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) = 2y(1,5) = ?

Los y″ + 8y′ + 16y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = 0. Bepaal y(1,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)70 minm = ?

Een tank bevat 400 L water waarin 10 kg zout is opgelost. Pekel met 0,1 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 70 min in de tank?

V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.IntegralenGemiddeld
xy02

Bereken I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.IntegralenMoeilijk
xy1y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = 1,5

Gegeven f(x) = x·sin(x), met x in radialen. Bereken f′(1,5).

f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xy

Gegeven f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 4. Bereken de x-coördinaat x van het lokale minimum.

f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 4
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
t (s)010203040v (m/s)2591213

De snelheid van een voertuig wordt elke 10 s gemeten (tabel). Schat de afgelegde afstand s van t = 0 tot t = 40 s met de regel van Simpson.

h = 10 sn = 4
s = m
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,20,400,20,40,6ty(0, 0)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,1 voor y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 om y5 ≈ y(0,5) te schatten.

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,1
y5 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,0347

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) = 2
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 8 = 8

Bereken

y(1,5) = (2 + 8·1,5)·e−6 = 0,0347

Antwoord

y(1,5) = 0,0347
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: m = 34,79 kg

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.

Stel de vergelijking op

dm/dt = 10·0,1 − (10/400)·m = 1 − 0,025·m

Oplossen

De integrerende factor is ert/V; de oplossing nadert het evenwicht c·V.

m(t) = 40 + (−30)·e−t/40

Vul t in

m(70) = 40 + (−30)·0,1738 = 34,79 kg

Antwoord

m = 34,79 kg
3.Integralen

Antwoord: I = 12

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.

Substitutie

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du

Integreren en invullen

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

Antwoord

I = 12
4.Integralen

Antwoord: I = 0,7183

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.

Eerste ronde

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Tweede ronde

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limieten

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Antwoord

I = 0,7183
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(1.5) = 1,104

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.

Product- en kettingregel

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

Invullen

f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104

Antwoord

f′(1,5) = 1,104
6.Afgeleiden

Antwoord: x = 1

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.

Afgeleide

f′(x) = 3x2 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)

f′(x) = 0 oplossen

x = −3 of x = 1

Welke is welke

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

f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1

Antwoord

x = 1
7.Numerieke methoden

Antwoord: s = 336,7 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

2 + 4·5 + 2·9 + 4·12 + 13 = 101

Regel van Simpson

s = (10/3)·101 = 336,7 m

Antwoord

s = 336,7 m
8.Numerieke methoden

Antwoord: y5 = 0,5306

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00010,110,10,11,010,20120,20,2011,0401890,30501930,30,3050191,0913780,41415740,40,4141571,1649060,530647

Euler-stappen

y₁ = 0 + 0,1·(1) = 0,1
y₂ = 0,1 + 0,1·(1,01) = 0,201
y₃ = 0,201 + 0,1·(1,040189) = 0,305019
y₄ = 0,305019 + 0,1·(1,091378) = 0,414157
y₅ = 0,414157 + 0,1·(1,164906) = 0,530647
00,20,400,20,40,6ty

Grafiek

y5 = 0,5306

Antwoord

y5 = 0,5306

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations