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
Puszkę napoju o temperaturze 6 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 29 °C. Po 29 min jej temperatura wynosi 24 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 17 °C?
T0 = 6 °CTa = 29 °CT(29) = 24 °CT = 17 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫15 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 5]
I =
4.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = 6x a parabolą y = 2x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = 6xy = 2x²
V =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x3·e2x. Wyznacz f′(2).
f(x) = x3·e2xx = 2
f′(2) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 2x2 − 5x − 5 w x = 1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 2x2 − 5x − 5x = 1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 x³ dx wzorem trapezów, n = 2, i porównaj z dokładną wartością. Znajdź błąd bezwzględny |E| = |T − I|.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Metody numeryczneTrudny
Wykonaj jeden krok klasycznej metody Rungego–Kutty (RK4) z h = 0,1 dla y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Znajdź y₁ ≈ y(0,1).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: t = 12,36 min
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.
Stała stygnięcia
k = ln(-23/-5)/29 = 0,05262 min⁻¹
Czas do osiągnięcia celu
t = ln(-23/(−12))/0,05262 = 12,36 min
Odpowiedź
t = 12,36 min
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 2,19
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 = 2, r = −1,5 ± 2j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −1,5
Szczyt
t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/2) = 2,19
Odpowiedź
ymax = 2,19
3.Całki
Odpowiedź: I = 4,828
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.
Funkcja pierwotna
F(x) = 3·ln x
Podstaw granice
I = 3·(ln 5 − ln 1) = 3·ln 5 = 4,828
Odpowiedź
I = 4,828
4.Całki
Odpowiedź: V = 407,2
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.
Punkty przecięcia
6x = 2x² → x = 0, x = 3
Metoda pierścieni
V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx
Całkuj
V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2
Odpowiedź
V = 407,2
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(2) = 1529
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·(3x2 + 2·x3)
Podstaw
f′(2) = 54,6·(12 + 16) = 1529
Odpowiedź
f′(2) = 1529
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −7
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) = −8
f′(x) = 4x − 5 → f′(1) = −1
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −8 − (−1)·1 = −7
Odpowiedź
b = −7
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 1
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 = 4
Wzór trapezów
T = (1/2)·(0 + 2·1 + 8) = 5
Błąd
|E| = |5 − 4| = 1
Odpowiedź
|E| = 1
Błąd względny: 25%.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y1 = 1,105
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.