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) = 3 i y′(0) = 2. Wyznacz y(1).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y′ + 3y = 5e−t z y(0) = 3. Wyznacz y(1).
y′ + 3y = 5e−ty(0) = 3
y(1) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 4 − x² a osią x.
y = 4 − x²
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·sin(2x), x w radianach. Wyznacz f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 4. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 4
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 eˣ dx wzorem trapezów, n = 2, i porównaj z dokładną wartością. Znajdź błąd bezwzględny |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,25 dla y′ = t − y, y(0) = 2, aby oszacować y3 ≈ y(0,75).
y′ = t − yy(0) = 2h = 0,25
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 1,489
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) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 6 = 8
Oblicz
y(1) = (3 + 8·1)·e−2 = 1,489
Odpowiedź
y(1) = 1,489
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 0,9446
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)′ = 5e2t
Rozwiązanie ogólne
y = 5/2·e−t + C·e−3t = 2,5·e−t + C·e−3t
Warunek początkowy
3 = 2,5 + C → C = 0,5
Oblicz
y(1) = 2,5·0,3679 + 0,5·0,04979 = 0,9446
Odpowiedź
y(1) = 0,9446
3.Całki
Odpowiedź: I = 23,5
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Odpowiedź
I = 23,5
4.Całki
Odpowiedź: A = 10,67
Całki oznaczone: ∫ₐᵇ f(x) dx to pole ze znakiem między wykresem a osią x od a do b. Znajdź funkcję pierwotną F (F′ = f) i oblicz F(b) − F(a). Reguła potęgowa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Pole między dwiema krzywymi to ∫(górna − dolna) dx.
Miejsca zerowe
4 − x² = 0 → x = ±2
Całkuj
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Odpowiedź
A = 10,67
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1) = 0,077
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(2x) + 2x·cos(2x)
Podstaw
f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Odpowiedź
f′(1) = 0,077
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 − 18x + 15 = 3·(x2 − 6x + 5)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = 1 lub x = 5
Które jest które
f″(x) = 6x − 18: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(1) = −12, f″(5) = 12
x = 1
Odpowiedź
x = 1
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,5238
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 = 6,389056
Wzór trapezów
T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281
Błąd
|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238
Odpowiedź
|E| = 0,5238
Błąd względny: 8,198%.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 1,181
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.