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
t (s)0123456v (m/s)5101113152121

Kelajuan sebuah kendaraan diukur setiap 1 s (tabel). Taksir jarak s yang ditempuh dari t = 0 sampai t = 6 s dengan kaidah Simpson.

h = 1 sn = 6
s = m
2.Metode numerikSulit
00,050,10,150,200,10,2ty(0, 0)

Lakukan satu langkah metode Runge–Kutta klasik (RK4) dengan h = 0,2 untuk y′ = e−ty, y(0) = 0. Carilah y₁ ≈ y(0,2).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,2
y1 =
3.Barisan & deretSedang
AΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ k/2ᵏk = 1 … ∞

Tepat satu dari keempat deret divergen. Klik deret itu.

A: Σ 1/(k(k + 4))B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 3ᵏ/k³D: Σ k/2ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 4))
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 3ᵏ/k³
  4. 4D: Σ k/2ᵏ
4.Barisan & deretSulit
xyfP₂0,3

Pakai polinom Maclaurin berderajat 2 dari f(x) = 1/(1 + x) untuk menghampiri f(0,3). Berikan P₂(0,3).

f(x) = 1/(1 + x)n = 2x = 0,3
P₂(0.3) =
5.Matriks & determinanSedang
A =−2−3034−1514

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

A = [−2 −3 0; 3 4 −1; 5 1 4]
det A =
6.Matriks & determinanSulit
A =−16−510

Tentukan nilai eigen yang lebih besar λ dari matriks A yang ditunjukkan.

A = [−1 6; −5 10]
λ =
7.Persamaan diferensialSedang
tyy(0) = 1y(1) = ?

Selesaikan y″ + 4y′ + 3y = 0 dengan y(0) = 1 dan y′(0) = -4. Cari y(1).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 1y′(0) = -4
y(1) =
8.Persamaan diferensialSulit
tyK = 5ymax​ = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25 untuk t ≥ 0, dimulai dari keadaan diam: y(0) = 0, y′(0) = 0. Cari nilai puncak ymax dari respons langkahnya.

y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Larutan

1.Metode numerik

Jawaban: s = 84,67 m

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.

Jumlah berbobot

5 + 4·10 + 2·11 + 4·13 + 2·15 + 4·21 + 21 = 254

Kaidah Simpson

s = (1/3)·254 = 84,67 m

Jawaban

s = 84,67 m
2.Metode numerik

Jawaban: y1 = 0,1974

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.

Empat kemiringan

k₁ = f(0, 0) = 1
k₂ = f(0,1, 0,1) = 0,99005
k₃ = f(0,1, 0,099005) = 0,990148
k₄ = f(0,2, 0,19803) = 0,961168

Gabungkan

y₁ = 0 + (0,2/6)(1 + 2·0,99005 + 2·0,990148 + 0,961168) = 0,1974

Jawaban

y1 = 0,1974
3.Barisan & deret

Jawaban: C: Σ 3ᵏ/k³

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.

Uji setiap deret

A: Σ 1/(k(k + 4)) → Lebih kecil dari 1/k²: konvergen menurut perbandingan.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Selang-seling, dengan 1/k menurun menuju 0: konvergen (bersyarat).
C: Σ 3ᵏ/k³ → Uji rasio: L = 3 > 1, divergen.
D: Σ k/2ᵏ → Uji rasio: L = 1/2 < 1, konvergen.

Jawabannya

C: Σ 3ᵏ/k³

Jawaban

C: Σ 3ᵏ/k³
4.Barisan & deret

Jawaban: P₂(0.3) = 0,79

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.

Polinom Maclaurin

P₂(x) = 1 − x + x²

Substitusikan

P₂(0,3) = 1 − 0,3 + 0,09 = 0,79

Jawaban

P₂(0,3) = 0,79

Nilai eksaknya f(0,3) = 0,769231; galat −0,0207692 mengecil jika Anda mengambil lebih banyak suku atau titik yang lebih dekat ke 0.

5.Matriks & determinan

Jawaban: det A = 17

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 = 17, M₁₂ = 17, M₁₃ = −17

Ekspansi kofaktor

det A = (−2)·17 − (−3)·17 + 0·(−17) = 17

Jawaban

det A = 17
6.Matriks & determinan

Jawaban: λ = 5

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.

Persamaan karakteristik

λ² − (9)λ + (20) = 0

Selesaikan

λ = (9 ± √(1))/2 → λ = 4, 5
λ = 5

Jawaban

λ = 5
7.Persamaan diferensial

Jawaban: y(1) = −0,1093

Persamaan linear orde dua: untuk y″ + b·y′ + c·y = 0 coba y = ert: ini memberi persamaan karakteristik r² + b·r + c = 0. Dua akar real r₁ ≠ r₂ memberi y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lebih); akar ganda r memberi y = (A + Bt)·ert (redaman kritis); akar kompleks −α ± jω memberi y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berosilasi). Nilai awal y(0) dan y′(0) menentukan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn adalah frekuensi alami dan ζ rasio redaman: ζ < 1 berosilasi. Dengan masukan konstan, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya adalah nilai tunak K ditambah respons bebas.

Akar karakteristik

(r + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Konstanta dari nilai awal

A + B = 1, −1A − 3B = -4
A = −0,5, B = 1,5

Hitung nilainya

y(1) = −0,5·e−1 + 1,5·e−3 = −0,1093

Jawaban

y(1) = −0,1093
8.Persamaan diferensial

Jawaban: ymax = 5,474

Persamaan linear orde dua: untuk y″ + b·y′ + c·y = 0 coba y = ert: ini memberi persamaan karakteristik r² + b·r + c = 0. Dua akar real r₁ ≠ r₂ memberi y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lebih); akar ganda r memberi y = (A + Bt)·ert (redaman kritis); akar kompleks −α ± jω memberi y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berosilasi). Nilai awal y(0) dan y′(0) menentukan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn adalah frekuensi alami dan ζ rasio redaman: ζ < 1 berosilasi. Dengan masukan konstan, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya adalah nilai tunak K ditambah respons bebas.

Nilai tunak dan akar-akar

yss = 5, r = −1,5 ± 2j

Konstanta dari nilai awal

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −3,75

Puncak

t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−1,5·π/2) = 5,474

Jawaban

ymax = 5,474

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods