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
xy00.51

Anggarkan ∫01 eˣ dx dengan petua trapezium, n = 2, dan bandingkan dengan nilai tepat. Cari ralat mutlak |E| = |T − I|.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
2.Kaedah berangkaSukar
00.511.5024ty(0, 0.5)

Selesaikan y′ = 1.5y, y(0) = 0.5 dengan kaedah Euler dan langkah h = 0.5 sehingga t = 1.5. Penyelesaian tepat ialah y = y₀e1.5t. Cari ralat global |E| = |y(1.5) − y3|.

y′ = 1.5yy(0) = 0.5h = 0.5
|E| =
3.Jujukan & siriSederhana
AΣ 2/k³k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞

Tepat satu daripada empat siri mencapah. Klik siri itu.

A: Σ 2/k³B: Σ (−1)ᵏ/√kC: Σ 1/(3ᵏ + k)D: Σ (k + 5)/k²
  1. 1A: Σ 2/k³
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/√k
  3. 3C: Σ 1/(3ᵏ + k)
  4. 4D: Σ (k + 5)/k²
4.Jujukan & siriSukar
xyfP₃0.5

Gunakan polinomial Maclaurin berdarjah 3 bagi f(x) = ln(1 − x) untuk menganggarkan f(0.5). Beri P₃(0.5).

f(x) = ln(1 − x)n = 3x = 0.5
P₃(0.5) =
5.Matriks & penentuSederhana
A =054415135

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

A = [0 5 4; 4 1 5; 1 3 5]
det A =
6.Matriks & penentuSukar
A =12−4−2b =44

Selesaikan sistem x + 2y = 4 dan −4x − 2y = 4. Cari x.

x + 2y = 4−4x − 2y = 4
x =
7.Persamaan pembezaanSederhana
tyy(0) = 5y(1.5) = ?

Selesaikan y″ + 8y′ + 16y = 0 dengan y(0) = 5 dan y′(0) = -2. Cari y(1.5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1.5) =
8.Persamaan pembezaanSukar
tyK = 10y(1.5) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 4y′ + 29y = 290 untuk t ≥ 0, bermula dari pegun: y(0) = 0, y′(0) = 0. Cari y(1.5); sudut dalam radian.

y″ + 4y′ + 29y = 290y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: |E| = 0.03565

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.

Nilai tepat

I = 1.718282

Petua trapezium

T = (0.5/2)·(1 + 2·1.648721 + 2.718282) = 1.753931

Ralat

|E| = |1.753931 − 1.718282| = 0.03565

Jawapan

|E| = 0.03565

Ralat relatif: 2.075%.

2.Kaedah berangka

Jawapan: |E| = 2.064

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₊₁000.50.750.87510.50.8751.31251.53125211.531252.2968752.679688

Langkah Euler

y3 = 2.679688

Nilai tepat

y(1.5) = 4.743868

Ralat global

|E| = |4.743868 − 2.679688| = 2.064
00.511.5024ty

Graf

Jawapan

|E| = 2.064

Membahagi dua h kira-kira membahagi dua ralat kaedah Euler.

3.Jujukan & siri

Jawapan: D: Σ (k + 5)/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 2/k³ → Siri-p dengan p = 3 > 1: menumpu.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Berselang-seli, dengan 1/√k menurun kepada 0: menumpu (secara bersyarat).
C: Σ 1/(3ᵏ + k) → Lebih kecil daripada (1/3)ᵏ, siri geometri yang menumpu: menumpu melalui perbandingan.
D: Σ (k + 5)/k² → Berkelakuan seperti 1/k untuk k yang besar: mencapah melalui perbandingan dengan siri harmonik.

Jawapannya

D: Σ (k + 5)/k²

Jawapan

D: Σ (k + 5)/k²
4.Jujukan & siri

Jawapan: P₃(0.5) = −0.6667

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

P₃(x) = −x − 0.5x² − 0.3333x³

Gantikan

P₃(0.5) = −0.5 − 0.125 − 0.0416667 = −0.6667

Jawapan

P₃(0.5) = −0.6667

Nilai tepat ialah f(0.5) = −0.693147; ralat −0.0264805 mengecil apabila anda mengambil lebih banyak sebutan atau titik yang lebih dekat dengan 0.

5.Matriks & penentu

Jawapan: det A = −31

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 = −10, M₁₂ = 15, M₁₃ = 11

Pengembangan kofaktor

det A = 0·(−10) − 5·15 + 4·11 = −31

Jawapan

det A = −31
6.Matriks & penentu

Jawapan: x = −2.667

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 = 1·(−2) − 2·(−4) = 6

Gantikan lajur x

det Aₓ = 4·(−2) − 2·4 = −16
x = −16/6 = −2.667

Jawapan

x = −2.667
y = 3.333
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(1.5) = 0.07932

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 + 4)² = 0 → r = −4

Pemalar

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 20 = 18

Nilaikan

y(1.5) = (5 + 18·1.5)·e−6 = 0.07932

Jawapan

y(1.5) = 0.07932
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(1.5) = 9.641

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 = 10, r = −2 ± 5j

Pemalar daripada nilai awal

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −4

Nilaikan

y(1.5) = 10·(1 − e−3(cos 7.5 + 0.4·sin 7.5)) = 9.641

Jawapan

y(1.5) = 9.641

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods