
∫₀π x·sin x dx
I =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·e2x. Wyznacz f′(2).
f(x) = x·e2xx = 2
f′(2) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 9x2 + 24x − 2. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 + 9x2 + 24x − 2
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫02 sin x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [0, 2]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,001.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,2 dla y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5, aby oszacować y2 ≈ y(0,4).
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 0,02479
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) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 6 = 4
Oblicz
y(2) = (2 + 4·2)·e−6 = 0,02479
Odpowiedź
y(2) = 0,02479
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 6
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)′ = 6x → x1y = 6x2/2 + C
Warunek początkowy
3 = 6/2 + C → C = 0
Oblicz
y(2) = (6·22/2 + 0)/21 = 6
Odpowiedź
y(2) = 6
3.Całki
Odpowiedź: I = 3,142
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Funkcja pierwotna
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Granice
(−π·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142
Odpowiedź
I = 3,142
4.Całki
Odpowiedź: I = 0,0609
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
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Odpowiedź
I = 0,0609
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(2) = 273
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′ = e2x·(1 + 2·x)
Podstaw
f′(2) = 54,6·(1 + 4) = 273
Odpowiedź
f′(2) = 273
6.Pochodne
Odpowiedź: x = −4
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 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −4 lub x = −2
Które jest które
f″(x) = 6x + 18: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −4
Odpowiedź
x = −4
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 26
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 = |sin(π/2)| = 1
Wyznacz n
n² > 8·1/(12·0,001) = 666,7
n > 25,82 → n = 26
Odpowiedź
n = 26
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y2 = 0,8488
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.