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
Puszkę napoju o temperaturze 4 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 25 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,03 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 22 min.
T0 = 4 °CTa = 25 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 22 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 2y′ + 26y = 130 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 2y′ + 26y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.CałkiŚredni
Obszar pod krzywą y = √(2x) od x = 0 do x = 4 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).
y = √(2x)0 ≤ x ≤ 4
V =
4.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = 2x a parabolą y = 2x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = 2xy = 2x²
V =
5.PochodneŚredni
Dana jest funkcja f(x) = ln(x2 + 1). Wyznacz f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 1)x = −2
f′(−2) =
6.PochodneTrudny
Styczna do f(x) = 2x2 − 3x − 4 w x = −2 przecina oś y w y = b. Wyznacz b.
f(x) = 2x2 − 3x − 4x = −2
b =
7.Metody numeryczneŚredni
Przybliż ∫01 sin x dx wzorem trapezów, n = 2, i porównaj z dokładną wartością. Znajdź błąd bezwzględny |E| = |T − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Metody numeryczneTrudny
Użyj metody Eulera z h = 0,2 dla y′ = 1,5y, y(0) = −1, aby oszacować y4 ≈ y(0,8).
y′ = 1,5yy(0) = −1h = 0,2
y4 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: T = 14,15 °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) = 25 + (−21)·e−0,03t
Podstaw t
T(22) = 25 + (−21)·0,5169 = 14,15 °C
Odpowiedź
T = 14,15 °C
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 7,667
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 = 5, r = −1 ± 5j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −1
Szczyt
t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1·π/5) = 7,667
Odpowiedź
ymax = 7,667
3.Całki
Odpowiedź: V = 50,27
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∫₀4 2x dx
Całkuj
V = π·2·4²/2 = 50,27
Odpowiedź
V = 50,27
4.Całki
Odpowiedź: V = 1,676
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.
Punkty przecięcia
2x = 2x² → x = 0, x = 1
Metoda pierścieni
V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx
Całkuj
V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676
Odpowiedź
V = 1,676
5.Pochodne
Odpowiedź: f′(−2) = −0,8
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.
Reguła łańcuchowa dla logarytmu
f′(x) = 2x/(x2 + 1)
Podstaw
f′(−2) = −4/5 = −0,8
Odpowiedź
f′(−2) = −0,8
6.Pochodne
Odpowiedź: b = −12
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) = 10
f′(x) = 4x − 3 → f′(−2) = −11
Styczna w x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10 − (−11)·(−2) = −12
Odpowiedź
b = −12
7.Metody numeryczne
Odpowiedź: |E| = 0,009617
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.
Wartość dokładna
I = 0,459698
Wzór trapezów
T = (0,5/2)·(0 + 2·0,479426 + 0,841471) = 0,450081
Błąd
|E| = |0,450081 − 0,459698| = 0,009617
Odpowiedź
|E| = 0,009617
Błąd względny: 2,092%.
8.Metody numeryczne
Odpowiedź: y4 = −2,856
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.