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″ + 8y′ + 15y = 0 z y(0) = 4 i y′(0) = -2. Wyznacz y(0,5).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y′ + 3y = 2e−t z y(0) = 5. Wyznacz y(1).
y′ + 3y = 2e−ty(0) = 5
y(1) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = x a parabolą y = 0,5x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = xy = 0,5x²
V =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x2·e2x. Wyznacz f′(1,5).
f(x) = x2·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 √(1 + x³) dx wzorem Simpsona przy n = 2 paskach. Podaj S.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Metody numeryczneTrudny
Wykonaj jeden krok klasycznej metody Rungego–Kutty (RK4) z h = 0,1 dla y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Znajdź y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 1,598
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.
Pierwiastki charakterystyczne
(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Stałe z wartości początkowych
A + B = 4, −3A − 5B = -2
A = 9, B = −5
Oblicz
y(0,5) = 9·e−1,5 + (−5)·e−2,5 = 1,598
Odpowiedź
y(0,5) = 1,598
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 0,567
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 = e3t
(e3ty)′ = 2e2t
Rozwiązanie ogólne
y = 2/2·e−t + C·e−3t = 1·e−t + C·e−3t
Warunek początkowy
5 = 1 + C → C = 4
Oblicz
y(1) = 1·0,3679 + 4·0,04979 = 0,567
Odpowiedź
y(1) = 0,567
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: V = 3,351
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
1x = 0,5x² → x = 0, x = 2
Metoda pierścieni
V = π∫₀2 ((1x)² − (0,5x²)²) dx
Całkuj
V = π(1·2³/3 − 0,25·2⁵/5) = π·1,067 = 3,351
Odpowiedź
V = 3,351
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1.5) = 150,6
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·(2x + 2·x2)
Podstaw
f′(1,5) = 20,09·(3 + 4,5) = 150,6
Odpowiedź
f′(1,5) = 150,6
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 = −3 lub x = −2
Które jest które
f″(x) = 6x + 15: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3
Odpowiedź
x = −3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: S = 3,219
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 = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,414214 + 3 = 9,656854
Wzór Simpsona
S = (1/3)·9,656854 = 3,219
Odpowiedź
S = 3,219
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y1 = 0,5267
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.