Differentiaalvergelijkingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Differentiaalvergelijkingen

Exponentiële groei/afname
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halveringstijd
k = ln 2 / t½
Afkoelingswet van Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrerende factor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mengtank
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integralen

Machtsregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bepaalde integraal
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Standaardintegralen
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Oppervlakte tussen grafieken
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schrijf de integrand waar mogelijk als een som van eenvoudige termen.
  2. Pas de machtsregel toe: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), en de standaardintegralen voor ex, 1/x, sin en cos.
  3. Gebruik substitutie als je een functie en haar afgeleide samen ziet.
  4. Bereken bij een bepaalde integraal F(b) − F(a).

Afgeleiden

Machtsregel
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Productregel
(uv)′ = u′v + uv′
Quotiëntregel
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Kettingregel
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Standaardafgeleiden
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Methode

  1. Herken de structuur: som, product, quotiënt of samenstelling.
  2. Pas de machtsregel toe op elke macht van x.
  3. Gebruik waar nodig de product-, quotiënt- of kettingregel.
  4. Vereenvoudig, en vul het punt in als daarom wordt gevraagd.

Numerieke methoden

Bisectie
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Lineaire interpolatie
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapeziumregel
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regel van Simpson (n even)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Foutgrens trapeziumregel
|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)

Methode

  1. Controleer voor een nulpunt de tekenwisseling bij bisectie, of bereken f en f′ voor Newton, en houd zes of meer cijfers aan in een tabel van iteraties.
  2. Interpoleer voor een tabelwaarde lineair tussen de twee naburige punten.
  3. Bepaal voor een integraal h = (b − a)/n, noteer f in elk knooppunt, pas de gewichten toe (1, 2, …, 2, 1 voor trapezium; 1, 4, 2, …, 4, 1 voor Simpson met even n) en vermenigvuldig met h/2 of h/3.
  4. Zet voor een DV stappen vanaf t₀ met yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) of met de gemiddelde helling (Heun), één rij per stap, tot je de gevraagde t bereikt.

2Oefenopgaven

1.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 5y(1) = ?

Los y″ + 8y′ + 16y = 0 op met y(0) = 5 en y′(0) = -1. Bepaal y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(1) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, 2)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 2y/x = x op voor x > 0, met y(1) = 2. Bereken y(2).

y′ + 2y/x = xy(1) = 2
y(2) =
3.IntegralenGemiddeld
xy13y = x ln x

Bereken I = ∫₁3 x·ln x dx.

∫₁3 x ln x dx
I =
4.IntegralenMoeilijk
xyy = 2x2​y = x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = 2x2 en y = x.

y = 2x2y = x
A =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = −1

Gegeven f(x) = ln(3x2 + 1). Bereken f′(−1).

f(x) = ln(3x2 + 1)x = −1
f′(−1) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xyx = 3

De raaklijn aan f(x) = −x2 − 4x in x = 3 snijdt de y-as in y = b. Bereken b.

f(x) = −x2 − 4xx = 3
b =
7.Numerieke methodenGemiddeld
t (s)0123456v (m/s)361016222329

De snelheid van een voertuig wordt elke 1 s gemeten (tabel). Schat de afgelegde afstand s van t = 0 tot t = 6 s met de trapeziumregel.

h = 1 sn = 6
s = m
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,10,20,30,42,62,83ty(0, 3)

Gebruik de methode van Heun (verbeterde Euler) met h = 0,2 voor y′ = −2ty, y(0) = 3 om y2 ≈ y(0,4) te schatten.

y′ = −2tyy(0) = 3h = 0,2
y2 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1) = 0,4396

Lineaire tweede-ordevergelijkingen: probeer voor y″ + b·y′ + c·y = 0 y = ert: dit geeft de karakteristieke vergelijking r² + b·r + c = 0. Twee reële wortels r₁ ≠ r₂ geven y = A·er₁t + B·er₂t (overgedempt); een dubbele wortel r geeft y = (A + Bt)·ert (kritisch gedempt); complexe wortels −α ± jω geven y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (ondergedempt, oscillerend). De beginwaarden y(0) en y′(0) leggen A en B vast. Geschreven als y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 is ωn de eigenfrequentie en ζ de dempingsfactor: bij ζ < 1 oscilleert de oplossing. Bij een constante ingang, y″ + by′ + cy = c·K, is de oplossing de eindwaarde K plus de vrije respons.

Dubbele wortel

(r + 4)² = 0 → r = −4

Constanten

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 20 = 19

Bereken

y(1) = (5 + 19·1)·e−4 = 0,4396

Antwoord

y(1) = 0,4396
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 1,438

Eerste-orde differentiaalvergelijkingen: dy/dt = k·y heeft de oplossing y = y₀·ekt (groei voor k > 0, afname voor k < 0); een halveringstijd T geeft k = ln 2/T. De afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), geeft T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Een lineaire vergelijking y′ + p(x)·y = q(x) los je op met de integrerende factor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, dus μy = ∫μq dx + C.

Integrerende factor

μ = e∫2/x dx = x2

Integreren

(x2y)′ = x3 → x2y = 1x4/4 + C

Beginvoorwaarde

2 = 1/4 + C → C = 1,75

Bereken

y(2) = (1·24/4 + 1,75)/22 = 1,438

Antwoord

y(2) = 1,438
3.Integralen

Antwoord: I = 2,944

Partiële integratie: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, afgeleid uit de productregel. Kies voor u de factor die eenvoudiger wordt als je hem differentieert (een macht van x, of ln x), en voor dv de factor die je kunt integreren (eˣ, sin x, cos x, of x als u = ln x). Bereken bij een bepaalde integraal u·v op beide grenzen: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Een factor x² vraagt om twee rondes.

Kies u en dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitieve

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limieten

(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944

Antwoord

I = 2,944
4.Integralen

Antwoord: A = 0,04167

Bepaalde integralen: ∫ₐᵇ f(x) dx is de georiënteerde oppervlakte tussen de grafiek en de x-as van a tot b. Zoek een primitieve F (met F′ = f) en bereken F(b) − F(a). Machtsregel: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). De oppervlakte tussen twee krommen is ∫(bovenste − onderste) dx.

Snijpunten

2x2 = x → x = 0, x = 0,5

Bovenste min onderste integreren

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Antwoord

A = 0,04167
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(−1) = −1,5

Differentiëren: de afgeleide f′(x) is de helling van de grafiek in x. Machtsregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Productregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettingregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Waar f′(x) = 0 heeft de grafiek een horizontale raaklijn: een maximum, minimum of zadelpunt.

Kettingregel voor de logaritme

f′(x) = 6x/(3x2 + 1)

Invullen

f′(−1) = −6/4 = −1,5

Antwoord

f′(−1) = −1,5
6.Afgeleiden

Antwoord: b = 9

Differentiëren: de afgeleide f′(x) is de helling van de grafiek in x. Machtsregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Productregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettingregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Waar f′(x) = 0 heeft de grafiek een horizontale raaklijn: een maximum, minimum of zadelpunt.

Punt en helling

f(3) = −21
f′(x) = −2x − 4 → f′(3) = −10

Raaklijn bij x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −21 − (−10)·3 = 9

Antwoord

b = 9
7.Numerieke methoden

Antwoord: s = 93 m

Numerieke integratie: verdeel [a, b] in n stroken van breedte h = (b − a)/n met knooppunten x₀ … xₙ. Trapeziumregel: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regel van Simpson (n even): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. De fout van de trapeziumregel neemt af als h² (grens (b − a)h²·M/12 met M = max|f″|), die van Simpson als h⁴, dus Simpson is voor dezelfde knooppunten meestal veel nauwkeuriger.

Gewogen som

3 + 2·6 + 2·10 + 2·16 + 2·22 + 2·23 + 29 = 186

Trapeziumregel

s = (1/2)·186 = 93 m

Antwoord

s = 93 m
8.Numerieke methoden

Antwoord: y2 = 2,553

Numerieke oplossing van y′ = f(t, y): de methode van Euler stapt langs de helling aan het begin van elke stap: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). De methode van Heun (verbeterde Euler) middelt de helling aan het begin en bij een Euler-voorspelling: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). De klassieke Runge–Kutta-methode (RK4) combineert vier hellingen: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). De globale fout van Euler is evenredig met h, die van Heun met h², die van RK4 met h⁴.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁0030−1,22,8810,22,88−1,152−2,119682,552832

Heun-stappen

y₁ = 3 + (0,2/2)(0 − 1,2) = 2,88
y₂ = 2,88 + (0,2/2)(−1,152 − 2,11968) = 2,552832
00,10,20,30,42,62,83ty

Grafiek

y2 = 2,553

Antwoord

y2 = 2,553

De exacte waarde is y(0,4) = 2,556431.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations