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 340 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 25 °C. Po 52 min jej temperatura wynosi 212 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 90 °C?
T0 = 340 °CTa = 25 °CT(52) = 212 °CT = 90 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 3y′ + 27,25y = 0 z y(0) = 10 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,5); kąty w radianach.
y″ + 3y′ + 27,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.5) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 1 − x² a osią x.
y = 1 − x²
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = (2x + 5)5. Wyznacz f′(−1).
f(x) = (2x + 5)5x = −1
f′(−1) =
6.PochodneTrudny
Dana jest funkcja f(x) = x3 + 4,5x2 + 6x + 2. Wyznacz współrzędną x x maksimum lokalnego.
f(x) = x3 + 4,5x2 + 6x + 2
x =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫02 e−x² dx wzorem trapezów przy n = 5 paskach. Podaj T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 5
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,1 dla y′ = cos t − y, y(0) = 3, aby oszacować y3 ≈ y(0,3).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,1
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: t = 157,4 min
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.
Stała stygnięcia
k = ln(315/187)/52 = 0,01003 min⁻¹
Czas do osiągnięcia celu
t = ln(315/65)/0,01003 = 157,4 min
Odpowiedź
t = 157,4 min
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = −2,936
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 = −1,5 ± 5j
Stałe
A = 10, B = 1,5·10/5 = 3
Oblicz
y(0,5) = e−0,75(10·cos 2,5 + 3·sin 2,5) = −2,936
Odpowiedź
y(0,5) = −2,936
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 = 1,333
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
1 − x² = 0 → x = ±1
Całkuj
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Odpowiedź
A = 1,333
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(−1) = 810
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) = 5·(2x + 5)4·2
Podstaw
f′(−1) = 5·34·2 = 810
Odpowiedź
f′(−1) = 810
6.Pochodne
Odpowiedź: x = −2
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 + 6 = 3·(x2 + 3x + 2)
Rozwiąż f′(x) = 0
x = −2 lub x = −1
Które jest które
f″(x) = 6x + 9: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.
f″(−2) = −3, f″(−1) = 3
x = −2
Odpowiedź
x = −2
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 0,8811
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.
Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 2,478
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.