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 500 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 26 °C. Po 13 min jej temperatura wynosi 442 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.
T0 = 500 °CTa = 26 °CT(13) = 442 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 6,25y = 62,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(1); kąty w radianach.
y″ + 3y′ + 6,25y = 62,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀2 x·sin x dx (x w radianach).
∫₀2 x·sin 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) = x·sin(2x), x w radianach. Wyznacz f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 0,5x2 − x − 6 w x = −2 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 0,5x2 − x − 6x = −2
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Wzór trapezów stosuje się do ∫13 1/x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [1, 3]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 1 × 10⁻⁵.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,25 dla y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0, aby oszacować y3 ≈ y(0,75).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,25
y3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: k = 0,01004 min⁻¹
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.
Stosunek różnic temperatur
e−13k = 416/474
Wyznacz k
k = ln(474/416)/13 = 0,01004 min⁻¹
Odpowiedź
k = 0,01004 min⁻¹
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 9,407
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.
Wartość ustalona i pierwiastki
yss = 10, r = −1,5 ± 2j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −7,5
Oblicz
y(1) = 10·(1 − e−1,5(cos 2 + 0,75·sin 2)) = 9,407
Odpowiedź
y(1) = 9,407
3.Całki
Odpowiedź: I = 1,742
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
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
Odpowiedź
I = 1,742
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′(2) = −3,371
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′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Odpowiedź
f′(2) = −3,371
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −8
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) = −2
f′(x) = x − 1 → f′(−2) = −3
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − (−3)·(−2) = −8
Odpowiedź
b = −8
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: n = 366
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 = 2/1³ = 2
Wyznacz n
n² > 8·2/(12·1 × 10⁻⁵) = 133333
n > 365,1 → n = 366
Odpowiedź
n = 366
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y3 = 0,8294
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.