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
t (min)T (°C)26Ta​21 °C

Een blikje frisdrank van 6 °C wordt uit de koelkast in een kamer van 24 °C gezet. Na 26 min is de temperatuur 21 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken de constante k in min⁻¹.

T0 = 6 °CTa = 24 °CT(26) = 21 °C
k = min⁻¹
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 2y(1) = ?

Los y″ + 4y′ + 29y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(1); hoeken in radialen.

y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegralenGemiddeld
xy1y = x·cos x

Bereken I = ∫₀1 x·cos x dx (x in radialen).

∫₀1 x·cos x dx
I =
4.IntegralenMoeilijk
xy2y = 6xy = 3x²

Het gebied tussen de lijn y = 6x en de parabool y = 3x² wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam.

y = 6xy = 3x²
V =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = 3

Gegeven f(x) = ln(2x2 + 4). Bereken f′(3).

f(x) = ln(2x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xy

Gegeven f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x − 2. Bereken de x-coördinaat x van het lokale minimum.

f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x − 2
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,33330,666711,3331,6672

Benader ∫02 e−x² dx met de regel van Simpson met n = 6 stroken. Geef S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,511,52123ty(0, 3)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,5 voor y′ = t − y, y(0) = 3 om y4 ≈ y(2) te schatten.

y′ = t − yy(0) = 3h = 0,5
y4 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: k = 0,06891 min⁻¹

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.

Verhouding van de temperatuurverschillen

e−26k = -3/-18

Los op naar k

k = ln(-18/-3)/26 = 0,06891 min⁻¹

Antwoord

k = 0,06891 min⁻¹
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1) = −0,02704

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.

Complexe wortels

r = −2 ± 5j

Constanten

A = 2, B = 2·2/5 = 0,8

Bereken

y(1) = e−2(2·cos 5 + 0,8·sin 5) = −0,02704

Antwoord

y(1) = −0,02704
3.Integralen

Antwoord: I = 0,3818

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Primitieve

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limieten

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818

Antwoord

I = 0,3818
4.Integralen

Antwoord: V = 120,6

Omwentelingslichamen: als je het gebied onder y = f(x) van x = a tot x = b om de x-as wentelt, ontstaat een lichaam waarvan de doorsnede bij x een schijf met straal f(x) is. Het optellen van de schijven geeft V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Ligt het gebied tussen een buitenste kromme R(x) en een binnenste kromme r(x), dan is elke plak een ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Kwadrateer de stralen voordat je ze van elkaar aftrekt.

Snijpunten

6x = 3x² → x = 0, x = 2

Ringmethode

V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx

Integreren

V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6

Antwoord

V = 120,6
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(3) = 0,5455

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) = 4x/(2x2 + 4)

Invullen

f′(3) = 12/22 = 0,5455

Antwoord

f′(3) = 0,5455
6.Afgeleiden

Antwoord: x = 6

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 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)

f′(x) = 0 oplossen

x = 3 of x = 6

Welke is welke

f″(x) = 6x − 27: negatief in een maximum, positief in een minimum.

f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 6

Antwoord

x = 6
7.Numerieke methoden

Antwoord: S = 0,882

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.

ixᵢf(xᵢ)gewicht001110,3333330,894839420,6666670,641182310,367879441,3333330,169013251,6666670,06217654620,01831561

Knooppunten en waarden

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,894839 + 2·0,64118 + 4·0,367879 + 2·0,169013 + 4·0,0621765 + 0,0183156 = 7,938284

Regel van Simpson

S = (0,3333/3)·7,938284 = 0,882

Antwoord

S = 0,882

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: y4 = 1,25

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₊₁003−31,510,51,5−112110131,510,51,25

Euler-stappen

y₁ = 3 + 0,5·(−3) = 1,5
y₂ = 1,5 + 0,5·(−1) = 1
y₃ = 1 + 0,5·(0) = 1
y₄ = 1 + 0,5·(0,5) = 1,25
00,511,52123ty

Grafiek

y4 = 1,25

Antwoord

y4 = 1,25

De exacte waarde is y(2) = 1,541341.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations