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
Odkuwkę stalową o temperaturze 300 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 25 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,03 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 51 min.
T0 = 300 °CTa = 25 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 51 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + y′ + 4,25y = 8,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(1); kąty w radianach.
y″ + y′ + 4,25y = 8,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀1 x·cos x dx (x w radianach).
∫₀1 x·cos x dx
I =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·e−x. Wyznacz f′(1,5).
f(x) = x·e−xx = 1,5
f′(1.5) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = −x2 + x + 5 w x = 1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = −x2 + x + 5x = 1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01,5 1/(1 + x³) dx wzorem trapezów przy n = 4 paskach. Podaj T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,25 dla y′ = 0,5y, y(0) = 2, aby oszacować y5 ≈ y(1,25).
y′ = 0,5yy(0) = 2h = 0,25
y5 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: T = 84,55 °C
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.
Rozwiązanie prawa stygnięcia
T(t) = 25 + 275·e−0,03t
Podstaw t
T(51) = 25 + 275·0,2165 = 84,55 °C
Odpowiedź
T = 84,55 °C
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 2,229
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 = −0,5 ± 2j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −0,5
Oblicz
y(1) = 2·(1 − e−0,5(cos 2 + 0,25·sin 2)) = 2,229
Odpowiedź
y(1) = 2,229
3.Całki
Odpowiedź: I = 0,3818
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
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Odpowiedź
I = 0,3818
4.Całki
Odpowiedź: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Odpowiedź
I = 37,59
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1.5) = −0,1116
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′ = e−x·(1 + (−1)·x)
Podstaw
f′(1,5) = 0,2231·(1 + (−1,5)) = −0,1116
Odpowiedź
f′(1,5) = −0,1116
6.Pochodne
Odpowiedź: b = 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.
Punkt i nachylenie
f(1) = 5
f′(x) = −2x + 1 → f′(1) = −1
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − (−1)·1 = 6
Odpowiedź
b = 6
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 1,005
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.
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y5 = 3,604
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.