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″ + 4y′ + 4y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 4. Wyznacz y(1,5).
Dana jest funkcja f(x) = x3·e0,5x. Wyznacz f′(1,5).
f(x) = x3·e0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 1. Wyznacz współrzędną x x minimum lokalnego.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 1
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01 √(1 + x³) dx wzorem Simpsona przy n = 2 paskach. Podaj S.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
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: y(1.5) = 0,697
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 + 2)² = 0 → r = −2
Stałe
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 4 = 8
Oblicz
y(1,5) = (2 + 8·1,5)·e−3 = 0,697
Odpowiedź
y(1,5) = 0,697
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1.5) = 1,84
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 = e2t
(e2ty)′ = 6e1,5t
Rozwiązanie ogólne
y = 6/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 4·e−0,5t + C·e−2t
Warunek początkowy
3 = 4 + C → C = −1
Oblicz
y(1,5) = 4·0,4724 + (−1)·0,04979 = 1,84
Odpowiedź
y(1,5) = 1,84
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: 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′(1.5) = 17,86
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′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)
Podstaw
f′(1,5) = 2,117·(6,75 + 1,688) = 17,86
Odpowiedź
f′(1,5) = 17,86
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 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = 2 lub x = 3
Które jest które
f″(x) = 6x − 15: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 3
Odpowiedź
x = 3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: S = 1,109
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.
Węzły i wartości
h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,06066 + 1,414214 = 6,656854
Wzór Simpsona
S = (0,5/3)·6,656854 = 1,109
Odpowiedź
S = 1,109
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
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.