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 420 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 20 °C. Po 16 min jej temperatura wynosi 231 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.
T0 = 420 °CTa = 20 °CT(16) = 231 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 3y′ + 11,25y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(1,5); kąty w radianach.
y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫12 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 2]
I =
4.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = 3x a parabolą y = 3x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = 3xy = 3x²
V =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x2·e0,5x. Wyznacz f′(1,5).
f(x) = x2·e0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 2x2 − 2x − 6 w x = −1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 2x2 − 2x − 6x = −1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Prędkość pojazdu mierzono co 5 s (tabela). Oszacuj drogę s przebytą od t = 0 do t = 20 s wzorem Simpsona.
h = 5 sn = 4
s = m
8.Metody numeryczneTrudny
Rozwiąż y′ = t + y, y(0) = 1 metodą Eulera z krokiem h = 0,2 aż do t = 0,6. Rozwiązanie dokładne to y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Znajdź błąd globalny |E| = |y(0,6) − y3|.
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: k = 0,03998 min⁻¹
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.
Stosunek różnic temperatur
e−16k = 211/400
Wyznacz k
k = ln(400/211)/16 = 0,03998 min⁻¹
Odpowiedź
k = 0,03998 min⁻¹
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1.5) = −0,2212
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.
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.
Funkcja pierwotna
F(x) = 3·ln x
Podstaw granice
I = 3·(ln 2 − ln 1) = 3·ln 2 = 2,079
Odpowiedź
I = 2,079
4.Całki
Odpowiedź: V = 3,77
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
3x = 3x² → x = 0, x = 1
Metoda pierścieni
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Całkuj
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Odpowiedź
V = 3,77
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1.5) = 8,733
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′ = e0,5x·(2x + 0,5·x2)
Podstaw
f′(1,5) = 2,117·(3 + 1,125) = 8,733
Odpowiedź
f′(1,5) = 8,733
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −8
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) = −2
f′(x) = 4x − 2 → f′(−1) = −6
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − (−6)·(−1) = −8
Odpowiedź
b = −8
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: s = 90 m
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.
Suma ważona
1 + 4·2 + 2·3 + 4·7 + 11 = 54
Wzór Simpsona
s = (5/3)·54 = 90 m
Odpowiedź
s = 90 m
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,1882
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.