Metode Numerik: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Metode numerik

Bisection
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolasi linear
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Kaidah trapesium
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Kaidah Simpson (n genap)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Batas galat trapesium
|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)

Metode

  1. Untuk akar: periksa pergantian tanda pada bisection, atau hitung f dan f′ untuk Newton, dan pertahankan enam angka atau lebih pada tabel iterasi.
  2. Untuk nilai tabel: interpolasikan secara linear di antara dua titik yang bertetangga.
  3. Untuk integral: cari h = (b − a)/n, daftarkan f di setiap simpul, terapkan bobot (1, 2, …, 2, 1 untuk trapesium; 1, 4, 2, …, 4, 1 untuk Simpson dengan n genap) dan kalikan dengan h/2 atau h/3.
  4. Untuk PD: melangkahlah dari t₀ dengan yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) atau kemiringan rata-rata (Heun), satu baris per langkah, sampai mencapai t yang diminta.

Barisan & deret

Barisan aritmetika
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Barisan geometri
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Deret geometri tak hingga
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Deret-p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Uji rasio
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Jari-jari kekonvergenan
R = lim |ck/ck+1|
Polinom Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Deret Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Batas galat Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metode

  1. Kenali jenisnya: aritmetika (beda tetap), geometri (rasio tetap), deret baku, deret pangkat, atau polinom Taylor.
  2. Untuk jumlah pakai Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), atau S = a₁/(1 − r) bila |r| < 1, dengan a₁ suku pertama dari jumlah itu.
  3. Untuk kekonvergenan: uji suku ke-n dulu, lalu bandingkan dengan Σ1/kᵖ atau deret geometri, dan pakai uji rasio atau akar untuk faktorial dan pangkat ke-k.
  4. Untuk polinom Taylor daftarkan f(a), f′(a), f″(a), …, bagi turunan ke-k dengan k!, dan batasi galat dengan M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Matriks & determinan

determinan 2×2
det = ad − bc
Invers 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produk
(AB)ij = Σk AikBkj
Nilai eigen
det(A − λI) = 0
Aturan Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Persamaan diferensial

Pertumbuhan/peluruhan eksponensial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Waktu paruh
k = ln 2 / t½
Hukum pendinginan Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Faktor integrasi
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tangki pencampuran
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Soal latihan

1.Metode numerikSedang

Kaidah trapesium dipakai untuk ∫01 sin x dx. Galatnya paling besar (b − a)³·M/(12n²) dengan M = maks|f″| pada [0, 1]. Carilah jumlah pita terkecil n yang menjamin galat di bawah 0,0001.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 0,0001
n =
2.Metode numerikSulit
00,20,40,61,41,61,82ty(0, 2)

Pakai metode Euler dengan h = 0,2 untuk y′ = cos t − y, y(0) = 2 untuk menaksir y3 ≈ y(0,6).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,2
y3 =
3.Barisan & deretSedang
xx₀ = 0??R

Carilah jari-jari kekonvergenan R dari deret pangkat Σk=1∞ 16ᵏx²ᵏ/k.

Σ 16ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
4.Barisan & deretSulit

Carilah koefisien c₂ dari (x − 1)² dalam deret Taylor f(x) = 1/x di sekitar a = 1.

f(x) = 1/xa = 1k = 2
c₂ =
5.Matriks & determinanSedang
A =12−4−12534−4

Tentukan determinan det A dari matriks 3×3 A yang ditunjukkan.

A = [1 2 −4; −1 2 5; 3 4 −4]
det A =
6.Matriks & determinanSulit
A =11−53b =−10−11

Selesaikan sistem x + y = −10 dan −5x + 3y = −11. Tentukan x.

x + y = −10−5x + 3y = −11
x =
7.Persamaan diferensialSedang
t (min)T (°C)19Ta​44 °C33 °C

Secangkir kopi bersuhu 86 °C dibiarkan di ruangan bersuhu 24 °C. Setelah 19 menit suhunya 44 °C. Benda tersebut mengikuti hukum pendinginan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Berapa lama setelah awal, t, yang diperlukan untuk mencapai 33 °C?

T0 = 86 °CTa = 24 °CT(19) = 44 °CT = 33 °C
t = min
8.Persamaan diferensialSulit
xy12(1, 1)y(2) = ?

Selesaikan masalah nilai awal y′ + y/x = x untuk x > 0, dengan y(1) = 1. Cari y(2).

y′ + y/x = xy(1) = 1
y(2) =

3Larutan

1.Metode numerik

Jawaban: n = 27

Integrasi numerik: bagi [a, b] menjadi n pita selebar h = (b − a)/n dengan simpul x₀ … xₙ. Kaidah trapesium: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Kaidah Simpson (n genap): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Galat trapesium mengecil seperti h² (batas (b − a)h²·M/12 dengan M = maks|f″|), Simpson seperti h⁴, jadi Simpson biasanya jauh lebih akurat untuk simpul yang sama.

Batas turunan kedua

M = sin 1 = 0,8415

Selesaikan untuk n

n² > 1·0,8415/(12·0,0001) = 701,2
n > 26,48 → n = 27

Jawaban

n = 27
2.Metode numerik

Jawaban: y3 = 1,493

Penyelesaian numerik y′ = f(t, y): metode Euler melangkah menurut kemiringan di awal setiap langkah: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Metode Heun (Euler yang diperbaiki) merata-ratakan kemiringan di awal dan pada prediksi Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Metode Runge–Kutta klasik (RK4) menggabungkan empat kemiringan: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Galat global Euler sebanding dengan h, Heun dengan h², RK4 dengan h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁002−11,810,21,8−0,8199331,63601320,41,636013−0,7149521,493023

Langkah Euler

y₁ = 2 + 0,2·(−1) = 1,8
y₂ = 1,8 + 0,2·(−0,819933) = 1,636013
y₃ = 1,636013 + 0,2·(−0,714952) = 1,493023
00,20,40,61,41,61,82ty

Grafik

y3 = 1,493

Jawaban

y3 = 1,493
3.Barisan & deret

Jawaban: R = 0,25

Kekonvergenan: jika suku-sukunya tidak menuju 0, deret divergen (uji suku ke-n). Σ1/kᵖ konvergen hanya untuk p > 1, dan Σrᵏ hanya untuk |r| < 1. Bandingkan suatu deret dengan salah satunya bila suku-sukunya berperilaku seperti itu untuk k besar. Uji rasio: L = lim |ak+1/ak|; uji akar: L = lim |ak|1/k. L < 1 konvergen, L > 1 divergen, L = 1 tidak menentukan apa pun. Deret pangkat Σck(x − x₀)ᵏ konvergen untuk |x − x₀| < R dengan R = lim |ck/ck+1|; deret selang-seling dengan suku-suku yang menurun menuju 0 konvergen.

Koefisien

Deretnya dalam x²: konvergen untuk 16·x² < 1, jadi |x| < 1/4.

Jari-jari

R = 0,25

Jawaban

R = 0,25

Uji rasio tidak mengatakan apa pun di kedua titik ujung; keduanya harus diperiksa secara terpisah.

4.Barisan & deret

Jawaban: c₂ = 1

Polinom Taylor: di dekat x = a fungsi mulus didekati oleh Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; untuk a = 0 ini adalah polinom Maclaurin. Deret baku: 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. Batas galat Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dengan M nilai terbesar |f⁽ⁿ⁺¹⁾| di antara a dan x.

Turunan f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 2/x³

Koefisien

c₂ = 2/(1³·2) = 1
c₂ = 1

Jawaban

c₂ = 1
5.Matriks & determinan

Jawaban: det A = 34

Matriks: determinan matriks 2×2 adalah ad − bc. Untuk 3×3, ekspansikan sepanjang satu baris: setiap entri dikali determinan matriks 2×2 yang tersisa setelah baris dan kolomnya dihapus, dengan tanda bergantian + − +. Nilai eigen λ memenuhi det(A − λI) = 0; untuk 2×2 itu adalah λ² − (trace)·λ + det = 0.

Minor 2×2 baris pertama

M₁₁ = −28, M₁₂ = −11, M₁₃ = −10

Ekspansi kofaktor

det A = 1·(−28) − 2·(−11) + (−4)·(−10) = 34

Jawaban

det A = 34
6.Matriks & determinan

Jawaban: x = −2,375

Matriks: determinan matriks 2×2 adalah ad − bc. Untuk 3×3, ekspansikan sepanjang satu baris: setiap entri dikali determinan matriks 2×2 yang tersisa setelah baris dan kolomnya dihapus, dengan tanda bergantian + − +. Nilai eigen λ memenuhi det(A − λI) = 0; untuk 2×2 itu adalah λ² − (trace)·λ + det = 0.

Determinan matriks koefisien

det A = 1·3 − 1·(−5) = 8

Ganti kolom x

det Aₓ = (−10)·3 − 1·(−11) = −19
x = −19/8 = −2,375

Jawaban

x = −2,375
y = −7,625
7.Persamaan diferensial

Jawaban: t = 32,41 min

Persamaan diferensial orde satu: dy/dt = k·y memiliki penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan untuk k > 0, peluruhan untuk k < 0); waktu paruh T memberikan k = ln 2/T. Hukum pendinginan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor integrasi μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, sehingga μy = ∫μq dx + C.

Konstanta pendinginan

k = ln(62/20)/19 = 0,05955 min⁻¹

Waktu untuk mencapai target

t = ln(62/9)/0,05955 = 32,41 min

Jawaban

t = 32,41 min
8.Persamaan diferensial

Jawaban: y(2) = 1,667

Persamaan diferensial orde satu: dy/dt = k·y memiliki penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan untuk k > 0, peluruhan untuk k < 0); waktu paruh T memberikan k = ln 2/T. Hukum pendinginan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor integrasi μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, sehingga μy = ∫μq dx + C.

Faktor integrasi

μ = e∫1/x dx = x1

Integralkan

(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C

Kondisi awal

1 = 1/3 + C → C = 0,6667

Hitung nilainya

y(2) = (1·23/3 + 0,6667)/21 = 1,667

Jawaban

y(2) = 1,667

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods