Kaedah Berangka: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Kaedah berangka

Pembahagi dua
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)
Petua trapezium
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Petua Simpson (n genap)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Had ralat trapezium
|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)

Kaedah

  1. Untuk punca: semak perubahan tanda untuk pembahagi dua, atau hitung f dan f′ untuk Newton, dan simpan enam digit atau lebih dalam jadual lelaran.
  2. Untuk nilai jadual: interpolasi secara linear antara dua titik jiran.
  3. Untuk kamiran: cari h = (b − a)/n, senaraikan f pada setiap nod, gunakan pemberat (1, 2, …, 2, 1 untuk trapezium; 1, 4, 2, …, 4, 1 untuk Simpson dengan n genap) dan darab dengan h/2 atau h/3.
  4. Untuk PPB: melangkah dari t₀ dengan yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) atau cerun purata (Heun), satu baris bagi setiap langkah, sehingga anda sampai ke t yang diminta.

Jujukan & siri

Jujukan aritmetik
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Jujukan geometri
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Siri geometri tak terhingga
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Siri-p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ujian nisbah
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Jejari penumpuan
R = lim |ck/ck+1|
Polinomial Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Siri Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Had ralat Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Kaedah

  1. Kenal pasti jenisnya: aritmetik (beza malar), geometri (nisbah malar), siri piawai, siri kuasa atau polinomial Taylor.
  2. Untuk hasil tambah gunakan Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), atau S = a₁/(1 − r) apabila |r| < 1, dengan a₁ ialah sebutan pertama hasil tambah.
  3. Untuk penumpuan: ujian sebutan ke-n dahulu, kemudian bandingkan dengan Σ1/kᵖ atau siri geometri, dan gunakan ujian nisbah atau punca untuk faktorial dan kuasa k.
  4. Untuk polinomial Taylor senaraikan f(a), f′(a), f″(a), …, bahagi terbitan ke-k dengan k!, dan beri had ralat dengan M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Matriks & penentu

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

Persamaan pembezaan

Pertumbuhan/pereputan eksponen
dy/dt = ky → y = y0ekt
Separuh hayat
k = ln 2 / t½
Hukum penyejukan Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Faktor pengamiran
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tangki pencampuran
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Soalan latihan

1.Kaedah berangkaSederhana
xy00.250.50.751

Anggarkan ∫01 1/√(1 + x⁴) dx dengan petua Simpson menggunakan n = 4 jalur. Beri S.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
2.Kaedah berangkaSukar
0120.511.52ty(0, 2)

Gunakan kaedah Euler dengan h = 0.5 untuk y′ = t − y, y(0) = 2 untuk menganggar y5 ≈ y(2.5).

y′ = t − yy(0) = 2h = 0.5
y5 =
3.Jujukan & siriSederhana
AΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞DΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞

Tepat satu daripada empat siri mencapah. Klik siri itu.

A: Σ 2ᵏ/k²B: Σ (−1)ᵏ/√kC: Σ 1/(k(k + 1))D: Σ (3/5)ᵏ
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k²
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/√k
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 1))
  4. 4D: Σ (3/5)ᵏ
4.Jujukan & siriSukar

f(x) = eˣ dianggarkan pada x = 0.5 oleh polinomial Maclaurin berdarjah n. Dengan had Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! dan M = 2, cari darjah terkecil n yang menjamin ralat di bawah 1 × 10⁻⁶.

f(x) = eˣx = 0.5M = 2ε = 1 × 10⁻⁶
n =
5.Matriks & penentuSederhana
A =−4−453B =−66−43

Biar C = AB bagi matriks yang ditunjukkan. Cari unsur c11 (baris 1, lajur 1).

A = [−4 −4; 5 3]B = [−6 6; −4 3]
c11 =
6.Matriks & penentuSukar
A =0−358

Cari nilai eigen yang lebih besar λ bagi matriks A yang ditunjukkan.

A = [0 −3; 5 8]
λ =
7.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)12Ta​T = ?

Secawan kopi pada 85 °C ditinggalkan di dalam bilik pada 21 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Dengan k = 0.05 min⁻¹, cari suhunya T selepas 12 min.

T0 = 85 °CTa = 21 °Ck = 0.05 min⁻¹t = 12 min
T = °C
8.Persamaan pembezaanSukar
xy12(1, 1)y(2) = ?

Selesaikan masalah nilai awal y′ + 2y/x = 6x bagi x > 0, dengan y(1) = 1. Cari y(2).

y′ + 2y/x = 6xy(1) = 1
y(2) =

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: S = 0.9272

Pengamiran berangka: bahagikan [a, b] kepada n jalur selebar h = (b − a)/n dengan nod x₀ … xₙ. Petua trapezium: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Petua Simpson (n genap): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Ralat trapezium mengecil seperti h² (had (b − a)h²·M/12 dengan M = maks|f″|), Simpson seperti h⁴, maka Simpson biasanya jauh lebih tepat untuk nod yang sama.

ixᵢf(xᵢ)berat001110.250.998053420.50.970143230.750.8715764410.7071071

Nod dan nilai

h = 0.25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0.998053 + 2·0.970143 + 4·0.871576 + 0.707107 = 11.125904

Petua Simpson

S = (0.25/3)·11.125904 = 0.9272

Jawapan

S = 0.9272

Kamiran ini tidak mempunyai antiterbitan dasar, dan itulah tepatnya apabila petua berangka diperlukan.

2.Kaedah berangka

Jawapan: y5 = 1.594

Penyelesaian berangka bagi y′ = f(t, y): kaedah Euler melangkah di sepanjang cerun pada permulaan setiap langkah: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Kaedah Heun (Euler yang dipertingkat) mengambil purata cerun pada permulaan dan pada ramalan Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Kaedah Runge–Kutta klasik (RK4) menggabungkan empat cerun: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Ralat global Euler berkadar dengan h, Heun dengan h², RK4 dengan h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁002−2110.51−0.50.75210.750.250.87531.50.8750.6251.1875421.18750.81251.59375

Langkah Euler

y₁ = 2 + 0.5·(−2) = 1
y₂ = 1 + 0.5·(−0.5) = 0.75
y₃ = 0.75 + 0.5·(0.25) = 0.875
y₄ = 0.875 + 0.5·(0.625) = 1.1875
y₅ = 1.1875 + 0.5·(0.8125) = 1.59375
0120.511.52ty

Graf

y5 = 1.594

Jawapan

y5 = 1.594

Nilai tepat ialah y(2.5) = 1.746255.

3.Jujukan & siri

Jawapan: A: Σ 2ᵏ/k²

Penumpuan: jika sebutan tidak menuju 0, siri itu mencapah (ujian sebutan ke-n). Σ1/kᵖ menumpu hanya untuk p > 1, dan Σrᵏ hanya untuk |r| < 1. Bandingkan siri dengan salah satu daripadanya apabila sebutannya berkelakuan seperti itu bagi k yang besar. Ujian nisbah: L = lim |ak+1/ak|; ujian punca: L = lim |ak|1/k. L < 1 menumpu, L > 1 mencapah, L = 1 tidak menentukan apa-apa. Siri kuasa Σck(x − x₀)ᵏ menumpu untuk |x − x₀| < R dengan R = lim |ck/ck+1|; siri berselang-seli dengan sebutan menurun kepada 0 menumpu.

Uji setiap siri

A: Σ 2ᵏ/k² → Ujian nisbah: L = 2 > 1, mencapah.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Berselang-seli, dengan 1/√k menurun kepada 0: menumpu (secara bersyarat).
C: Σ 1/(k(k + 1)) → Lebih kecil daripada 1/k²: menumpu melalui perbandingan.
D: Σ (3/5)ᵏ → Geometri dengan r = 3/5, |r| < 1: menumpu.

Jawapannya

A: Σ 2ᵏ/k²

Jawapan

A: Σ 2ᵏ/k²
4.Jujukan & siri

Jawapan: n = 7

Polinomial Taylor: berhampiran x = a, fungsi licin dianggarkan 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 ialah polinomial Maclaurin. Siri piawai: 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. Had ralat Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dengan M ialah nilai terbesar |f⁽ⁿ⁺¹⁾| antara a dengan x.

n(n + 1)!had011120.25260.041673240.00520841200.000520857204.34 × 10⁻⁵650403.1 × 10⁻⁶7403201.938 × 10⁻⁷

Had untuk n yang meningkat

n = 6: 3.1 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 7: 1.938 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

Darjah terkecil

n = 7

Jawapan

n = 7
5.Matriks & penentu

Jawapan: c11 = 40

Matriks: penentu matriks 2×2 ialah ad − bc. Bagi 3×3, kembangkan sepanjang satu baris: setiap unsur didarab penentu matriks 2×2 yang tinggal selepas membuang baris dan lajurnya, dengan tanda berselang-seli + − +. Nilai eigen λ menyelesaikan det(A − λI) = 0; bagi 2×2 itu ialah λ² − (surih)·λ + det = 0.

Baris darab lajur

c11 = (−4)·(−6) + (−4)·(−4) = 40

Jawapan

c11 = 40
6.Matriks & penentu

Jawapan: λ = 5

Matriks: penentu matriks 2×2 ialah ad − bc. Bagi 3×3, kembangkan sepanjang satu baris: setiap unsur didarab penentu matriks 2×2 yang tinggal selepas membuang baris dan lajurnya, dengan tanda berselang-seli + − +. Nilai eigen λ menyelesaikan det(A − λI) = 0; bagi 2×2 itu ialah λ² − (surih)·λ + det = 0.

Persamaan cirian

λ² − (8)λ + (15) = 0

Selesaikan

λ = (8 ± √(4))/2 → λ = 3, 5
λ = 5

Jawapan

λ = 5
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: T = 56.12 °C

Persamaan pembezaan peringkat pertama: dy/dt = k·y mempunyai penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan bagi k > 0, pereputan bagi k < 0); separuh hayat T memberikan k = ln 2/T. Hukum penyejukan 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 pengamiran μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, maka μy = ∫μq dx + C.

Penyelesaian hukum penyejukan

T(t) = 21 + 64·e−0.05t

Gantikan t

T(12) = 21 + 64·0.5488 = 56.12 °C

Jawapan

T = 56.12 °C
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(2) = 5.875

Persamaan pembezaan peringkat pertama: dy/dt = k·y mempunyai penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan bagi k > 0, pereputan bagi k < 0); separuh hayat T memberikan k = ln 2/T. Hukum penyejukan 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 pengamiran μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, maka μy = ∫μq dx + C.

Faktor pengamiran

μ = e∫2/x dx = x2

Kamirkan

(x2y)′ = 6x3 → x2y = 6x4/4 + C

Syarat awal

1 = 6/4 + C → C = −0.5

Nilaikan

y(2) = (6·24/4 + (−0.5))/22 = 5.875

Jawapan

y(2) = 5.875

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods