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
t (s)01234v (m/s)55375

Laju sebuah kenderaan diukur setiap 1 s (jadual). Anggarkan jarak s yang dilalui dari t = 0 hingga t = 4 s dengan petua trapezium.

h = 1 sn = 4
s = m
2.Kaedah berangkaSukar
00.20.40.60.80.51ty(0, 0.5)

Gunakan kaedah Euler dengan h = 0.2 untuk y′ = e−ty, y(0) = 0.5 untuk menganggar y4 ≈ y(0.8).

y′ = e−tyy(0) = 0.5h = 0.2
y4 =
3.Jujukan & siriSederhana
AΣ 3/k²k = 1 … ∞BΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞CΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞

Tepat satu daripada empat siri mencapah. Klik siri itu.

A: Σ 3/k²B: Σ 2ᵏ/k²C: Σ (1/2)ᵏD: Σ (−1)ᵏ/√k
  1. 1A: Σ 3/k²
  2. 2B: Σ 2ᵏ/k²
  3. 3C: Σ (1/2)ᵏ
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/√k
4.Jujukan & siriSukar

Kenali siri itu dan cari hasil tambahnya: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0.5ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0.5ᵏ/k
S =
5.Matriks & penentuSederhana
A =3−12−6B =30−44

Biar C = AB bagi matriks yang ditunjukkan. Cari unsur c21 (baris 2, lajur 1).

A = [3 −1; 2 −6]B = [3 0; −4 4]
c21 =
6.Matriks & penentuSukar
A =−1−3−3−1

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

A = [−1 −3; −3 −1]
λ =
7.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)28Ta​26 °C

Secawan kopi pada 83 °C ditinggalkan di dalam bilik pada 19 °C. Selepas 28 min suhunya ialah 26 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Cari pemalar k dalam min⁻¹.

T0 = 83 °CTa = 19 °CT(28) = 26 °C
k = min⁻¹
8.Persamaan pembezaanSukar
tyK = 1ymax​ = ?

Satu sistem mematuhi y″ + y′ + 16.25y = 16.25 untuk t ≥ 0, bermula dari pegun: y(0) = 0, y′(0) = 0. Cari nilai puncak ymax sambutan langkahnya.

y″ + y′ + 16.25y = 16.25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: s = 20 m

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.

Hasil tambah berpemberat

5 + 2·5 + 2·3 + 2·7 + 5 = 40

Petua trapezium

s = (1/2)·40 = 20 m

Jawapan

s = 20 m
2.Kaedah berangka

Jawapan: y4 = 1.124

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₊₁000.510.710.20.70.8693580.87387220.40.8738720.7050061.01487330.61.0148730.5439361.12366

Langkah Euler

y₁ = 0.5 + 0.2·(1) = 0.7
y₂ = 0.7 + 0.2·(0.869358) = 0.873872
y₃ = 0.873872 + 0.2·(0.705006) = 1.014873
y₄ = 1.014873 + 0.2·(0.543936) = 1.12366
00.20.40.60.80.51ty

Graf

y4 = 1.124

Jawapan

y4 = 1.124
3.Jujukan & siri

Jawapan: B: 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 3/k² → Siri-p dengan p = 2 > 1: menumpu.
B: Σ 2ᵏ/k² → Ujian nisbah: L = 2 > 1, mencapah.
C: Σ (1/2)ᵏ → Geometri dengan r = 1/2, |r| < 1: menumpu.
D: Σ (−1)ᵏ/√k → Berselang-seli, dengan 1/√k menurun kepada 0: menumpu (secara bersyarat).

Jawapannya

B: Σ 2ᵏ/k²

Jawapan

B: Σ 2ᵏ/k²
4.Jujukan & siri

Jawapan: S = 0.4055

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.

Siri piawai

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Gantikan

x = 0.5
S = ln 1.5 = 0.4055

Jawapan

S = 0.4055
5.Matriks & penentu

Jawapan: c21 = 30

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

c21 = 2·3 + (−6)·(−4) = 30

Jawapan

c21 = 30
6.Matriks & penentu

Jawapan: λ = 2

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 − (−2)λ + (−8) = 0

Selesaikan

λ = (−2 ± √(36))/2 → λ = −4, 2
λ = 2

Jawapan

λ = 2
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: k = 0.07903 min⁻¹

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.

Nisbah beza suhu

e−28k = 7/64

Selesaikan untuk k

k = ln(64/7)/28 = 0.07903 min⁻¹

Jawapan

k = 0.07903 min⁻¹
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: ymax = 1.675

Persamaan linear tertib kedua: bagi y″ + b·y′ + c·y = 0 cuba y = ert: ini memberikan persamaan ciri r² + b·r + c = 0. Dua punca nyata r₁ ≠ r₂ memberikan y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lampau); punca berganda r memberikan y = (A + Bt)·ert (redaman genting); punca kompleks −α ± jω memberikan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berayun). Nilai awal y(0) dan y′(0) menetapkan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn ialah frekuensi tabii dan ζ nisbah redaman: ζ < 1 berayun. Dengan input malar, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya ialah nilai mantap K tambah sambutan bebas.

Nilai mantap dan punca

yss = 1, r = −0.5 ± 4j

Pemalar daripada nilai awal

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0.5A + 4B = 0 → B = −0.125

Puncak

t = π/4 = 0.7854
ymax = 1·(1 + e−0.5·π/4) = 1.675

Jawapan

ymax = 1.675

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods