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″ + 2y′ + y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 0. Wyznacz y(1).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀π x·cos x dx (x w radianach).
∫₀π x·cos x dx
I =
4.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = 2x a parabolą y = 0,5x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = 2xy = 0,5x²
V =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·sin(3x), x w radianach. Wyznacz f′(2).
f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 3x2 − 9x. Wyznacz współrzędną x x minimum lokalnego.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01 eˣ dx wzorem trapezów, n = 2, i porównaj z dokładną wartością. Znajdź błąd bezwzględny |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,25 dla y′ = −2ty, y(0) = 0,5, aby oszacować y2 ≈ y(0,5).
y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,25
y2 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 1,472
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 + 1)² = 0 → r = −1
Stałe
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 0 + 2 = 2
Oblicz
y(1) = (2 + 2·1)·e−1 = 1,472
Odpowiedź
y(1) = 1,472
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 1,208
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 = 1, r = −1,5 ± 3j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −0,5
Szczyt
t = π/3 = 1,047
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/3) = 1,208
Odpowiedź
ymax = 1,208
3.Całki
Odpowiedź: I = −2
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 = cos x dx, v = sin x
Funkcja pierwotna
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Granice
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Odpowiedź
I = −2
4.Całki
Odpowiedź: V = 107,2
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
2x = 0,5x² → x = 0, x = 4
Metoda pierścieni
V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx
Całkuj
V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2
Odpowiedź
V = 107,2
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(2) = 5,482
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 i łańcuchowa
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Podstaw
f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482
Odpowiedź
f′(2) = 5,482
6.Pochodne
Odpowiedź: x = 1
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −3 lub x = 1
Które jest które
f″(x) = 6x + 6: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1
Odpowiedź
x = 1
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,03565
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 trapezów
T = (0,5/2)·(1 + 2·1,648721 + 2,718282) = 1,753931
Błąd
|E| = |1,753931 − 1,718282| = 0,03565
Odpowiedź
|E| = 0,03565
Błąd względny: 2,075%.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y2 = 0,3882
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.