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″ + 7y′ + 12y = 0 z y(0) = 4 i y′(0) = 0. Wyznacz y(1).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = 0
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 2y′ + 17y = 0 z y(0) = 10 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,25); kąty w radianach.
y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (2x + 5)4. Wyznacz f′(2).
f(x) = (2x + 5)4x = 2
f′(2) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 4,5x2 + 2. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 + 4,5x2 + 2
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01 1/√(1 + x⁴) dx wzorem Simpsona przy n = 2 paskach. Podaj S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,1 dla y′ = t − y, y(0) = 0,5, aby oszacować y3 ≈ y(0,3).
y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,1
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 0,5768
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Stałe z wartości początkowych
A + B = 4, −3A − 4B = 0
A = 16, B = −12
Oblicz
y(1) = 16·e−3 + (−12)·e−4 = 0,5768
Odpowiedź
y(1) = 0,5768
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.25) = 5,846
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 zespolone
r = −1 ± 4j
Stałe
A = 10, B = 1·10/4 = 2,5
Oblicz
y(0,25) = e−0,25(10·cos 1 + 2,5·sin 1) = 5,846
Odpowiedź
y(0,25) = 5,846
3.Całki
Odpowiedź: I = 1,5
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.
Podstawienie
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du
Scałkuj i podstaw granice
I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5
Odpowiedź
I = 1,5
4.Całki
Odpowiedź: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Odpowiedź
I = 12,78
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(2) = 5832
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) = 4·(2x + 5)3·2
Podstaw
f′(2) = 4·93·2 = 5832
Odpowiedź
f′(2) = 5832
6.Pochodne
Odpowiedź: x = −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.
Pochodna
f′(x) = 3x2 + 9x = 3·(x2 + 3x)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −3 lub x = 0
Które jest które
f″(x) = 6x + 9: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−3) = −9, f″(0) = 9
x = −3
Odpowiedź
x = −3
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: S = 0,9313
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 = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,970143 + 0,707107 = 5,587677
Wzór Simpsona
S = (0,5/3)·5,587677 = 0,9313
Odpowiedź
S = 0,9313
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 0,3935
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.