Metody numeryczne: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Darmowe zadania z tematu Metody numeryczne z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: pierwiastki i interpolacja, wzory trapezów i Simpsona, Euler, Heun i Runge–Kutta.

Darmowe zadanieŁatwy
xyx₀ = 0

Zastosuj metodę Newtona–Raphsona do f(x) = e−x − x z wartością początkową x₀ = 0. Znajdź x2.

f(x) = e−x − xf′(x) = −e−x − 1x₀ = 0
Następne zadanie →

Co ćwiczysz

  1. Łatwypierwiastki i interpolacja
  2. Średniwzory trapezów i Simpsona
  3. TrudnyEuler, Heun i Runge–Kutta

Jak rozwiązywać zadania: Metody numeryczne

  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.

Typowe błędy

  • Zachowanie złej połowy przedziału bisekcji albo błędne policzenie kroków.
  • Zapisanie x − f′/f zamiast x − f/f′ w metodzie Newtona–Raphsona.
  • Nadanie węzłom wewnętrznym wagi 1 we wzorze trapezów albo użycie wzoru Simpsona z nieparzystą liczbą pasków.
  • Zbyt wczesne zaokrąglanie iteracji.
  • Wykonanie o jeden krok Eulera za mało lub za dużo, by dojść do czasu końcowego.

Najważniejsze wzory

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)

Naucz się tematu Metody numeryczne od zera

Wcześniej: Pochodne, Całki, Równania różniczkowe

1Po co metody numeryczne i bisekcja

Wiele równań i całek nie ma wzoru na odpowiedź: x = cos x, ∫e−x²dx albo większość równań różniczkowych. Metody numeryczne obliczają odpowiedź krok po kroku z dowolną potrzebną dokładnością.

Metoda bisekcji znajduje pierwiastek f(x) = 0 na przedziale [a, b], na którym f zmienia znak. Weź środek c = (a + b)/2 i zachowaj tę połowę, na której znak nadal się zmienia.

Przykład: f(x) = x² − 2 na [1, 2]. c₁ = 1,5 daje f = 0,25 > 0, więc zachowaj [1; 1,5]. c₂ = 1,25 daje f = −0,4375 < 0, więc zachowaj [1,25; 1,5]. Potem c₃ = 1,375.

Każdy krok połowi przedział, więc po n krokach jego szerokość wynosi (b − a)/2ⁿ. Bisekcja jest wolna, ale zawsze działa, gdy masz zmianę znaku.

Samosprawdzenie Bisekcja zaczyna na przedziale o długości 1. Jak szeroki jest przedział po 10 krokach?
  1. 1/100
  2. 1/1024
  3. 1/10
  4. 1/20

Odpowiedź: 1/1024. Każdy krok połowi go: 1/2¹⁰ = 1/1024 ≈ 0,001. Dzielenie przez 10 lub 20 traktuje połowienie tak, jakby było addytywne.

2Newton–Raphson

Newton–Raphson idzie wzdłuż stycznej do osi x i używa tego przecięcia jako następnego przybliżenia:

xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
xx₀ = 2x₁ = 1,5√2f(x) = x² − 2

Dla f(x) = x² − 2 z f′(x) = 2x i x₀ = 2: x₁ = 2 − 2/4 = 1,5; x₂ = 1,5 − 0,25/3 = 1,416667; x₃ = 1,414216. Pierwiastek to √2 = 1,414214.

W pobliżu pierwiastka metoda Newtona z grubsza podwaja liczbę poprawnych cyfr w każdym kroku. Może zawieść, gdy f′(xₙ) jest bliskie 0 albo gdy start jest daleko od pierwiastka.

Zachowaj co najmniej sześć cyfr w każdej iteracji; zbyt wczesne zaokrąglanie powstrzymuje metodę przed poprawianiem wyniku.

Samosprawdzenie Jeden krok Newtona dla f(x) = x² − 5 od x₀ = 2 daje…
  1. 1,75
  2. 2,25
  3. 2,2
  4. 2,5

Odpowiedź: 2,25. f(2) = −1 i f′(2) = 4, więc x₁ = 2 − (−1)/4 = 2,25. Dodanie −1/4 zamiast odjęcia daje 1,75.

3Interpolacja liniowa

Tabele podają wartości tylko w pewnych punktach. Interpolacja liniowa prowadzi prostą między dwoma sąsiednimi punktami tabeli:

y = y₁ + (y₂ − y₁)·(x − x₁)/(x₂ − x₁)

Przykład: tabela podaje f(1) = 2,0 i f(2) = 2,6. Dla x = 1,4 ułamek wynosi 0,4, więc f(1,4) ≈ 2,0 + 0,6·0,4 = 2,24.

