Numerieke methoden: 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

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.

Rijen & reeksen

Rekenkundige rij
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Meetkundige rij
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Oneindige meetkundige reeks
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-reeks
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Quotiëntcriterium
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Convergentiestraal
R = lim |ck/ck+1|
Taylorpolynoom
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurinreeks
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrange-foutgrens
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Methode

  1. Bepaal het type: rekenkundig (constant verschil), meetkundig (constante reden), een standaardreeks, een machtreeks of een Taylorpolynoom.
  2. Gebruik voor sommen Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), of S = a₁/(1 − r) als |r| < 1, met a₁ de eerste term van de som.
  3. Gebruik voor convergentie eerst de test op de n-de term, vergelijk dan met Σ1/kᵖ of een meetkundige reeks, en gebruik het quotiënt- of wortelcriterium bij faculteiten en k-de machten.
  4. Noteer voor Taylorpolynomen f(a), f′(a), f″(a), …, deel de k-de afgeleide door k!, en begrens de fout met M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Matrices & determinanten

2×2-determinant
det = ad − bc
Inverse van een 2×2-matrix
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Product
(AB)ij = Σk AikBkj
Eigenwaarden
det(A − λI) = 0
Regel van Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

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

2Oefenopgaven

1.Numerieke methodenGemiddeld
xy00,33330,666711,3331,6672

Benader ∫02 e−x² dx met de regel van Simpson met n = 6 stroken. Geef S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
2.Numerieke methodenMoeilijk
01200,511,5ty(0, 0)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,5 voor y′ = e−ty, y(0) = 0 om y5 ≈ y(2,5) te schatten.

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,5
y5 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
xx₀ = 3??R

Bepaal de convergentiestraal R van de machtreeks Σk=1∞ (2k)!·(x − 3)ᵏ/(k!)².

Σ (2k)!·(x − 3)ᵏ/(k!)²x₀ = 3
R =
4.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₂0,4

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 2 van f(x) = cos(3x) om f(0,4) te benaderen. Geef P₂(0,4).

f(x) = cos(3x)n = 2x = 0,4
P₂(0.4) =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−3−45−4B =433−2

Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c21 (rij 2, kolom 1).

A = [−3 −4; 5 −4]B = [4 3; 3 −2]
c21 =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =451−5b =−41

Los het stelsel 4x + 5y = −4 en x − 5y = 1 op. Bereken x.

4x + 5y = −4x − 5y = 1
x =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 5y(2) = ?

Los y″ + 7y′ + 10y = 0 op met y(0) = 5 en y′(0) = -4. Bepaal y(2).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 5y′(0) = -4
y(2) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy13(1, 5)y(3) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 3y/x = x op voor x > 0, met y(1) = 5. Bereken y(3).

y′ + 3y/x = xy(1) = 5
y(3) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: S = 0,882

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)gewicht001110,3333330,894839420,6666670,641182310,367879441,3333330,169013251,6666670,06217654620,01831561

Knooppunten en waarden

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,894839 + 2·0,64118 + 4·0,367879 + 2·0,169013 + 4·0,0621765 + 0,0183156 = 7,938284

Regel van Simpson

S = (0,3333/3)·7,938284 = 0,882

Antwoord

S = 0,882

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

2.Numerieke methoden

Antwoord: y5 = 1,238

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₊₁00010,510,50,50,7788010,8894210,88940,4109021,09485131,51,0948510,1935391,191621421,1916210,0922511,237746

Euler-stappen

y₁ = 0 + 0,5·(1) = 0,5
y₂ = 0,5 + 0,5·(0,778801) = 0,8894
y₃ = 0,8894 + 0,5·(0,410902) = 1,094851
y₄ = 1,094851 + 0,5·(0,193539) = 1,191621
y₅ = 1,191621 + 0,5·(0,092251) = 1,237746
01200,511,5ty

Grafiek

y5 = 1,238

Antwoord

y5 = 1,238
3.Rijen & reeksen

Antwoord: R = 0,25

Convergentie: als de termen niet naar 0 gaan, divergeert de reeks (test op de n-de term). Σ1/kᵖ convergeert alleen voor p > 1, en Σrᵏ alleen voor |r| < 1. Vergelijk een reeks met een van deze als haar termen voor grote k zich zo gedragen. Quotiëntcriterium: L = lim |ak+1/ak|; wortelcriterium: L = lim |ak|1/k. L < 1 convergeert, L > 1 divergeert, L = 1 beslist niets. Een machtreeks Σck(x − x₀)ᵏ convergeert voor |x − x₀| < R met R = lim |ck/ck+1|; een alternerende reeks met termen die naar 0 afnemen convergeert.

Coëfficiënten

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, dus R = 1/4

Straal

R = 0,25

Antwoord

R = 0,25

Het quotiëntcriterium zegt niets in de twee eindpunten; die moeten apart worden gecontroleerd.

4.Rijen & reeksen

Antwoord: P₂(0.4) = 0,28

Taylorpolynomen: nabij x = a wordt een gladde functie benaderd door Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; voor a = 0 is dit het Maclaurinpolynoom. Standaardreeksen: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagrange-foutgrens: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, waarbij M de grootste waarde van |f⁽ⁿ⁺¹⁾| tussen a en x is.

Maclaurinpolynoom

P₂(x) = 1 − 4,5x²

Invullen

P₂(0,4) = 1 − 0,72 = 0,28

Antwoord

P₂(0,4) = 0,28

De exacte waarde is f(0,4) = 0,362358; de fout 0,0823578 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

5.Matrices & determinanten

Antwoord: c21 = 8

Matrices: de determinant van een 2×2-matrix is ad − bc. Bij 3×3 ontwikkel je naar een rij: elk element maal de determinant van de 2×2-matrix die overblijft na het schrappen van zijn rij en kolom, met afwisselende tekens + − +. Eigenwaarden λ voldoen aan det(A − λI) = 0; bij 2×2 is dat λ² − (spoor)·λ + det = 0.

Rij maal kolom

c21 = 5·4 + (−4)·3 = 8

Antwoord

c21 = 8
6.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −0,6

Matrices: de determinant van een 2×2-matrix is ad − bc. Bij 3×3 ontwikkel je naar een rij: elk element maal de determinant van de 2×2-matrix die overblijft na het schrappen van zijn rij en kolom, met afwisselende tekens + − +. Eigenwaarden λ voldoen aan det(A − λI) = 0; bij 2×2 is dat λ² − (spoor)·λ + det = 0.

Determinant van de coëfficiëntenmatrix

det A = 4·(−5) − 5·1 = −25

De x-kolom vervangen

det Aₓ = (−4)·(−5) − 5·1 = 15
x = 15/(−25) = −0,6

Antwoord

x = −0,6
y = −0,32
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 0,1281

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.

Karakteristieke wortels

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 5, −2A − 5B = -4
A = 7, B = −2

Bereken

y(2) = 7·e−4 + (−2)·e−10 = 0,1281

Antwoord

y(2) = 0,1281
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(3) = 1,978

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.

Integrerende factor

μ = e∫3/x dx = x3

Integreren

(x3y)′ = x4 → x3y = 1x5/5 + C

Beginvoorwaarde

5 = 1/5 + C → C = 4,8

Bereken

y(3) = (1·35/5 + 4,8)/33 = 1,978

Antwoord

y(3) = 1,978

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods