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 sin x dx dengan petua Simpson, n = 2, dan bandingkan dengan nilai tepat. Cari ralat mutlak |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
2.Kaedah berangkaSukar
00.20.40.50.60.7ty(0, 0.5)

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

y′ = cos t − yy(0) = 0.5h = 0.25
y2 =
3.Jujukan & siriSederhana
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Gunakan ujian nisbah pada Σk=1∞ k²·4ᵏ/3ᵏ. Cari L = lim |ak+1/ak|.

ak = k²·4ᵏ/3ᵏ
L =
4.Jujukan & siriSukar
xyfP₅0.8

Gunakan polinomial Maclaurin berdarjah 5 bagi f(x) = sin(3x) untuk menganggarkan f(0.8). Beri P₅(0.8).

f(x) = sin(3x)n = 5x = 0.8
P₅(0.8) =
5.Matriks & penentuSederhana
A =−1−30131−4−2−3

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

A = [−1 −3 0; 1 3 1; −4 −2 −3]
det A =
6.Matriks & penentuSukar
A =−4−45−2b =−88

Selesaikan sistem −4x − 4y = −8 dan 5x − 2y = 8. Cari x.

−4x − 4y = −85x − 2y = 8
x =
7.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)8Ta​46 °C60 °C

Secawan kopi pada 82 °C ditinggalkan di dalam bilik pada 24 °C. Selepas 8 min suhunya ialah 46 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Berapa lama selepas permulaan, t, untuk mencapai 60 °C?

T0 = 82 °CTa = 24 °CT(8) = 46 °CT = 60 °C
t = min
8.Persamaan pembezaanSukar
t (min)m (kg)t = ?28 kg

Sebuah tangki mengandungi 400 L air tulen. Air garam dengan 0.1 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 20 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Selepas berapa minit t tangki mengandungi 28 kg garam?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0.1 kg/Lr = 20 L/min
t = min

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: |E| = 0.008914

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 = 1.416147

Petua Simpson

S = (1/3)·(0 + 4·0.841471 + 0.909297) = 1.42506

Ralat

|E| = |1.42506 − 1.416147| = 0.008914

Jawapan

|E| = 0.008914

Ralat relatif: 0.6294%.

2.Kaedah berangka

Jawapan: y2 = 0.6736

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₊₁000.50.50.3439120.60548910.250.6054890.3634230.1812380.673572

Langkah Heun

y₁ = 0.5 + (0.25/2)(0.5 + 0.343912) = 0.605489
y₂ = 0.605489 + (0.25/2)(0.363423 + 0.181238) = 0.673572
00.20.40.50.60.7ty

Graf

y2 = 0.6736

Jawapan

y2 = 0.6736
3.Jujukan & siri

Jawapan: L = 1.333

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.

Nisbah sebutan berturutan

|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)²·4/3 → 4/3

Kesimpulan

L = 1.333 > 1

Jawapan

L = 1.333

L > 1, maka siri itu mencapah.

4.Jujukan & siri

Jawapan: P₅(0.8) = 0.7596

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

P₅(x) = 3x − 4.5x³ + 2.025x⁵

Gantikan

P₅(0.8) = 2.4 − 2.304 + 0.663552 = 0.7596

Jawapan

P₅(0.8) = 0.7596

Nilai tepat ialah f(0.8) = 0.675463; ralat −0.0840888 mengecil apabila anda mengambil lebih banyak sebutan atau titik yang lebih dekat dengan 0.

5.Matriks & penentu

Jawapan: det A = 10

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 = 1, M₁₃ = 10

Pengembangan kofaktor

det A = (−1)·(−7) − (−3)·1 + 0·10 = 10

Jawapan

det A = 10
6.Matriks & penentu

Jawapan: x = 1.714

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 = (−4)·(−2) − (−4)·5 = 28

Gantikan lajur x

det Aₓ = (−8)·(−2) − (−4)·8 = 48
x = 48/28 = 1.714

Jawapan

x = 1.714
y = 0.2857
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: t = 3.936 min

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.

Pemalar penyejukan

k = ln(58/22)/8 = 0.1212 min⁻¹

Masa untuk mencapai sasaran

t = ln(58/36)/0.1212 = 3.936 min

Jawapan

t = 3.936 min
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: t = 24.08 min

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.

Keputusan

m(t) = 40 + (−40)·e−t/20

Selesaikan untuk t

e−t/20 = (40 − 28)/(40 − 0) = 0.3
t = 20·ln(3.333) = 24.08 min

Jawapan

t = 24.08 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods