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) = 5 i y′(0) = 2. Wyznacz y(0,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 4y′ + 29y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,5); kąty w radianach.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.5) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫15 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 5]
I =
4.CałkiTrudny
Oblicz I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·sin(2x), x w radianach. Wyznacz f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 0,5x2 − 3x + 5 w x = 3 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 0,5x2 − 3x + 5x = 3
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫02 x³ dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [0, 2]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,001.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,2 dla y′ = 2y, y(0) = 0,5, aby oszacować y4 ≈ y(0,8).
y′ = 2yy(0) = 0,5h = 0,2
y4 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 2,608
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 = 5, −3A − 4B = 2
A = 22, B = −17
Oblicz
y(0,5) = 22·e−1,5 + (−17)·e−2 = 2,608
Odpowiedź
y(0,5) = 2,608
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = −0,62
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 = −2 ± 5j
Stałe
A = 3, B = 2·3/5 = 1,2
Oblicz
y(0,5) = e−1(3·cos 2,5 + 1,2·sin 2,5) = −0,62
Odpowiedź
y(0,5) = −0,62
3.Całki
Odpowiedź: I = 1,609
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) = ln x
Podstaw granice
I = (ln 5 − ln 1) = ln 5 = 1,609
Odpowiedź
I = 1,609
4.Całki
Odpowiedź: I = 98,43
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
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Odpowiedź
I = 98,43
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1) = 0,077
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 i łańcuchowa
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Podstaw
f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Odpowiedź
f′(1) = 0,077
6.Pochodne
Odpowiedź: b = 0,5
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(3) = 0,5
f′(x) = x − 3 → f′(3) = 0
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0,5 − 0·3 = 0,5
Odpowiedź
b = 0,5
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 90
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.
Oszacowanie drugiej pochodnej
M = 6·2 = 12
Wyznacz n
n² > 8·12/(12·0,001) = 8000
n > 89,44 → n = 90
Odpowiedź
n = 90
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y4 = 1,921
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.