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)01020304050v (m/s)101113152123

Laju sebuah kenderaan diukur setiap 10 s (jadual). Anggarkan jarak s yang dilalui dari t = 0 hingga t = 50 s dengan petua trapezium.

h = 10 sn = 5
s = m
2.Kaedah berangkaSukar
00.050.10.150.2−1−0.8−0.6ty(0, −1)

Ambil satu langkah kaedah Runge–Kutta klasik (RK4) dengan h = 0.2 untuk y′ = cos t − y, y(0) = −1. Cari y₁ ≈ y(0.2).

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0.2
y1 =
3.Jujukan & siriSederhana
kSn​12345678910S = ?

Cari hasil tambah S = Σk=1∞ 3/(k(k + 4)).

ak = 3/(k(k + 4))
S =
4.Jujukan & siriSukar
xyfP₂1

Gunakan polinomial Maclaurin berdarjah 2 bagi f(x) = eˣ untuk menganggarkan f(1). Beri P₂(1).

f(x) = eˣn = 2x = 1
P₂(1) =
5.Matriks & penentuSederhana
A =−2011−2301−5

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

A = [−2 0 1; 1 −2 3; 0 1 −5]
det A =
6.Matriks & penentuSukar
A =54−8−7

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

A = [5 4; −8 −7]
λ =
7.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)5Ta​8 °C

Sekaleng minuman bergas pada 5 °C dikeluarkan daripada peti sejuk ke dalam bilik pada 25 °C. Selepas 5 min suhunya ialah 8 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Cari pemalar k dalam min⁻¹.

T0 = 5 °CTa = 25 °CT(5) = 8 °C
k = min⁻¹
8.Persamaan pembezaanSukar
t (min)m (kg)10 minm = ?

Sebuah tangki mengandungi 100 L air tulen. Air garam dengan 0.05 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 20 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Berapakah jumlah garam m dalam tangki selepas 10 min?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0.05 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: s = 765 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

10 + 2·11 + 2·13 + 2·15 + 2·21 + 23 = 153

Petua trapezium

s = (10/2)·153 = 765 m

Jawapan

s = 765 m
2.Kaedah berangka

Jawapan: y1 = −0.6387

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.

Empat cerun

k₁ = f(0, −1) = 2
k₂ = f(0.1, −0.8) = 1.795004
k₃ = f(0.1, −0.8205) = 1.815504
k₄ = f(0.2, −0.636899) = 1.616966

Gabungkan

y₁ = −1 + (0.2/6)(2 + 2·1.795004 + 2·1.815504 + 1.616966) = −0.6387

Jawapan

y1 = −0.6387
3.Jujukan & siri

Jawapan: S = 1.562

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.

Pecahan separa

3/(k(k + 4)) = (3/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Batal

S = (3/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 1.562

Jawapan

S = 1.562
4.Jujukan & siri

Jawapan: P₂(1) = 2.5

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.

Polinomial Maclaurin

P₂(x) = 1 + x + 0.5x²

Gantikan

P₂(1) = 1 + 1 + 0.5 = 2.5

Jawapan

P₂(1) = 2.5

Nilai tepat ialah f(1) = 2.718282; ralat 0.218282 mengecil apabila anda mengambil lebih banyak sebutan atau titik yang lebih dekat dengan 0.

5.Matriks & penentu

Jawapan: det A = −13

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 = 7, M₁₂ = −5, M₁₃ = 1

Pengembangan kofaktor

det A = (−2)·7 − 0·(−5) + 1·1 = −13

Jawapan

det A = −13
6.Matriks & penentu

Jawapan: λ = 1

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 + (−3) = 0

Selesaikan

λ = (−2 ± √(16))/2 → λ = −3, 1
λ = 1

Jawapan

λ = 1
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: k = 0.0325 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−5k = -17/-20

Selesaikan untuk k

k = ln(-20/-17)/5 = 0.0325 min⁻¹

Jawapan

k = 0.0325 min⁻¹
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: m = 4.323 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 = 20·0.05 − (20/100)·m = 1 − 0.2·m

Selesaikan

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

m(t) = 5 + (−5)·e−t/5

Gantikan t

m(10) = 5 + (−5)·0.1353 = 4.323 kg

Jawapan

m = 4.323 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods