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
xy00.511.522.53

Anggarkan ∫03 √x·e−x dx dengan petua Simpson menggunakan n = 6 jalur. Beri S.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 6
S =
2.Kaedah berangkaSukar
00.10.20.31.61.82ty(0, 2)

Gunakan kaedah Heun (Euler yang dipertingkat) dengan h = 0.1 untuk y′ = t − y, y(0) = 2 untuk menganggar y3 ≈ y(0.3).

y′ = t − yy(0) = 2h = 0.1
y3 =
3.Jujukan & siriSederhana
xx₀ = 1??R

Cari jejari penumpuan R bagi siri kuasa Σk=1∞ (x − 1)ᵏ/(k²·(1/2)ᵏ).

Σ (x − 1)ᵏ/(k²·(1/2)ᵏ)x₀ = 1
R =
4.Jujukan & siriSukar

f(x) = cos x dianggarkan pada x = 1 oleh polinomial Maclaurin berdarjah n. Dengan had Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! dan M = 1, cari darjah terkecil n yang menjamin ralat di bawah 0.0001.

f(x) = cos xx = 1M = 1ε = 0.0001
n =
5.Matriks & penentuSederhana
A =54−4−5B =−2−251

Biar C = AB bagi matriks yang ditunjukkan. Cari unsur c11 (baris 1, lajur 1).

A = [5 4; −4 −5]B = [−2 −2; 5 1]
c11 =
6.Matriks & penentuSukar
A =−12−56

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

A = [−1 2; −5 6]
λ =
7.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)28Ta​25 °C21 °C

Secawan kopi pada 92 °C ditinggalkan di dalam bilik pada 19 °C. Selepas 28 min suhunya ialah 25 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Berapa lama selepas permulaan, t, untuk mencapai 21 °C?

T0 = 92 °CTa = 19 °CT(28) = 25 °CT = 21 °C
t = min
8.Persamaan pembezaanSukar
t (min)m (kg)35 minm = ?

Sebuah tangki mengandungi 200 L air yang di dalamnya terlarut 5 kg garam. Air garam dengan 0.05 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 10 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Berapakah jumlah garam m dalam tangki selepas 35 min?

V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0.05 kg/Lr = 10 L/min
m = kg

3Larutan

1.Kaedah berangka

Jawapan: S = 0.7554

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)berat000110.50.4288824210.367879231.50.2732784420.191393252.50.1297884630.08623371

Nod dan nilai

h = 0.5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.428882 + 2·0.367879 + 4·0.273278 + 2·0.191393 + 4·0.129788 + 0.0862337 = 4.532568

Petua Simpson

S = (0.5/3)·4.532568 = 0.7554

Jawapan

S = 0.7554

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

2.Kaedah berangka

Jawapan: y3 = 1.524

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₊₁002−2−1.71.81510.11.815−1.715−1.44351.65707520.21.657075−1.457075−1.2113671.523653

Langkah Heun

y₁ = 2 + (0.1/2)(−2 − 1.7) = 1.815
y₂ = 1.815 + (0.1/2)(−1.715 − 1.4435) = 1.657075
y₃ = 1.657075 + (0.1/2)(−1.457075 − 1.211367) = 1.523653
00.10.20.31.61.82ty

Graf

y3 = 1.524

Jawapan

y3 = 1.524

Nilai tepat ialah y(0.3) = 1.522455.

3.Jujukan & siri

Jawapan: R = 0.5

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.

Pekali

ck/ck+1 = (1/2)·((k + 1)/k)² → 0.5

Jejari

R = 0.5

Jawapan

R = 0.5

Ujian nisbah tidak menentukan apa-apa pada kedua-dua titik hujung; ia mesti disemak secara berasingan.

4.Jujukan & siri

Jawapan: n = 7

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.

n(n + 1)!had011120.5260.16673240.0416741200.00833357200.001389650400.00019847403202.48 × 10⁻⁵

Had untuk n yang meningkat

n = 6: 0.0001984 ≥ 0.0001
n = 7: 2.48 × 10⁻⁵ < 0.0001

Darjah terkecil

n = 7

Jawapan

n = 7
5.Matriks & penentu

Jawapan: c11 = 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.

Baris darab lajur

c11 = 5·(−2) + 4·5 = 10

Jawapan

c11 = 10
6.Matriks & penentu

Jawapan: λ = 4

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 − (5)λ + (4) = 0

Selesaikan

λ = (5 ± √(9))/2 → λ = 1, 4
λ = 4

Jawapan

λ = 4
7.Persamaan pembezaan

Jawapan: t = 40.31 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(73/6)/28 = 0.08924 min⁻¹

Masa untuk mencapai sasaran

t = ln(73/2)/0.08924 = 40.31 min

Jawapan

t = 40.31 min
8.Persamaan pembezaan

Jawapan: m = 9.131 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 = 10·0.05 − (10/200)·m = 0.5 − 0.05·m

Selesaikan

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

m(t) = 10 + (−5)·e−t/20

Gantikan t

m(35) = 10 + (−5)·0.1738 = 9.131 kg

Jawapan

m = 9.131 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods