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(1,5) = ?

Los y″ + 4y′ + 3y = 0 op met y(0) = 5 en y′(0) = 4. Bepaal y(1,5).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, −3)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 3y/x = 1 op voor x > 0, met y(1) = −3. Bereken y(2).

y′ + 3y/x = 1y(1) = −3
y(2) =
3.IntegralenGemiddeld
xy3y = 2x

Het gebied onder y = 2x van x = 0 tot x = 3 wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam (een kegel).

y = 2x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegralenMoeilijk
xyy = x2​y = 3x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = x2 en y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = 0

Gegeven f(x) = (4x + 5)3. Bereken f′(0).

f(x) = (4x + 5)3x = 0
f′(0) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xyx = 2

De raaklijn aan f(x) = −x2 − 2x − 6 in x = 2 snijdt de y-as in y = b. Bereken b.

f(x) = −x2 − 2x − 6x = 2
b =
7.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,51

Benader ∫01 1/(1 + x³) dx met de trapeziumregel met n = 2 stroken. Geef T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Numerieke methodenMoeilijk
01202040ty(0, 3)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,5 voor y′ = t + y, y(0) = 3 om y5 ≈ y(2,5) te schatten.

y′ = t + yy(0) = 3h = 0,5
y5 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 2,07

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.

Karakteristieke wortels

(r + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 5, −1A − 3B = 4
A = 9,5, B = −4,5

Bereken

y(1,5) = 9,5·e−1,5 + (−4,5)·e−4,5 = 2,07

Antwoord

y(1,5) = 2,07
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 0,09375

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∫3/x dx = x3

Integreren

(x3y)′ = x3 → x3y = 1x4/4 + C

Beginvoorwaarde

−3 = 1/4 + C → C = −3,25

Bereken

y(2) = (1·24/4 + (−3,25))/23 = 0,09375

Antwoord

y(2) = 0,09375
3.Integralen

Antwoord: V = 113,1

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.

Schijfmethode

V = π∫₀3 4x² dx

Integreren

V = π·4·3³/3 = 113,1

Antwoord

V = 113,1

Controle: een kegel met straal 6 en hoogte 3 heeft (1/3)πr²h = 113,1.

4.Integralen

Antwoord: A = 4,5

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

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Bovenste min onderste integreren

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Antwoord

A = 4,5
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(0) = 300

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

f′(x) = 3·(4x + 5)2·4

Invullen

f′(0) = 3·52·4 = 300

Antwoord

f′(0) = 300
6.Afgeleiden

Antwoord: b = −2

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(2) = −14
f′(x) = −2x − 2 → f′(2) = −6

Raaklijn bij x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −14 − (−6)·2 = −2

Antwoord

b = −2
7.Numerieke methoden

Antwoord: T = 0,8194

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)gewicht001110,50,8888892210,51

Knooppunten en waarden

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,888889 + 0,5 = 3,277778

Trapeziumregel

T = (0,5/2)·3,277778 = 0,8194

Antwoord

T = 0,8194

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: y5 = 26,88

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₊₁00334,510,54,55721781131,51112,517,254217,2519,2526,875

Euler-stappen

y₁ = 3 + 0,5·(3) = 4,5
y₂ = 4,5 + 0,5·(5) = 7
y₃ = 7 + 0,5·(8) = 11
y₄ = 11 + 0,5·(12,5) = 17,25
y₅ = 17,25 + 0,5·(19,25) = 26,875
01202040ty

Grafiek

y5 = 26,88

Antwoord

y5 = 26,88

De exacte waarde is y(2,5) = 45,229976.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations