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 3 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 26 °C. Po 13 min jej temperatura wynosi 14 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 6 °C?
T0 = 3 °CTa = 26 °CT(13) = 14 °CT = 6 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 2y′ + 5y = 25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 2y′ + 5y = 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
Oblicz I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = ln(2x2 + 4). Wyznacz f′(2).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = 2
f′(2) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 3x2 − 3x + 6 w x = −1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 3x2 − 3x + 6x = −1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫12 1/x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [1, 2]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,001
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,5 dla y′ = cos t − y, y(0) = 2, aby oszacować y3 ≈ y(1,5).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,5
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: t = 2,793 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/-12)/13 = 0,05005 min⁻¹
Czas do osiągnięcia celu
t = ln(-23/(−20))/0,05005 = 2,793 min
Odpowiedź
t = 2,793 min
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 6,039
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 = 5, r = −1 ± 2j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −2,5
Szczyt
t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−1·π/2) = 6,039
Odpowiedź
ymax = 6,039
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: 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′(2) = 0,6667
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 łańcuchowa dla logarytmu
f′(x) = 4x/(2x2 + 4)
Podstaw
f′(2) = 8/12 = 0,6667
Odpowiedź
f′(2) = 0,6667
6.Pochodne
Odpowiedź: b = 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.
Punkt i nachylenie
f(−1) = 12
f′(x) = 6x − 3 → f′(−1) = −9
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − (−9)·(−1) = 3
Odpowiedź
b = 3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 13
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.
Oszacowanie drugiej pochodnej
M = 2/1³ = 2
Wyznacz n
n² > 1·2/(12·0,001) = 166,7
n > 12,91 → n = 13
Odpowiedź
n = 13
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 0,861
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.