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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 5y(1) = ?

Los y″ + 3y′ + 11,25y = 0 op met y(0) = 5 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(1); hoeken in radialen.

y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegralenGemiddeld
xy11,5y = x ln x

Bereken I = ∫₁1,5 x·ln x dx.

∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.IntegralenMoeilijk
xyy = 2x2​y = x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = 2x2 en y = x.

y = 2x2y = x
A =
5.AfgeleidenGemiddeld
xyx = −2

Gegeven f(x) = ln(3x2 + 5). Bereken f′(−2).

f(x) = ln(3x2 + 5)x = −2
f′(−2) =
6.AfgeleidenMoeilijk
xy

Gegeven f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x − 1. Bereken de x-coördinaat x van het lokale maximum.

f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x − 1
x =
7.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,250,50,7511,251,5

Benader ∫01,5 e−x² dx met de regel van Simpson met n = 6 stroken. Geef S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 6
S =
8.Numerieke methodenMoeilijk
00,10,20,30,40,50,60,7ty(0, 0,5)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,1 voor y′ = cos t − y, y(0) = 0,5 om y4 ≈ y(0,4) te schatten.

y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,1
y4 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 1,116

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 + 1)² = 0 → r = −1

Constanten

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

Bereken

y(1,5) = (2 + 2·1,5)·e−1,5 = 1,116

Antwoord

y(1,5) = 1,116
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1) = −1,026

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 = −1,5 ± 3j

Constanten

A = 5, B = 1,5·5/3 = 2,5

Bereken

y(1) = e−1,5(5·cos 3 + 2,5·sin 3) = −1,026

Antwoord

y(1) = −1,026
3.Integralen

Antwoord: I = 0,1436

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.

Kies u en dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitieve

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limieten

(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436

Antwoord

I = 0,1436
4.Integralen

Antwoord: A = 0,04167

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.

Snijpunten

2x2 = x → x = 0, x = 0,5

Bovenste min onderste integreren

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Antwoord

A = 0,04167
5.Afgeleiden

Antwoord: f′(−2) = −0,7059

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 voor de logaritme

f′(x) = 6x/(3x2 + 5)

Invullen

f′(−2) = −12/17 = −0,7059

Antwoord

f′(−2) = −0,7059
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: S = 0,8562

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)gewicht001110,250,939413420,50,778801230,750,5697834410,367879251,250,209611461,50,1053991

Knooppunten en waarden

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,939413 + 2·0,778801 + 4·0,569783 + 2·0,367879 + 4·0,209611 + 0,105399 = 10,273989

Regel van Simpson

S = (0,25/3)·10,273989 = 0,8562

Antwoord

S = 0,8562

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

8.Numerieke methoden

Antwoord: y4 = 0,6653

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₊₁000,50,50,5510,10,550,4450040,594520,20,59450,3855660,63305730,30,6330570,3222790,665285

Euler-stappen

y₁ = 0,5 + 0,1·(0,5) = 0,55
y₂ = 0,55 + 0,1·(0,445004) = 0,5945
y₃ = 0,5945 + 0,1·(0,385566) = 0,633057
y₄ = 0,633057 + 0,1·(0,322279) = 0,665285
00,10,20,30,40,50,60,7ty

Grafiek

y4 = 0,6653

Antwoord

y4 = 0,6653

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations