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
xy123

Przybliż ∫13 1/x dx wzorem trapezów, n = 2, i porównaj z dokładną wartością. Znajdź błąd bezwzględny |E| = |T − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
2.Metody numeryczneTrudny
00,20,40,980,991ty(0, 1)

Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,25 dla y′ = cos t − y, y(0) = 1, aby oszacować y2 ≈ y(0,5).

y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,25
y2 =
3.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 1/(k² + 8)k = 1 … ∞DΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (7/4)ᵏB: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 1/(k² + 8)D: Σ k²/5ᵏ
  1. 1A: Σ (7/4)ᵏ
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 1/(k² + 8)
  4. 4D: Σ k²/5ᵏ
4.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₂−1

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 2 funkcji f(x) = e−x, aby przybliżyć f(−1). Podaj P₂(−1).

f(x) = e−xn = 2x = −1
P₂(−1) =
5.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =2−32−50−21−5−3

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [2 −3 2; −5 0 −2; 1 −5 −3]
det A =
6.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−361−5b =10−6

Rozwiąż układ −3x + 6y = 10 i x − 5y = −6. Wyznacz x.

−3x + 6y = 10x − 5y = −6
x =
7.Równania różniczkoweŚredni
t (min)T (°C)29Ta​23 °C

Filiżankę kawy o temperaturze 82 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 18 °C. Po 29 min jej temperatura wynosi 23 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 82 °CTa = 18 °CT(29) = 23 °C
k = min⁻¹
8.Równania różniczkoweTrudny
t (min)m (kg)t = ?12 kg

Zbiornik zawiera 400 L czystej wody. Solanka zawierająca 0,1 kg soli na litr wpływa z natężeniem 4 L/min, a dobrze wymieszany roztwór wypływa z tym samym natężeniem. Po ilu minutach t zbiornik będzie zawierał 12 kg soli?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 4 L/min
t = min

3Roztwory

1.Metody numeryczne

Odpowiedź: |E| = 0,06805

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 = 1,098612

Wzór trapezów

T = (1/2)·(1 + 2·0,5 + 0,333333) = 1,166667

Błąd

|E| = |1,166667 − 1,098612| = 0,06805

Odpowiedź

|E| = 0,06805

Błąd względny: 6,195%.

2.Metody numeryczne

Odpowiedź: y2 = 0,9787

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁0010−0,03108760,99611410,250,996114−0,0272016−0,1117310,978747

Kroki Heuna

y₁ = 1 + (0,25/2)(0 − 0,0310876) = 0,996114
y₂ = 0,996114 + (0,25/2)(−0,0272016 − 0,111731) = 0,978747
00,20,40,980,991ty

Wykres

y2 = 0,9787

Odpowiedź

y2 = 0,9787
3.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: A: Σ (7/4)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 (7/4)ᵏ → Geometryczny z r = 7/4 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Naprzemienny, 1/k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).
C: Σ 1/(k² + 8) → Mniejszy niż 1/k², zbieżny szereg p: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
D: Σ k²/5ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = 1/5 < 1, zbieżny.

Odpowiedź

A: Σ (7/4)ᵏ

Odpowiedź

A: Σ (7/4)ᵏ
4.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₂(−1) = 2,5

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

P₂(x) = 1 − x + 0,5x²

Podstaw

P₂(−1) = 1 + 1 + 0,5 = 2,5

Odpowiedź

P₂(−1) = 2,5

Dokładna wartość to f(−1) = 2,718282; błąd 0,218282 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

5.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 81

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 = −10, M₁₂ = 17, M₁₃ = 25

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 2·(−10) − (−3)·17 + 2·25 = 81

Odpowiedź

det A = 81
6.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = −1,556

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 = (−3)·(−5) − 6·1 = 9

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = 10·(−5) − 6·(−6) = −14
x = −14/9 = −1,556

Odpowiedź

x = −1,556
y = 0,8889
7.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,08791 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−29k = 5/64

Wyznacz k

k = ln(64/5)/29 = 0,08791 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,08791 min⁻¹
8.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 35,67 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.

Wynik

m(t) = 40 + (−40)·e−t/100

Wyznacz t

e−t/100 = (40 − 12)/(40 − 0) = 0,7
t = 100·ln(1,429) = 35,67 min

Odpowiedź

t = 35,67 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods