Metody numeryczne: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Metody numeryczne

Bisekcja
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolacja liniowa
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Wzór trapezów
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Wzór Simpsona (n parzyste)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Oszacowanie błędu wzoru trapezów
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metoda

  1. Dla pierwiastka: sprawdź zmianę znaku dla bisekcji albo oblicz f i f′ dla Newtona i zachowaj sześć lub więcej cyfr w tabeli iteracji.
  2. Dla wartości z tabeli: interpoluj liniowo między dwoma sąsiednimi punktami.
  3. 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.
  4. 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.

Ciągi i szeregi

Ciąg arytmetyczny
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Ciąg geometryczny
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Nieskończony szereg geometryczny
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Szereg p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Kryterium d’Alemberta
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Promień zbieżności
R = lim |ck/ck+1|
Wielomian Taylora
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Szereg Maclaurina
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Oszacowanie Lagrange’a
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metoda

  1. Rozpoznaj typ: arytmetyczny (stała różnica), geometryczny (stały iloraz), szereg standardowy, szereg potęgowy lub wielomian Taylora.
  2. Dla sum użyj Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) albo S = a₁/(1 − r), gdy |r| < 1, gdzie a₁ to pierwszy wyraz sumy.
  3. Dla zbieżności: najpierw warunek konieczny, potem porównanie z Σ1/kᵖ lub szeregiem geometrycznym, a dla silni i potęg o wykładniku k użyj kryterium d’Alemberta lub Cauchy’ego.
  4. Dla wielomianów Taylora wypisz f(a), f′(a), f″(a), …, podziel k-tą pochodną przez k! i oszacuj błąd przez M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Macierze i wyznaczniki

wyznacznik 2×2
det = ad − bc
Macierz odwrotna 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produkt
(AB)ij = Σk AikBkj
Wartości własne
det(A − λI) = 0
Wzory Cramera
xi = det(Ai)/det(A)

Równania różniczkowe

Wzrost/zanik wykładniczy
dy/dt = ky → y = y0ekt
Okres połowicznego rozpadu
k = ln 2 / t½
Prawo stygnięcia Newtona
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Czynnik całkujący
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Zbiornik z mieszaniem
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Zadania do ćwiczenia

1.Metody numeryczneŚredni

Wzór trapezów stosuje się do ∫12 1/x dx. Błąd wynosi co najwyżej (b − a)³·M/(12n²), gdzie M = max|f″| na [1, 2]. Znajdź najmniejszą liczbę pasków n, która gwarantuje błąd poniżej 0,0005.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,0005
n =
2.Metody numeryczneTrudny
00,10,20,30,40,450,5ty(0, 0,5)

Rozwiąż y′ = t − y, y(0) = 0,5 metodą Eulera z krokiem h = 0,1 aż do t = 0,3. Rozwiązanie dokładne to y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Znajdź błąd globalny |E| = |y(0,3) − y3|.

y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,1
|E| =
3.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (3/4)ᵏB: Σ 10ᵏ/k!C: Σ 1/(2ᵏ + k)D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ (3/4)ᵏ
  2. 2B: Σ 10ᵏ/k!
  3. 3C: Σ 1/(2ᵏ + k)
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₃−0,2

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 3 funkcji f(x) = 1/(1 − 2x), aby przybliżyć f(−0,2). Podaj P₃(−0,2).

f(x) = 1/(1 − 2x)n = 3x = −0,2
P₃(−0.2) =
5.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =5−15−2B =3−31−2

Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c22 (wiersz 2, kolumna 2).

A = [5 −1; 5 −2]B = [3 −3; 1 −2]
c22 =
6.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =4312

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [4 3; 1 2]
λ =
7.Równania różniczkoweŚredni
t (min)T (°C)47Ta​84 °C42 °C

Odkuwkę stalową o temperaturze 440 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 20 °C. Po 47 min jej temperatura wynosi 84 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 42 °C?

T0 = 440 °CTa = 20 °CT(47) = 84 °CT = 42 °C
t = min
8.Równania różniczkoweTrudny
ty1,5y(1,5) = ?

Rozwiąż y′ + y = 3e−3t z y(0) = 5. Wyznacz y(1,5).

y′ + y = 3e−3ty(0) = 5
y(1.5) =

3Roztwory

1.Metody numeryczne

Odpowiedź: n = 19

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 > 1·2/(12·0,0005) = 333,3
n > 18,26 → n = 19

Odpowiedź

n = 19
2.Metody numeryczne

Odpowiedź: |E| = 0,01773

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,5−0,50,4510,10,45−0,350,41520,20,415−0,2150,3935

Kroki Eulera

y3 = 0,3935

Wartość dokładna

y(0,3) = 0,411227

Błąd globalny

|E| = |0,411227 − 0,3935| = 0,01773
00,10,20,30,40,450,5ty

Wykres

Odpowiedź

|E| = 0,01773

Połowienie h z grubsza połowi błąd metody Eulera.

3.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ ln k / k

Zbieżność: jeśli wyrazy nie dążą do 0, szereg jest rozbieżny (warunek konieczny). Σ1/kᵖ jest zbieżny tylko dla p > 1, a Σrᵏ tylko dla |r| < 1. Porównaj szereg z jednym z tych, gdy jego wyrazy dla dużych k zachowują się jak one. Kryterium d’Alemberta: L = lim |ak+1/ak|; kryterium Cauchy’ego: L = lim |ak|1/k. L < 1 oznacza zbieżność, L > 1 rozbieżność, L = 1 nie rozstrzyga. Szereg potęgowy Σck(x − x₀)ᵏ jest zbieżny dla |x − x₀| < R, gdzie R = lim |ck/ck+1|; szereg naprzemienny o wyrazach malejących do 0 jest zbieżny.

Zbadaj każdy szereg

A: Σ (3/4)ᵏ → Geometryczny z r = 3/4, |r| < 1: zbieżny.
B: Σ 10ᵏ/k! → Kryterium d’Alemberta: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, zbieżny.
C: Σ 1/(2ᵏ + k) → Mniejszy niż (1/2)ᵏ, zbieżny szereg geometryczny: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
D: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.

Odpowiedź

D: Σ ln k / k

Odpowiedź

D: Σ ln k / k
4.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₃(−0.2) = 0,696

Wielomiany Taylora: w pobliżu x = a funkcję gładką przybliża Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; dla a = 0 jest to wielomian Maclaurina. Szeregi standardowe: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Oszacowanie reszty Lagrange’a: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, gdzie M to największa wartość |f⁽ⁿ⁺¹⁾| między a i x.

Wielomian Maclaurina

P₃(x) = 1 + 2x + 4x² + 8x³

Podstaw

P₃(−0,2) = 1 − 0,4 + 0,16 − 0,064 = 0,696

Odpowiedź

P₃(−0,2) = 0,696

Dokładna wartość to f(−0,2) = 0,714286; błąd 0,0182857 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

5.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c22 = −11

Macierze: wyznacznik macierzy 2×2 to ad − bc. Dla 3×3 rozwiń względem wiersza: każdy element razy wyznacznik macierzy 2×2, która zostaje po skreśleniu jego wiersza i kolumny, ze znakami na przemian + − +. Wartości własne λ spełniają det(A − λI) = 0; dla 2×2 to λ² − (ślad)·λ + det = 0.

Wiersz razy kolumna

c22 = 5·(−3) + (−2)·(−2) = −11

Odpowiedź

c22 = −11
6.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 5

Macierze: wyznacznik macierzy 2×2 to ad − bc. Dla 3×3 rozwiń względem wiersza: każdy element razy wyznacznik macierzy 2×2, która zostaje po skreśleniu jego wiersza i kolumny, ze znakami na przemian + − +. Wartości własne λ spełniają det(A − λI) = 0; dla 2×2 to λ² − (ślad)·λ + det = 0.

Równanie charakterystyczne

λ² − (6)λ + (5) = 0

Rozwiąż

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Odpowiedź

λ = 5
7.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 73,68 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(420/64)/47 = 0,04003 min⁻¹

Czas do osiągnięcia celu

t = ln(420/22)/0,04003 = 73,68 min

Odpowiedź

t = 73,68 min
8.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 1,434

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.

Czynnik całkujący

μ = et
(ety)′ = 3e−2t

Rozwiązanie ogólne

y = 3/(−2)·e−3t + C·e−t = −1,5·e−3t + C·e−t

Warunek początkowy

5 = −1,5 + C → C = 6,5

Oblicz

y(1,5) = −1,5·0,01111 + 6,5·0,2231 = 1,434

Odpowiedź

y(1,5) = 1,434

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods