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

De trapeziumregel wordt gebruikt voor ∫02 x³ dx. De fout is hoogstens (b − a)³·M/(12n²) met M = max|f″| op [0, 2]. Bepaal het kleinste aantal stroken n dat een fout kleiner dan 1 × 10⁻⁵ garandeert.

f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,20,40,622,53ty(0, 3)

Gebruik de methode van Heun (verbeterde Euler) met h = 0,25 voor y′ = cos t − y, y(0) = 3 om y3 ≈ y(0,75) te schatten.

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,25
y3 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ 3/kk = 1 … ∞DΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen convergeert. Klik erop.

A: Σ (3/4)ᵏB: Σ ln k / kC: Σ 3/kD: Σ k!/3ᵏ
  1. 1A: Σ (3/4)ᵏ
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ 3/k
  4. 4D: Σ k!/3ᵏ
4.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt in x = 0,5 benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad n. Bepaal met de Lagrange-grens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! en M = 1 de kleinste graad n die een fout kleiner dan 1 × 10⁻⁵ garandeert.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−2324B =3−2−43

Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c22 (rij 2, kolom 2).

A = [−2 3; 2 4]B = [3 −2; −4 3]
c22 =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−2−413b =10−2

Los het stelsel −2x − 4y = 10 en x + 3y = −2 op. Bereken x.

−2x − 4y = 10x + 3y = −2
x =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
t (min)T (°C)42Ta​T = ?

Een gesmeed stalen onderdeel van 320 °C koelt af in een werkplaats van 30 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,05 min⁻¹ de temperatuur T na 42 min.

T0 = 320 °CTa = 30 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 42 min
T = °C
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, 1)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 2y/x = x2 op voor x > 0, met y(1) = 1. Bereken y(2).

y′ + 2y/x = x2y(1) = 1
y(2) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: n = 895

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.

Grens op de tweede afgeleide

M = 6·2 = 12

n oplossen

n² > 8·12/(12·1 × 10⁻⁵) = 800000
n > 894,4 → n = 895

Antwoord

n = 895
2.Numerieke methoden

Antwoord: y3 = 1,892

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₊₁003−2−1,5310882,55861410,252,558614−1,589702−1,2836062,19945120,52,199451−1,321868−1,1372951,892055

Heun-stappen

y₁ = 3 + (0,25/2)(−2 − 1,531088) = 2,558614
y₂ = 2,558614 + (0,25/2)(−1,589702 − 1,283606) = 2,199451
y₃ = 2,199451 + (0,25/2)(−1,321868 − 1,137295) = 1,892055
00,20,40,622,53ty

Grafiek

y3 = 1,892

Antwoord

y3 = 1,892
3.Rijen & reeksen

Antwoord: A: Σ (3/4)ᵏ

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.

Test elke reeks

A: Σ (3/4)ᵏ → Meetkundig met r = 3/4, |r| < 1: convergeert.
B: Σ ln k / k → Groter dan 1/k voor k ≥ 3: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.
C: Σ 3/k → Een veelvoud van de harmonische reeks (p = 1): divergeert.
D: Σ k!/3ᵏ → Quotiëntcriterium: L = lim (k + 1)/3 = ∞, divergeert.

Het antwoord

A: Σ (3/4)ᵏ

Antwoord

A: Σ (3/4)ᵏ
4.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 6

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.

n(n + 1)!grens010,5120,125260,020833240,00260441200,000260457202,17 × 10⁻⁵650401,55 × 10⁻⁶

Grenzen voor toenemende n

n = 5: 2,17 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 6: 1,55 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Kleinste graad

n = 6

Antwoord

n = 6
5.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = 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

c22 = 2·(−2) + 4·3 = 8

Antwoord

c22 = 8
6.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −11

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 = (−2)·3 − (−4)·1 = −2

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 10·3 − (−4)·(−2) = 22
x = 22/(−2) = −11

Antwoord

x = −11
y = 3
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 65,51 °C

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.

Oplossing van de afkoelingswet

T(t) = 30 + 290·e−0,05t

Vul t in

T(42) = 30 + 290·0,1225 = 65,51 °C

Antwoord

T = 65,51 °C
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 1,8

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∫2/x dx = x2

Integreren

(x2y)′ = x4 → x2y = 1x5/5 + C

Beginvoorwaarde

1 = 1/5 + C → C = 0,8

Bereken

y(2) = (1·25/5 + 0,8)/22 = 1,8

Antwoord

y(2) = 1,8

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods