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(0,5) = ?

Los y″ + 6y′ + 9y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = -1. Bepaal y(0,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(0.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 10ymax​ = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal de piekwaarde ymax van zijn staprespons.

y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralenGemiddeld
xy2y = 2x

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

y = 2x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegralenMoeilijk
xy−22

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

y = 4 − x²
A =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = −1

Gegeven f(x) = (4x + 1)3. Bereken f′(−1).

f(x) = (4x + 1)3x = −1
f′(−1) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xy

Gegeven f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 5. Bereken de x-coördinaat x van het lokale maximum.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 5
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
t (s)05101520v (m/s)24101016

De snelheid van een voertuig wordt elke 5 s gemeten (tabel). Schat de afgelegde afstand s van t = 0 tot t = 20 s met de trapeziumregel.

h = 5 sn = 4
s = m
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,51510ty(0, 2)

Los y′ = 1,5y, y(0) = 2 op met de methode van Euler en stap h = 0,25 tot t = 1. De exacte oplossing is y = y₀e1,5t. Bepaal de globale fout |E| = |y(1) − y4|.

y′ = 1,5yy(0) = 2h = 0,25
|E| =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 1,004

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 + 3)² = 0 → r = −3

Constanten

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 6 = 5

Bereken

y(0,5) = (2 + 5·0,5)·e−1,5 = 1,004

Antwoord

y(0,5) = 1,004
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: ymax = 13,9

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.

Stationaire waarde en wortels

yss = 10, r = −1,5 ± 5j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3

Piek

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/5) = 13,9

Antwoord

ymax = 13,9
3.Integralen

Antwoord: V = 33,51

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∫₀2 4x² dx

Integreren

V = π·4·2³/3 = 33,51

Antwoord

V = 33,51

Controle: een kegel met straal 4 en hoogte 2 heeft (1/3)πr²h = 33,51.

4.Integralen

Antwoord: A = 10,67

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.

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) = 108

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 + 1)2·4

Invullen

f′(−1) = 3·(−3)2·4 = 108

Antwoord

f′(−1) = 108
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 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

f′(x) = 0 oplossen

x = 1 of x = 4

Welke is welke

f″(x) = 6x − 15: negatief in een maximum, positief in een minimum.

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 1

Antwoord

x = 1
7.Numerieke methoden

Antwoord: s = 165 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 + 2·4 + 2·10 + 2·10 + 16 = 66

Trapeziumregel

s = (5/2)·66 = 165 m

Antwoord

s = 165 m
8.Numerieke methoden

Antwoord: |E| = 1,814

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₊₁00232,7510,252,754,1253,7812520,53,781255,6718755,19921930,755,1992197,7988287,148926

Euler-stappen

y4 = 7,148926

Exacte waarde

y(1) = 8,963378

Globale fout

|E| = |8,963378 − 7,148926| = 1,814
00,51510ty

Grafiek

Antwoord

|E| = 1,814

Als je h halveert, halveert de fout van de methode van Euler ongeveer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations