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
t (s)05101520v (m/s)10891311

Prędkość pojazdu mierzono co 5 s (tabela). Oszacuj drogę s przebytą od t = 0 do t = 20 s wzorem trapezów.

h = 5 sn = 4
s = m
2.Metody numeryczneTrudny
00,10,20,311,21,4ty(0, 1)

Użyj metody Eulera z h = 0,1 dla y′ = t + y, y(0) = 1, aby oszacować y3 ≈ y(0,3).

y′ = t + yy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞DΣ 3/k²k = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ k²/5ᵏB: Σ ln k / kC: Σ 1/(k(k + 4))D: Σ 3/k²
  1. 1A: Σ k²/5ᵏ
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 4))
  4. 4D: Σ 3/k²
4.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₃1

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

f(x) = e−xn = 3x = 1
P₃(1) =
5.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−4040015−1−1

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−4 0 4; 0 0 1; 5 −1 −1]
det A =
6.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−4−5−54b =95

Rozwiąż układ −4x − 5y = 9 i −5x + 4y = 5. Wyznacz x.

−4x − 5y = 9−5x + 4y = 5
x =
7.Równania różniczkoweŚredni
tyy(0) = 2y(0,5) = ?

Rozwiąż y″ + 7y′ + 10y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 2. Wyznacz y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(0.5) =
8.Równania różniczkoweTrudny
xy12(1, −1)y(2) = ?

Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 6 dla x > 0, z y(1) = −1. Wyznacz y(2).

y′ + y/x = 6y(1) = −1
y(2) =

3Roztwory

1.Metody numeryczne

Odpowiedź: s = 202,5 m

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.

Suma ważona

10 + 2·8 + 2·9 + 2·13 + 11 = 81

Wzór trapezów

s = (5/2)·81 = 202,5 m

Odpowiedź

s = 202,5 m
2.Metody numeryczne

Odpowiedź: y3 = 1,362

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₊₁00111,110,11,11,21,2220,21,221,421,362

Kroki Eulera

y₁ = 1 + 0,1·(1) = 1,1
y₂ = 1,1 + 0,1·(1,2) = 1,22
y₃ = 1,22 + 0,1·(1,42) = 1,362
00,10,20,311,21,4ty

Wykres

y3 = 1,362

Odpowiedź

y3 = 1,362

Wartość dokładna to y(0,3) = 1,399718.

3.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: B: 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 k²/5ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = 1/5 < 1, zbieżny.
B: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.
C: Σ 1/(k(k + 4)) → Mniejszy niż 1/k²: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
D: Σ 3/k² → Szereg p z p = 2 > 1: zbieżny.

Odpowiedź

B: Σ ln k / k

Odpowiedź

B: Σ ln k / k
4.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₃(1) = 0,3333

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 − x + 0,5x² − 0,1667x³

Podstaw

P₃(1) = 1 − 1 + 0,5 − 0,166667 = 0,3333

Odpowiedź

P₃(1) = 0,3333

Dokładna wartość to f(1) = 0,367879; błąd 0,0345461 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

5.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −4

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.

Minory 2×2 pierwszego wiersza

M₁₁ = 1, M₁₂ = −5, M₁₃ = 0

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−4)·1 − 0·(−5) + 4·0 = −4

Odpowiedź

det A = −4
6.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = −1,488

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.

Wyznacznik macierzy współczynników

det A = (−4)·4 − (−5)·(−5) = −41

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = 9·4 − (−5)·5 = 61
x = 61/(−41) = −1,488

Odpowiedź

x = −1,488
y = −0,6098
7.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.5) = 1,307

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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Stałe z wartości początkowych

A + B = 2, −2A − 5B = 2
A = 4, B = −2

Oblicz

y(0,5) = 4·e−1 + (−2)·e−2,5 = 1,307

Odpowiedź

y(0,5) = 1,307
8.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(2) = 4

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 = e∫1/x dx = x1

Całkuj

(x1y)′ = 6x → x1y = 6x2/2 + C

Warunek początkowy

−1 = 6/2 + C → C = −4

Oblicz

y(2) = (6·22/2 + (−4))/21 = 4

Odpowiedź

y(2) = 4

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods