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)18Ta​T = ?

Een blikje frisdrank van 4 °C wordt uit de koelkast in een kamer van 28 °C gezet. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,03 min⁻¹ de temperatuur T na 18 min.

T0 = 4 °CTa = 28 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 18 min
T = °C
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 2y(0,75) = ?

Los y″ + 4y′ + 13y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(0,75); hoeken in radialen.

y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralenGemiddeld
xy13

Bereken I = ∫13 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 3]
I =
4.IntegralenMoeilijk
xy0,5y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = 0

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

f(x) = (4x + 3)4x = 0
f′(0) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xy

Gegeven f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 1. Bereken de x-coördinaat x van het lokale minimum.

f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 1
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,16670,33330,50,66670,83331

Benader ∫01 1/(1 + x³) dx met de trapeziumregel met n = 6 stroken. Geef T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 6
T =
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,050,10,150,20,50,60,7ty(0, 0,5)

Zet één stap van de klassieke Runge–Kutta-methode (RK4) met h = 0,2 voor y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Bepaal y₁ ≈ y(0,2).

y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y1 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 14,01 °C

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.

Oplossing van de afkoelingswet

T(t) = 28 + (−24)·e−0,03t

Vul t in

T(18) = 28 + (−24)·0,5827 = 14,01 °C

Antwoord

T = 14,01 °C
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.75) = −0,04885

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 ± 3j

Constanten

A = 2, B = 2·2/3 = 1,333

Bereken

y(0,75) = e−1,5(2·cos 2,25 + 1,333·sin 2,25) = −0,04885

Antwoord

y(0,75) = −0,04885
3.Integralen

Antwoord: I = 5,493

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) = 5·ln x

Grenzen invullen

I = 5·(ln 3 − ln 1) = 5·ln 3 = 5,493

Antwoord

I = 5,493
4.Integralen

Antwoord: I = 0,0609

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

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Antwoord

I = 0,0609
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(0) = 432

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) = 4·(4x + 3)3·4

Invullen

f′(0) = 4·33·4 = 432

Antwoord

f′(0) = 432
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: T = 0,8339

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)gewicht001110,1666670,995392220,3333330,964286230,50,888889240,6666670,771429250,8333330,6334312610,51

Knooppunten en waarden

h = 0,1667
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,995392 + 2·0,964286 + 2·0,888889 + 2·0,771429 + 2·0,633431 + 0,5 = 10,006852

Trapeziumregel

T = (0,1667/2)·10,006852 = 0,8339

Antwoord

T = 0,8339

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: y1 = 0,688

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.

Vier hellingen

k₁ = f(0, 0,5) = 1
k₂ = f(0,1, 0,6) = 0,941765
k₃ = f(0,1, 0,594176) = 0,942313
k₄ = f(0,2, 0,688463) = 0,871367

Combineer

y₁ = 0,5 + (0,2/6)(1 + 2·0,941765 + 2·0,942313 + 0,871367) = 0,688

Antwoord

y1 = 0,688

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations