Metody numeryczne

Jak komputer szuka miejsc zerowych, liczy całki, dopasowuje krzywe i rozwiązuje równania różniczkowe — oraz dlaczego mniejszy krok nie zawsze znaczy dokładniejszy wynik.

RÓWNANIA

Miejsca zerowe

Bisekcja, metoda Newtona, iteracja punktu stałego — porównanie tempa zbieżności

xₙ₊₁ = xₙ − f(xₙ)/f'(xₙ)
CAŁKI

Całkowanie numeryczne

Trapezy vs. Simpson — błąd O(h²) vs. O(h⁴)

∫f dx ≈ Σ wᵢf(xᵢ)
KRZYWE

Interpolacja

Wielomian Lagrange'a — i zjawisko Rungego, gdy stopień rośnie zbyt szybko

L(x) = Σ yᵢLᵢ(x)
ODE

Dokładność metod ODE

Euler, ulepszony Euler, RK4 — ten sam krok, bardzo różna dokładność

O(h) vs O(h²) vs O(h⁴)
PUŁAPKA

Błąd obcięcia i zaokrągleń

Mniejszy krok h nie zawsze poprawia wynik — w pewnym momencie zaczyna szkodzić

błąd = obcięcia + zaokrągleń
ZADANIA

Przykłady krok po kroku

Newton, Simpson i RK4 policzone ręcznie

3 rozwiązane zadania
Każda zakładka mieści się w jednym oknie ekranu · suwaki aktualizują wykresy na żywo · zaprojektowano pod projektor sali wykładowej

Szukanie miejsc zerowych

przybliżony pierwiastek
—
funkcja i kroki iteracji
błąd |xₙ − pierwiastek| (skala log)

Całkowanie numeryczne

∫₀^π sin(x)dx = 2 dokładnie. Zobacz, jak szybko każda metoda się do tego zbliża.

trapezy
—
Simpson
—
Trapezy: błąd maleje jak 1/n². Simpson: błąd maleje jak 1/n⁴ — przy tym samym n dużo dokładniej.
trapezy
Simpson (paraboliczne łuki)

Interpolacja i zjawisko Rungego

L(x) = Σᵢ yᵢ·Πⱼ≠ᵢ (x−xⱼ)/(xᵢ−xⱼ)

Wielomian Lagrange'a przechodzi dokładnie przez zadane punkty. Dla f(x)=1/(1+25x²) na równoodległych węzłach, zwiększanie liczby punktów pogarsza przybliżenie przy brzegach zamiast je poprawiać.

Interpolacja liniowa (łamana przez punkty) nie oscyluje — kosztem gładkości.

Dokładność metod ODE

y' = y, y(0) = 1 — rozwiązanie dokładne: y = eˣ. Ten sam krok h, trzy metody, bardzo różna dokładność w x=1 (eˣ=e≈2.71828).

Euler — błąd w x=1
—
ulepszony Euler (Heun) — błąd
—
RK4 — błąd
—

Błąd obcięcia i zaokrągleń

f'(x) ≈ [f(x+h) − f(x)] / h

Numeryczna pochodna sin(x) w x=1 (dokładnie: cos(1)≈0.5403). Dla dużego h dominuje błąd obcięcia (maleje z h). Dla bardzo małego h zaczyna dominować błąd zaokrągleń (rośnie, gdy h→0) — bo f(x+h)−f(x) to odejmowanie dwóch bliskich liczb.

optymalne h (minimum błędu)
≈10⁻⁸
To dokładnie ten sam mechanizm, który psuje naiwnie liczone pochodne wyższych rzędów, jeśli krok jest dobrany zbyt małym.

1. Metoda Newtona: pierwiastek x³−x−1=0, start x₀=1.5

f(x)=x³−x−1, f'(x)=3x²−1. Wzór: xₙ₊₁ = xₙ − f(xₙ)/f'(xₙ).
x₀=1.5: f(1.5)=0.875, f'(1.5)=5.75 → x₁ = 1.5−0.875/5.75 = 1.34783
x₁=1.34783: f(x₁)≈0.10068, f'(x₁)≈4.4497 → x₂ = 1.32520
x₂=1.32520: → x₃ ≈ 1.324718 — już 6 poprawnych cyfr po 3 krokach (zbieżność kwadratowa).

2. Reguła Simpsona: ∫₀^π sin(x)dx, n=4

h=π/4. Węzły: x₀=0, x₁=π/4, x₂=π/2, x₃=3π/4, x₄=π.
f: 0, 0.7071, 1, 0.7071, 0.
Simpson: (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + f₄] = (π/12)[0+4(0.7071)+2(1)+4(0.7071)+0]
= (π/12)(7.6569) ≈ 2.0046 (dokładnie: 2) — błąd rzędu 0.005 już przy n=4.

3. RK4: jeden krok dla y'=y, y(0)=1, h=0.5

k₁=f(y₀)=1
k₂=f(y₀+h/2·k₁)=f(1.25)=1.25
k₃=f(y₀+h/2·k₂)=f(1.3125)=1.3125
k₄=f(y₀+h·k₃)=f(1.65625)=1.65625
y₁ = y₀ + (h/6)(k₁+2k₂+2k₃+k₄) = 1 + (0.5/6)(1+2.5+2.625+1.65625) ≈ 1.64844
Dokładnie: e^0.5 ≈ 1.64872 — błąd już w pierwszym kroku tylko 0.0003.