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.
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
Bepaal het type: rekenkundig (constant verschil), meetkundig (constante reden), een standaardreeks, een machtreeks of een Taylorpolynoom.
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.
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.
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 snelheid van een voertuig wordt elke 5 s gemeten (tabel). Schat de afgelegde afstand s van t = 0 tot t = 30 s met de trapeziumregel.
h = 5 sn = 6
s = m
2.Numerieke methodenMoeilijk
Los y′ = −2ty, y(0) = 0,5 op met de methode van Euler en stap h = 0,5 tot t = 2,5. De exacte oplossing is y = y₀e−t². Bepaal de globale fout |E| = |y(2,5) − y5|.
y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,5
|E| =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
De machtreeks Σk=1∞ k²·3ᵏ·(x − 1)ᵏ convergeert op een interval rond x₀ = 1. Bepaal het linkeruiteinde x van dat interval.
Σ k²·3ᵏ·(x − 1)ᵏx₀ = 1
x =
4.Rijen & reeksenMoeilijk
Bepaal de coëfficiënt c₂ van (x − 3)² in de Taylorreeks van f(x) = 1/x rond a = 3.
f(x) = 1/xa = 3k = 2
c₂ =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c22 (rij 2, kolom 2).
A = [3 4; −6 −1]B = [4 −4; 0 6]
c22 =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.
A = [0 1; 6 −1]
λ =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
Een kop koffie van 82 °C wordt achtergelaten in een kamer van 18 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,09 min⁻¹ de temperatuur T na 25 min.
T0 = 82 °CTa = 18 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 25 min
T = °C
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
Los y′ + 0,5y = 7e−2t op met y(0) = 0. Bereken y(2).
y′ + 0,5y = 7e−2ty(0) = 0
y(2) =
3Oplossingen
1.Numerieke methoden
Antwoord: s = 470 m
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.
Gewogen som
4 + 2·10 + 2·16 + 2·15 + 2·17 + 2·22 + 24 = 188
Trapeziumregel
s = (5/2)·188 = 470 m
Antwoord
s = 470 m
2.Numerieke methoden
Antwoord: |E| = 0,0009652
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.
Euler-stappen
y5 = 0
Exacte waarde
y(2,5) = 0,000965227
Globale fout
|E| = |0,000965227 − 0| = 0,0009652
Grafiek
Antwoord
|E| = 0,0009652
Als je h halveert, halveert de fout van de methode van Euler ongeveer.
3.Rijen & reeksen
Antwoord: x = 0,6667
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/ck+1 = (1/3)·(k/(k + 1))² → 1/3
Straal
R = 0,3333
Interval
0,6667 < x < 1,333
x = 0,6667
Antwoord
x = 0,6667
Het quotiëntcriterium zegt niets in de twee eindpunten; die moeten apart worden gecontroleerd.
4.Rijen & reeksen
Antwoord: c₂ = 0,03704
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.
Afgeleide f⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = 2/x³
Coëfficiënt
c₂ = 2/(3³·2) = 0,03704
c₂ = 0,03704
Antwoord
c₂ = 0,03704
5.Matrices & determinanten
Antwoord: c22 = 18
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 = (−6)·(−4) + (−1)·6 = 18
Antwoord
c22 = 18
6.Matrices & determinanten
Antwoord: λ = 2
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.
Karakteristieke vergelijking
λ² − (−1)λ + (−6) = 0
Oplossen
λ = (−1 ± √(25))/2 → λ = −3, 2
λ = 2
Antwoord
λ = 2
7.Differentiaalvergelijkingen
Antwoord: T = 24,75 °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) = 18 + 64·e−0,09t
Vul t in
T(25) = 18 + 64·0,1054 = 24,75 °C
Antwoord
T = 24,75 °C
8.Differentiaalvergelijkingen
Antwoord: y(2) = 1,631
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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 7e−1,5t
Algemene oplossing
y = 7/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −4,667·e−2t + C·e−0,5t