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
xy012

Anggarkan ∫02 e−x² dx dengan petua Simpson menggunakan n = 2 jalur. Beri S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
2.Kaedah berangkaSukar
00.10.20.311.21.4ty(0, 1)

Gunakan kaedah Heun (Euler yang dipertingkat) dengan h = 0.1 untuk y′ = t² + y², y(0) = 1 untuk menganggar y3 ≈ y(0.3).

y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0.1
y3 =
3.Jujukan & siriSederhana
AΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞CΣ 1/k²k = 1 … ∞DΣ k/(k + 8)k = 1 … ∞

Tepat satu daripada empat siri mencapah. Klik siri itu.

A: Σ (1/3)ᵏB: Σ 1/(k(k + 1))C: Σ 1/k²D: Σ k/(k + 8)
  1. 1A: Σ (1/3)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 1))
  3. 3C: Σ 1/k²
  4. 4D: Σ k/(k + 8)
4.Jujukan & siriSukar

Cari pekali c₂ bagi (x − 4)² dalam siri Taylor bagi f(x) = √x di sekitar a = 4.

f(x) = √xa = 4k = 2
c₂ =
5.Matriks & penentuSederhana
A =5−3−5−232011

Cari penentu det A bagi matriks 3×3 A yang ditunjukkan.

A = [5 −3 −5; −2 3 2; 0 1 1]
det A =
6.Matriks & penentuSukar
A =−2−5−2−3b =−4−2

Selesaikan sistem −2x − 5y = −4 dan −2x − 3y = −2. Cari x.

−2x − 5y = −4−2x − 3y = −2
x =
7.Persamaan pembezaanSederhana
tyy(0) = 5y(0.5) = ?

Selesaikan y″ + 2y′ + y = 0 dengan y(0) = 5 dan y′(0) = 2. Cari y(0.5).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
8.Persamaan pembezaanSukar
t (min)m (kg)100 minm = ?

Sebuah tangki mengandungi 500 L air tulen. Air garam dengan 0.05 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 2 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Berapakah jumlah garam m dalam tangki selepas 100 min?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0.05 kg/Lr = 2 L/min
m = kg

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: S = 0.8299

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)berat0011110.3678794220.01831561

Nod dan nilai

h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0.367879 + 0.0183156 = 2.489833

Petua Simpson

S = (1/3)·2.489833 = 0.8299

Jawapan

S = 0.8299

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

2.Kaedah berangka

Jawapan: y3 = 1.436

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00111.221.11110.11.1111.2443211.5662921.25153120.21.2515311.6063292.0842061.436057

Langkah Heun

y₁ = 1 + (0.1/2)(1 + 1.22) = 1.111
y₂ = 1.111 + (0.1/2)(1.244321 + 1.566292) = 1.251531
y₃ = 1.251531 + (0.1/2)(1.606329 + 2.084206) = 1.436057
00.10.20.311.21.4ty

Graf

y3 = 1.436

Jawapan

y3 = 1.436
3.Jujukan & siri

Jawapan: D: Σ k/(k + 8)

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 (1/3)ᵏ → Geometri dengan r = 1/3, |r| < 1: menumpu.
B: Σ 1/(k(k + 1)) → Lebih kecil daripada 1/k²: menumpu melalui perbandingan.
C: Σ 1/k² → Siri-p dengan p = 2 > 1: menumpu.
D: Σ k/(k + 8) → Sebutan menuju 1, bukan 0: mencapah melalui ujian sebutan ke-n.

Jawapannya

D: Σ k/(k + 8)

Jawapan

D: Σ k/(k + 8)
4.Jujukan & siri

Jawapan: c₂ = −0.01563

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.

Terbitan f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0.25·x1/2 − 2

Pekali

c₂ = −0.25·41/2 − 2/2! = −0.01563
c₂ = −0.01563

Jawapan

c₂ = −0.01563
5.Matriks & penentu

Jawapan: det A = 9

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.

Minor 2×2 baris pertama

M₁₁ = 1, M₁₂ = −2, M₁₃ = −2

Pengembangan kofaktor

det A = 5·1 − (−3)·(−2) + (−5)·(−2) = 9

Jawapan

det A = 9
6.Matriks & penentu

Jawapan: x = −0.5

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.

Penentu matriks pekali

det A = (−2)·(−3) − (−5)·(−2) = −4

Gantikan lajur x

det Aₓ = (−4)·(−3) − (−5)·(−2) = 2
x = 2/(−4) = −0.5

Jawapan

x = −0.5
y = 1
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(0.5) = 5.156

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.

Punca berganda

(r + 1)² = 0 → r = −1

Pemalar

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 5 = 7

Nilaikan

y(0.5) = (5 + 7·0.5)·e−0.5 = 5.156

Jawapan

y(0.5) = 5.156
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: m = 8.242 kg

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.

Sediakan persamaan

dm/dt = 2·0.05 − (2/500)·m = 0.1 − 0.004·m

Selesaikan

Faktor pengamiran ialah ert/V; penyelesaiannya menghampiri keseimbangan c·V.

m(t) = 25 + (−25)·e−t/250

Gantikan t

m(100) = 25 + (−25)·0.6703 = 8.242 kg

Jawapan

m = 8.242 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods