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)7Ta​13 °C

Een blikje frisdrank van 6 °C wordt uit de koelkast in een kamer van 25 °C gezet. Na 7 min is de temperatuur 13 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken de constante k in min⁻¹.

T0 = 6 °CTa = 25 °CT(7) = 13 °C
k = min⁻¹
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 5y(0,75) = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 3y′ + 11,25y = 56,25, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal y(0,75); hoeken in radialen.

y″ + 3y′ + 11,25y = 56,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralenGemiddeld
xy01

Bereken I = ∫01 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 1]
I =
4.IntegralenMoeilijk
xy1,5y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = 0,5

Gegeven f(x) = x3·e0,5x. Bereken f′(0,5).

f(x) = x3·e0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xy

Gegeven f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x + 3. Bereken de x-coördinaat x van het lokale maximum.

f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x + 3
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,250,50,751

Benader ∫01 1/√(1 + x⁴) dx met de trapeziumregel met n = 4 stroken. Geef T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,5124ty(0, 1)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,25 voor y′ = 1,5y, y(0) = 1 om y4 ≈ y(1) te schatten.

y′ = 1,5yy(0) = 1h = 0,25
y4 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: k = 0,06565 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−7k = -12/-19

Los op naar k

k = ln(-19/-12)/7 = 0,06565 min⁻¹

Antwoord

k = 0,06565 min⁻¹
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.75) = 5,388

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 = 5, r = −1,5 ± 3j

Constanten uit de beginwaarden

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

Bereken

y(0,75) = 5·(1 − e−1,125(cos 2,25 + 0,5·sin 2,25)) = 5,388

Antwoord

y(0,75) = 5,388
3.Integralen

Antwoord: I = 3,195

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) = e2x/2

Grenzen invullen

I = (e2 − 1)/2 = (7,389 − 1)/2 = 3,195

Antwoord

I = 3,195
4.Integralen

Antwoord: I = 3,602

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

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Antwoord

I = 3,602
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(0.5) = 1,043

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.

Productregel

f′(x) = u′v + uv′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)

Invullen

f′(0,5) = 1,284·(0,75 + 0,0625) = 1,043

Antwoord

f′(0,5) = 1,043
6.Afgeleiden

Antwoord: x = −4

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 = −4 of x = −1

Welke is welke

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

f″(−4) = −9, f″(−1) = 9
x = −4

Antwoord

x = −4
7.Numerieke methoden

Antwoord: T = 0,9233

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)gewicht001110,250,998053220,50,970143230,750,8715762410,7071071

Knooppunten en waarden

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,998053 + 2·0,970143 + 2·0,871576 + 0,707107 = 7,386648

Trapeziumregel

T = (0,25/2)·7,386648 = 0,9233

Antwoord

T = 0,9233

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: y4 = 3,574

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₊₁0011,51,37510,251,3752,06251,89062520,51,8906252,8359382,59960930,752,5996093,8994143,574463

Euler-stappen

y₁ = 1 + 0,25·(1,5) = 1,375
y₂ = 1,375 + 0,25·(2,0625) = 1,890625
y₃ = 1,890625 + 0,25·(2,835938) = 2,599609
y₄ = 2,599609 + 0,25·(3,899414) = 3,574463
00,5124ty

Grafiek

y4 = 3,574

Antwoord

y4 = 3,574

De exacte waarde is y(1) = 4,481689.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations