Differentiaalvergelijkingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgaven Terug 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 = y₀e^kt
Halveringstijd: k = ln 2 / t_½
Afkoelingswet van Newton: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Standaardintegralen: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Oppervlakte tussen grafieken: ∫_a^b (f − g) dx

Methode

Schrijf de integrand waar mogelijk als een som van eenvoudige termen.
Pas de machtsregel toe: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), en de standaardintegralen voor e^x, 1/x, sin en cos.
Gebruik substitutie als je een functie en haar afgeleide samen ziet.
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

Herken de structuur: som, product, quotiënt of samenstelling.
Pas de machtsregel toe op elke macht van x.
Gebruik waar nodig de product-, quotiënt- of kettingregel.
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: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Lineaire interpolatie: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapeziumregel: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regel van Simpson (n even): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Foutgrens trapeziumregel: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Methode

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.
Interpoleer voor een tabelwaarde lineair tussen de twee naburige punten.
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.
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

Een kop koffie van 89 °C wordt achtergelaten in een kamer van 20 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,05 min⁻¹ de temperatuur T na 14 min.

T₀ = 89 °CT_a = 20 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 14 min

T = °C

2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk

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

y′ + 2y/x = 2xy(1) = −3

y(3) =

3.IntegralenGemiddeld

Bereken I = ∫₂⁶ 5/x dx.

f(x) = 5/x[2, 6]

I =

4.IntegralenMoeilijk

Het gebied tussen de lijn y = 4x en de parabool y = 3x² wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam.

y = 4xy = 3x²

V =

5.AfgeleidenGemiddeld

Gegeven f(x) = x²·e^x. Bereken f′(1).

f(x) = x²·e^xx = 1

f′(1) =

6.AfgeleidenMoeilijk

De raaklijn aan f(x) = x² − 6 in x = 3 snijdt de y-as in y = b. Bereken b.

f(x) = x² − 6x = 3

b =

7.Numerieke methodenGemiddeld

Benader ∫₀² 1/(1 + x³) dx met de regel van Simpson met n = 6 stroken. Geef S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6

S =

8.Numerieke methodenMoeilijk

Los y′ = t − y, y(0) = 0,5 op met de methode van Euler en stap h = 0,2 tot t = 0,8. De exacte oplossing is y = t − 1 + (y₀ + 1)e^−t. Bepaal de globale fout |E| = |y(0,8) − y₄|.

y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,2

|E| =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 54,26 °C

Eerste-orde differentiaalvergelijkingen: dy/dt = k·y heeft de oplossing y = y₀·e^kt (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) = 20 + 69·e^−0,05t

Vul t in

T(14) = 20 + 69·0,4966 = 54,26 °C

Antwoord

T = 54,26 °C

2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(3) = 4,111

Integrerende factor

μ = e^{∫2/x dx} = x²

Integreren

(x²y)′ = 2x³ → x²y = 2x⁴/4 + C

Beginvoorwaarde

−3 = 2/4 + C → C = −3,5

Bereken

y(3) = (2·3⁴/4 + (−3,5))/3² = 4,111

Antwoord

y(3) = 4,111

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 6 − ln 2) = 5·ln 3 = 5,493

Antwoord

I = 5,493

4.Integralen

Antwoord: V = 15,89

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

4x = 3x² → x = 0, x = 1,333

Ringmethode

V = π∫₀^1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx

Integreren

V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89

Antwoord

V = 15,89

5.Afgeleiden

Antwoord: f′(1) = 8,155

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′ = e^x·(2x + 1·x²)

Invullen

f′(1) = 2,718·(2 + 1) = 8,155

Antwoord

f′(1) = 8,155

6.Afgeleiden

Antwoord: b = −15

Punt en helling

f(3) = 3

f′(x) = 2x → f′(3) = 6

Raaklijn bij x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − 6·3 = −15

Antwoord

b = −15

7.Numerieke methoden

Antwoord: S = 1,091

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 + … + 2f_n−1 + fₙ]. Regel van Simpson (n even): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−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.

Knooppunten en waarden

h = 0,3333

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,964286 + 2·0,771429 + 4·0,5 + 2·0,296703 + 4·0,177632 + 0,111111 = 9,815044

Regel van Simpson

S = (0,3333/3)·9,815044 = 1,091

Antwoord

S = 1,091

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: |E| = 0,05959

Numerieke oplossing van y′ = f(t, y): de methode van Euler stapt langs de helling aan het begin van elke stap: y_n+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), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). De klassieke Runge–Kutta-methode (RK4) combineert vier hellingen: y_n+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.

Euler-stappen

y₄ = 0,4144

Exacte waarde

y(0,8) = 0,473993

Globale fout

|E| = |0,473993 − 0,4144| = 0,05959

Grafiek

Antwoord

|E| = 0,05959

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

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations