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″ + 6y′ + 8y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 2. Wyznacz y(1).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + 2y/x = 6x dla x > 0, z y(1) = 2. Wyznacz y(2).
y′ + 2y/x = 6xy(1) = 2
y(2) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀1 x·sin x dx (x w radianach).
∫₀1 x·sin x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 9 − x² a osią x.
y = 9 − x²
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (2x + 3)3. Wyznacz f′(1).
f(x) = (2x + 3)3x = 1
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 3x2 + x + 2 w x = −1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 3x2 + x + 2x = −1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 √x·e−x dx wzorem trapezów przy n = 2 paskach. Podaj T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 2
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,2 dla y′ = t − y, y(0) = 1, aby oszacować y3 ≈ y(0,6).
y′ = t − yy(0) = 1h = 0,2
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 0,6217
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.
Pierwiastki charakterystyczne
(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Stałe z wartości początkowych
A + B = 2, −2A − 4B = 2
A = 5, B = −3
Oblicz
y(1) = 5·e−2 + (−3)·e−4 = 0,6217
Odpowiedź
y(1) = 0,6217
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 6,125
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 = e∫2/x dx = x2
Całkuj
(x2y)′ = 6x3 → x2y = 6x4/4 + C
Warunek początkowy
2 = 6/4 + C → C = 0,5
Oblicz
y(2) = (6·24/4 + 0,5)/22 = 6,125
Odpowiedź
y(2) = 6,125
3.Całki
Odpowiedź: I = 0,3012
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 = sin x dx, v = −cos x
Funkcja pierwotna
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Granice
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Odpowiedź
I = 0,3012
4.Całki
Odpowiedź: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Całkuj
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Odpowiedź
A = 36
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1) = 150
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
f′(x) = 3·(2x + 3)2·2
Podstaw
f′(1) = 3·52·2 = 150
Odpowiedź
f′(1) = 150
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −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.
Punkt i nachylenie
f(−1) = 4
f′(x) = 6x + 1 → f′(−1) = −5
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − (−5)·(−1) = −1
Odpowiedź
b = −1
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 0,4636
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.
Węzły i wartości
h = 1
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,367879 + 0,191393 = 0,927152
Wzór trapezów
T = (1/2)·0,927152 = 0,4636
Odpowiedź
T = 0,4636
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 0,624
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.