Interpolacja odwrotna działa tak samo w drugą stronę: aby znaleźć, gdzie y = 2,3, ułamek wynosi (2,3 − 2,0)/0,6 = 0,5, więc x ≈ 1,5.

4Wzór trapezów i wzór Simpsona

Aby scałkować f od a do b, podziel przedział na n pasków o szerokości h = (b − a)/n z węzłami x₀, x₁, …, xₙ.

Wzór trapezów zastępuje krzywą w każdym pasku odcinkiem. Każdy węzeł wewnętrzny należy do dwóch pasków, więc liczy się dwa razy:

T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]
0,51y = x²x

Wzór Simpsona przeprowadza parabole przez po trzy węzły. Wymaga parzystego n:

S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]

Dla ∫01 x² dx = 1/3 przy n = 2 (h = 0,5): T = 0,25·(0 + 0,5 + 1) = 0,375, natomiast S = (0,5/3)·(0 + 1 + 1) = 0,3333, dokładnie.

Błąd wzoru trapezów maleje jak h², a wzoru Simpsona jak h⁴: połowienie h zwiększa dokładność Simpsona około 16 razy.

Samosprawdzenie Jakie wagi wzór trapezów nadaje węzłom x₀, x₁, x₂, x₃?
  1. 1, 1, 1, 1
  2. 1, 2, 2, 1
  3. 1, 4, 2, 1
  4. 1, 4, 4, 1

Odpowiedź: 1, 2, 2, 1. Oba końce należą do jednego paska, a punkty wewnętrzne do dwóch, więc 1, 2, 2, 1 z czynnikiem h/2. Czwórki należą do wzoru Simpsona.

5Euler i Heun dla równań różniczkowych

Dla y′ = f(t, y) z y(t₀) = y₀ idź naprzód w czasie z krokiem h. Metoda Eulera używa nachylenia na początku każdego kroku:

yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)

Metoda Heuna (ulepszona metoda Eulera) przewiduje metodą Eulera, a potem uśrednia nachylenia na obu końcach: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).

Błąd metody Eulera jest proporcjonalny do h, metody Heuna do h². Klasyczna metoda Rungego–Kutty (RK4) używa czterech nachyleń i jest dokładna do h⁴.

Przykład krok po kroku

Rozwiąż y′ = y, y(0) = 1 metodą Eulera z h = 0,1 aż do t = 0,3 i porównaj z rozwiązaniem dokładnym eᵗ.

1

Krok 1

y₁ = 1 + 0,1·1 = 1,1
2

Krok 2

y₂ = 1,1 + 0,1·1,1 = 1,21
3

Krok 3

y₃ = 1,21 + 0,1·1,21 = 1,331
4

Porównaj

Dokładna wartość to e0,3 = 1,349859, więc błąd globalny wynosi 0,0189. Jeden krok Heuna od y₀ dałby 1 + 0,05·(1 + 1,1) = 1,105 wobec e0,1 = 1,105171.

Odpowiedź

y(0,3) ≈ 1,331 metodą Eulera; błąd 0,019 maleje z grubsza proporcjonalnie do h.

6Typowe błędy i pytania egzaminacyjne

  • Liczenie pierwszego środka bisekcji jako kroku 0 albo zachowanie złej połowy przedziału.
  • Zapisanie x − f′/f zamiast x − f/f′ w metodzie Newtona.
  • Pominięcie czynnika 2 przy węzłach wewnętrznych albo użycie h zamiast h/2 we wzorze trapezów.
  • Użycie wzoru Simpsona z nieparzystą liczbą pasków.
  • W metodzie Eulera użycie nachylenia na końcu kroku albo wykonanie o jeden krok za mało.

Łatwe: bisekcja, iteracje Newtona i interpolacja w tabeli. Średnie: wzory trapezów i Simpsona, ich błąd i potrzebna liczba pasków. Trudne: kroki Eulera, Heuna i Rungego–Kutty dla równań różniczkowych.

Samosprawdzenie y′ = 2y z y(0) = 1. Co daje jeden krok Eulera z h = 0,2?
  1. 1,2
  2. 1,49
  3. 1,4
  4. 2,4

Odpowiedź: 1,4. y₁ = 1 + 0,2·(2·1) = 1,4. Pominięcie czynnika 2 w nachyleniu daje 1,2; 1,49 to wartość dokładna e0,4.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy

Metoda bisekcji zaczyna od przedziału o długości 4. Każdy krok połowi przedział. Ile co najmniej kroków n potrzeba, aby przedział był krótszy niż 0,0001?

b − a = 4ε = 0,0001

Oblicz n

Pokaż podpowiedzi
  1. Po n krokach przedział ma długość (b − a)/2ⁿ.
  2. Rozwiąż 4/2ⁿ < 0,0001, czyli 2ⁿ > 40000.
  3. n > log₂(40000) = 15,29
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Szukanie pierwiastków i interpolacja: bisekcja utrzymuje przedział [a, b], na którym f zmienia znak; w każdym kroku bierze środek c = (a + b)/2 i zachowuje tę połowę, na której znak nadal się zmienia, więc po n krokach przedział ma szerokość (b − a)/2ⁿ. Metoda Newtona–Raphsona idzie wzdłuż stycznej do osi: xn+1 = xn − f(xn)/f′(xn); w pobliżu pierwiastka jednokrotnego z grubsza podwaja liczbę poprawnych cyfr w każdym kroku. Interpolacja liniowa między dwoma punktami tabeli: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁).

Warunek

4/2ⁿ < 0,0001 → 2ⁿ > 40000

Logarytm

n > ln(40000)/ln 2 = 15,29
n = 16

Sprawdzenie

2¹⁵ = 32768 < 40000 < 2¹⁶ = 65536

Odpowiedź

n = 16
Przykład 2Średni
xy00,511,5

Przybliż ∫01,5 √(1 + x³) dx wzorem trapezów przy n = 3 paskach. Podaj T.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3

Oblicz T

Pokaż podpowiedzi
  1. h = (1,5 − 0)/3 = 0,5; węzły to 0, 0,5, 1, 1,5.
  2. Wagi: 1, 2, 2, …, 2, 1; T = (h/2)·Σ wᵢfᵢ.
  3. Suma ważona to Σ wᵢfᵢ = 8,041398.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

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.

ixᵢf(xᵢ)masa ciała001110,51,060662211,414214231,52,091651

Węzły i wartości

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,06066 + 2·1,414214 + 2,09165 = 8,041398

Wzór trapezów

T = (0,5/2)·8,041398 = 2,01

Odpowiedź

T = 2,01

Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.

Przykład 3Trudny
00,10,20,30,40,40,60,81ty(0, 0,5)

Użyj metody Heuna (ulepszonej metody Eulera) z h = 0,2 dla y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5, aby oszacować y2 ≈ y(0,4).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2

Oblicz y2

Pokaż podpowiedzi
  1. Każdy krok: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).
  2. Krok 1: k₁ = 1, k₂ = 1,139543, y₁ = 0,713954.
  3. Aby dojść do t = 0,4, potrzeba kroków: 2.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

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₊₁000,511,1395430,71395410,20,7139541,1423061,3681010,964995

Kroki Heuna

y₁ = 0,5 + (0,2/2)(1 + 1,139543) = 0,713954
y₂ = 0,713954 + (0,2/2)(1,142306 + 1,368101) = 0,964995
00,10,20,30,40,40,60,81ty

Wykres

y2 = 0,965

Odpowiedź

y2 = 0,965

Pytania i odpowiedzi

Metody numeryczne: co to jest?

Wiele równań i całek nie ma wzoru na odpowiedź: x = cos x, ∫e−x²dx albo większość równań różniczkowych. Metody numeryczne obliczają odpowiedź krok po kroku z dowolną potrzebną dokładnością.

Przykład: f(x) = x² − 2 na [1, 2]. c₁ = 1,5 daje f = 0,25 > 0, więc zachowaj [1; 1,5]. c₂ = 1,25 daje f = −0,4375 < 0, więc zachowaj [1,25; 1,5]. Potem c₃ = 1,375.

Metody numeryczne: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?
  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.
Metody numeryczne: jakie błędy są najczęstsze?
  • Zachowanie złej połowy przedziału bisekcji albo błędne policzenie kroków.
  • Zapisanie x − f′/f zamiast x − f/f′ w metodzie Newtona–Raphsona.
  • Nadanie węzłom wewnętrznym wagi 1 we wzorze trapezów albo użycie wzoru Simpsona z nieparzystą liczbą pasków.
  • Zbyt wczesne zaokrąglanie iteracji.
  • Wykonanie o jeden krok Eulera za mało lub za dużo, by dojść do czasu końcowego.
Metody numeryczne: co ćwiczysz?
  • Łatwy: pierwiastki i interpolacja
  • Średni: wzory trapezów i Simpsona
  • Trudny: Euler, Heun i Runge–Kutta

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Najpierw naucz się

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Matematyka i statystyka

Karta pracy do druku