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)0102030405060v (m/s)28813161921

Laju sebuah kenderaan diukur setiap 10 s (jadual). Anggarkan jarak s yang dilalui dari t = 0 hingga t = 60 s dengan petua trapezium.

h = 10 sn = 6
s = m
2.Kaedah berangkaSukar
00.20.400.20.4ty(0, 0)

Gunakan kaedah Heun (Euler yang dipertingkat) dengan h = 0.25 untuk y′ = e−ty, y(0) = 0 untuk menganggar y2 ≈ y(0.5).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0.25
y2 =
3.Jujukan & siriSederhana
AΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞BΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞CΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

Tepat satu daripada empat siri menumpu. Klik siri itu.

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

f(x) = eˣ dianggarkan oleh polinomial Maclaurin berdarjah 4 pada x = 1. Gunakan had ralat Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! dengan M = e1 = 2.718 untuk mencari ralat terbesar yang mungkin |R₄|.

f(x) = eˣn = 4x = 1M = 2.718
|R₄| =
5.Matriks & penentuSederhana
A =1−622B =1−3−16

Biar C = AB bagi matriks yang ditunjukkan. Cari unsur c22 (baris 2, lajur 2).

A = [1 −6; 2 2]B = [1 −3; −1 6]
c22 =
6.Matriks & penentuSukar
A =−61−65b =−412

Selesaikan sistem −6x + y = −4 dan −6x + 5y = 12. Cari x.

−6x + y = −4−6x + 5y = 12
x =
7.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)23Ta​T = ?

Sekaleng minuman bergas pada 5 °C dikeluarkan daripada peti sejuk ke dalam bilik pada 23 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Dengan k = 0.09 min⁻¹, cari suhunya T selepas 23 min.

T0 = 5 °CTa = 23 °Ck = 0.09 min⁻¹t = 23 min
T = °C
8.Persamaan pembezaanSukar
tyy(0) = 2y(0.75) = ?

Selesaikan y″ + y′ + 9.25y = 0 dengan y(0) = 2 dan y′(0) = 0 (dilepaskan dari pegun). Cari y(0.75); sudut dalam radian.

y″ + y′ + 9.25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: s = 755 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

2 + 2·8 + 2·8 + 2·13 + 2·16 + 2·19 + 21 = 151

Petua trapezium

s = (10/2)·151 = 755 m

Jawapan

s = 755 m
2.Kaedah berangka

Jawapan: y2 = 0.4585

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₊₁00010.9394130.24242710.250.2424270.9411930.7875230.458516

Langkah Heun

y₁ = 0 + (0.25/2)(1 + 0.939413) = 0.242427
y₂ = 0.242427 + (0.25/2)(0.941193 + 0.787523) = 0.458516
00.20.400.20.4ty

Graf

y2 = 0.4585

Jawapan

y2 = 0.4585
3.Jujukan & siri

Jawapan: A: Σ 1/(2ᵏ + k)

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/(2ᵏ + k) → Lebih kecil daripada (1/2)ᵏ, siri geometri yang menumpu: menumpu melalui perbandingan.
B: Σ (k + 3)/k² → Berkelakuan seperti 1/k untuk k yang besar: mencapah melalui perbandingan dengan siri harmonik.
C: Σ (2k + 1)/(k + 2) → Sebutan menuju 2, bukan 0: mencapah melalui ujian sebutan ke-n.
D: Σ (3/2)ᵏ → Geometri dengan r = 3/2 > 1: sebutan membesar, maka ia mencapah.

Jawapannya

A: Σ 1/(2ᵏ + k)

Jawapan

A: Σ 1/(2ᵏ + k)
4.Jujukan & siri

Jawapan: |R₄| = 0.02265

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.

Had pada terbitan

M = e1 = 2.718

Had Lagrange

|R₄| ≤ 2.718·1⁵/5! = 0.02265

Jawapan

|R₄| = 0.02265

Ralat sebenar lebih kecil: |f(1) − P₄(1)| = 0.009948.

5.Matriks & penentu

Jawapan: c22 = 6

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

c22 = 2·(−3) + 2·6 = 6

Jawapan

c22 = 6
6.Matriks & penentu

Jawapan: x = 1.333

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 = (−6)·5 − 1·(−6) = −24

Gantikan lajur x

det Aₓ = (−4)·5 − 1·12 = −32
x = −32/(−24) = 1.333

Jawapan

x = 1.333
y = 4
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: T = 20.73 °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) = 23 + (−18)·e−0.09t

Gantikan t

T(23) = 23 + (−18)·0.1262 = 20.73 °C

Jawapan

T = 20.73 °C
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(0.75) = −0.6852

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 kompleks

r = −0.5 ± 3j

Pemalar

A = 2, B = 0.5·2/3 = 0.3333

Nilaikan

y(0.75) = e−0.375(2·cos 2.25 + 0.3333·sin 2.25) = −0.6852

Jawapan

y(0.75) = −0.6852

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods