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
Filiżankę kawy o temperaturze 85 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 20 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,09 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 25 min.
T0 = 85 °CTa = 20 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 25 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 18,25y = 18,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 3y′ + 18,25y = 18,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Obszar pod krzywą y = √(2x) od x = 0 do x = 1 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).
y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = x2 i y = x.
y = x2y = x
A =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = x·e−0,5x. Wyznacz f′(1).
f(x) = x·e−0,5xx = 1
f′(1) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 0,5x2 + 2x + 1 w x = −1 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 0,5x2 + 2x + 1x = −1
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01,5 e−x² dx wzorem trapezów przy n = 5 paskach. Podaj T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,2 dla y′ = cos t − y, y(0) = −1, aby oszacować y2 ≈ y(0,4).
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,2
y2 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: T = 26,85 °C
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.
Rozwiązanie prawa stygnięcia
T(t) = 20 + 65·e−0,09t
Podstaw t
T(25) = 20 + 65·0,1054 = 26,85 °C
Odpowiedź
T = 26,85 °C
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 1,308
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 = 1, r = −1,5 ± 4j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −0,375
Szczyt
t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/4) = 1,308
Odpowiedź
ymax = 1,308
3.Całki
Odpowiedź: V = 3,142
Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.
Metoda dysków
V = π∫₀1 2x dx
Całkuj
V = π·2·1²/2 = 3,142
Odpowiedź
V = 3,142
4.Całki
Odpowiedź: A = 0,1667
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
x2 = x → x = 0, x = 1
Całkuj górną minus dolną
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Odpowiedź
A = 0,1667
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(1) = 0,3033
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
f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(1 + (−0,5)·x)
Podstaw
f′(1) = 0,6065·(1 + (−0,5)) = 0,3033
Odpowiedź
f′(1) = 0,3033
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(−1) = −0,5
f′(x) = x + 2 → f′(−1) = 1
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −0,5 − 1·(−1) = 0,5
Odpowiedź
b = 0,5
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: T = 0,8538
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: y2 = −0,3559
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.