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(1,5) = ?

Los y″ + 4y′ + 4y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = -1. Bepaal y(1,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(1.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)45 minm = ?

Een tank bevat 1000 L water waarin 10 kg zout is opgelost. Pekel met 0,25 kg zout per liter stroomt in met 20 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Hoeveel zout m zit er na 45 min in de tank?

V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
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 paraboloïde).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegralenMoeilijk
xy4y = 2xy = 0,5x²

Het gebied tussen de lijn y = 2x en de parabool y = 0,5x² wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam.

y = 2xy = 0,5x²
V =
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 − 9x2 + 24x + 2. Bereken de x-coördinaat x van het lokale minimum.

f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 2
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,51

Benader ∫01 e−x² dx met de regel van Simpson met n = 2 stroken. Geef S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,20,422,53ty(0, 3)

Gebruik de methode van Heun (verbeterde Euler) met h = 0,25 voor y′ = cos t − y, y(0) = 3 om y2 ≈ y(0,5) te schatten.

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,25
y2 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,3236

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 + 2)² = 0 → r = −2

Constanten

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 4 = 3

Bereken

y(1,5) = (2 + 3·1,5)·e−3 = 0,3236

Antwoord

y(1,5) = 0,3236
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: m = 152,4 kg

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.

Stel de vergelijking op

dm/dt = 20·0,25 − (20/1000)·m = 5 − 0,02·m

Oplossen

De integrerende factor is ert/V; de oplossing nadert het evenwicht c·V.

m(t) = 250 + (−240)·e−t/50

Vul t in

m(45) = 250 + (−240)·0,4066 = 152,4 kg

Antwoord

m = 152,4 kg
3.Integralen

Antwoord: V = 28,27

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 2x dx

Integreren

V = π·2·3²/2 = 28,27

Antwoord

V = 28,27
4.Integralen

Antwoord: V = 107,2

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

2x = 0,5x² → x = 0, x = 4

Ringmethode

V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx

Integreren

V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2

Antwoord

V = 107,2
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(1) = 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 + 1)2·4

Invullen

f′(1) = 3·52·4 = 300

Antwoord

f′(1) = 300
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)

f′(x) = 0 oplossen

x = 2 of x = 4

Welke is welke

f″(x) = 6x − 18: negatief in een maximum, positief in een minimum.

f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 4

Antwoord

x = 4
7.Numerieke methoden

Antwoord: S = 0,7472

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)gewicht001110,50,7788014210,3678791

Knooppunten en waarden

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,778801 + 0,367879 = 4,483083

Regel van Simpson

S = (0,5/3)·4,483083 = 0,7472

Antwoord

S = 0,7472

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: y2 = 2,199

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁003−2−1,5310882,55861410,252,558614−1,589702−1,2836062,199451

Heun-stappen

y₁ = 3 + (0,25/2)(−2 − 1,531088) = 2,558614
y₂ = 2,558614 + (0,25/2)(−1,589702 − 1,283606) = 2,199451
00,20,422,53ty

Grafiek

y2 = 2,199

Antwoord

y2 = 2,199

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations