Differentiaalvergelijkingen: samenvattingspakket

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

Nieuwe opgaven Terug 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 = y₀e^kt
Halveringstijd: k = ln 2 / t_½
Afkoelingswet van Newton: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Standaardintegralen: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Oppervlakte tussen grafieken: ∫_a^b (f − g) dx

Methode

Schrijf de integrand waar mogelijk als een som van eenvoudige termen.
Pas de machtsregel toe: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), en de standaardintegralen voor e^x, 1/x, sin en cos.
Gebruik substitutie als je een functie en haar afgeleide samen ziet.
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

Herken de structuur: som, product, quotiënt of samenstelling.
Pas de machtsregel toe op elke macht van x.
Gebruik waar nodig de product-, quotiënt- of kettingregel.
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: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Lineaire interpolatie: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapeziumregel: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regel van Simpson (n even): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Foutgrens trapeziumregel: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Methode

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.
Interpoleer voor een tabelwaarde lineair tussen de twee naburige punten.
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.
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

Een kop koffie van 82 °C wordt achtergelaten in een kamer van 24 °C. Na 6 min is de temperatuur 67 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken de constante k in min⁻¹.

T₀ = 82 °CT_a = 24 °CT(6) = 67 °C

k = min⁻¹

2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk

Een tank bevat 400 L water waarin 20 kg zout is opgelost. Pekel met 0,2 kg zout per liter stroomt in met 10 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Hoeveel zout m zit er na 10 min in de tank?

V = 400 Lm₀ = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 10 L/min

m = kg

3.IntegralenGemiddeld

Bereken I = ∫₀² e^0,5x dx.

f(x) = e^0,5x[0, 2]

I =

4.IntegralenMoeilijk

Bereken de oppervlakte A van het gebied tussen de parabool y = 4 − x² en de x-as.

y = 4 − x²

A =

5.AfgeleidenGemiddeld

Gegeven f(x) = x·e^0,5x. Bereken f′(1).

f(x) = x·e^0,5xx = 1

f′(1) =

6.AfgeleidenMoeilijk

Gegeven f(x) = x³ + 10,5x² + 36x − 4. Bereken de x-coördinaat x van het lokale maximum.

f(x) = x³ + 10,5x² + 36x − 4

x =

7.Numerieke methodenGemiddeld

Benader ∫₀² 1/(1 + x³) dx met de regel van Simpson met n = 2 stroken. Geef S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 2

S =

8.Numerieke methodenMoeilijk

Gebruik de methode van Euler met h = 0,1 voor y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 om y₃ ≈ y(0,3) te schatten.

y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,1

y₃ =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: k = 0,04987 min⁻¹

Eerste-orde differentiaalvergelijkingen: dy/dt = k·y heeft de oplossing y = y₀·e^kt (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.

Verhouding van de temperatuurverschillen

e^−6k = 43/58

Los op naar k

k = ln(58/43)/6 = 0,04987 min⁻¹

Antwoord

k = 0,04987 min⁻¹

2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: m = 33,27 kg

Stel de vergelijking op

dm/dt = 10·0,2 − (10/400)·m = 2 − 0,025·m

Oplossen

De integrerende factor is e^rt/V; de oplossing nadert het evenwicht c·V.

m(t) = 80 + (−60)·e^−t/40

Vul t in

m(10) = 80 + (−60)·0,7788 = 33,27 kg

Antwoord

m = 33,27 kg

3.Integralen

Antwoord: I = 3,437

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.

Primitieve

F(x) = e^0,5x/0,5

Grenzen invullen

I = (e¹ − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437

Antwoord

I = 3,437

4.Integralen

Antwoord: A = 10,67

Nulpunten

4 − x² = 0 → x = ±2

Integreren

A = [4x − x³/3]₋₂² = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Antwoord

A = 10,67

5.Afgeleiden

Antwoord: f′(1) = 2,473

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.

Productregel

f′(x) = u′v + uv′ = e^0,5x·(1 + 0,5·x)

Invullen

f′(1) = 1,649·(1 + 0,5) = 2,473

Antwoord

f′(1) = 2,473

6.Afgeleiden

Antwoord: x = −4

Afgeleide

f′(x) = 3x² + 21x + 36 = 3·(x² + 7x + 12)

f′(x) = 0 oplossen

x = −4 of x = −3

Welke is welke

f″(x) = 6x + 21: negatief in een maximum, positief in een minimum.

f″(−4) = −3, f″(−3) = 3

x = −4

Antwoord

x = −4

7.Numerieke methoden

Antwoord: S = 1,037

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 + … + 2f_n−1 + fₙ]. Regel van Simpson (n even): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−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.

Knooppunten en waarden

h = 1

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,5 + 0,111111 = 3,111111

Regel van Simpson

S = (1/3)·3,111111 = 1,037

Antwoord

S = 1,037

Deze integraal heeft geen elementaire primitieve, en juist dan is een numerieke regel nodig.

8.Numerieke methoden

Antwoord: y₃ = 0,7452

Numerieke oplossing van y′ = f(t, y): de methode van Euler stapt langs de helling aan het begin van elke stap: y_n+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), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). De klassieke Runge–Kutta-methode (RK4) combineert vier hellingen: y_n+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.

Euler-stappen

y₁ = 0,5 + 0,1·(0,75) = 0,575

y₂ = 0,575 + 0,1·(0,819375) = 0,656937

y₃ = 0,656937 + 0,1·(0,882308) = 0,745168

Grafiek

y₃ = 0,7452

Antwoord

y₃ = 0,7452

De exacte waarde is y(0,3) = 0,755734.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations