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″ + 8y′ + 16y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 4. Wyznacz y(2).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(2) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 5x dla x > 0, z y(1) = −3. Wyznacz y(2).
y′ + y/x = 5xy(1) = −3
y(2) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x w radianach).
∫₀π/3 x·cos x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 2x2 i y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = ln(2x2 + 4). Wyznacz f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = −1
f′(−1) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 0,5x2 + x − 3 w x = 2 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 0,5x2 + x − 3x = 2
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Prędkość pojazdu mierzono co 5 s (tabela). Oszacuj drogę s przebytą od t = 0 do t = 30 s wzorem Simpsona.
h = 5 sn = 6
s = m
8.Metody numeryczneTrudny
Rozwiąż y′ = y − t², y(0) = 2 metodą Eulera z krokiem h = 0,2 aż do t = 0,8. Rozwiązanie dokładne to y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Znajdź błąd globalny |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,2
|E| =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 0,008722
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 + 4)² = 0 → r = −4
Stałe
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = 4 + 8 = 12
Oblicz
y(2) = (2 + 12·2)·e−8 = 0,008722
Odpowiedź
y(2) = 0,008722
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 4,333
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∫1/x dx = x1
Całkuj
(x1y)′ = 5x2 → x1y = 5x3/3 + C
Warunek początkowy
−3 = 5/3 + C → C = −4,667
Oblicz
y(2) = (5·23/3 + (−4,667))/21 = 4,333
Odpowiedź
y(2) = 4,333
3.Całki
Odpowiedź: I = 0,4069
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/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069
Odpowiedź
I = 0,4069
4.Całki
Odpowiedź: A = 0,3333
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.
Punkty przecięcia
2x2 = 2x → x = 0, x = 1
Całkuj górną minus dolną
A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333
Odpowiedź
A = 0,3333
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(−1) = −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′(−1) = −4/6 = −0,6667
Odpowiedź
f′(−1) = −0,6667
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −5
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(2) = 1
f′(x) = x + 1 → f′(2) = 3
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − 3·2 = −5
Odpowiedź
b = −5
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: s = 258,3 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
7 + 4·8 + 2·6 + 4·4 + 2·10 + 4·14 + 12 = 155
Wzór Simpsona
s = (5/3)·155 = 258,3 m
Odpowiedź
s = 258,3 m
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,2147
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.