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
t (s)02468v (m/s)1781311

De snelheid van een voertuig wordt elke 2 s gemeten (tabel). Schat de afgelegde afstand s van t = 0 tot t = 8 s met de regel van Simpson.

h = 2 sn = 4
s = m
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,510,51ty(0, 0,5)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,25 voor y′ = e−ty, y(0) = 0,5 om y5 ≈ y(1,25) te schatten.

y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,25
y5 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞BΣ k³/3ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 4)k = 1 … ∞DΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen convergeert. Klik erop.

A: Σ (k + 2)/k²B: Σ k³/3ᵏC: Σ 1/(2k + 4)D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  1. 1A: Σ (k + 2)/k²
  2. 2B: Σ k³/3ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(2k + 4)
  4. 4D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Rijen & reeksenMoeilijk

Herken de reeks en bepaal haar som: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,5ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0,5ᵏ/k
S =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =4−54−6B =−602−3

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

A = [4 −5; 4 −6]B = [−6 0; 2 −3]
c21 =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−3−62−4b =−81

Los het stelsel −3x − 6y = −8 en 2x − 4y = 1 op. Bereken x.

−3x − 6y = −82x − 4y = 1
x =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 2y(0,5) = ?

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

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(0.5) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)25 minm = ?

Een tank bevat 200 L water waarin 5 kg zout is opgelost. Pekel met 0,25 kg zout per liter stroomt in met 10 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Hoeveel zout m zit er na 25 min in de tank?

V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
m = kg

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: s = 72 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

1 + 4·7 + 2·8 + 4·13 + 11 = 108

Regel van Simpson

s = (2/3)·108 = 72 m

Antwoord

s = 72 m
2.Numerieke methoden

Antwoord: y5 = 1,294

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₊₁000,510,7510,250,750,8290290,95725720,50,9572570,6196331,11216530,751,1121650,4342551,220729411,2207290,2950151,294483

Euler-stappen

y₁ = 0,5 + 0,25·(1) = 0,75
y₂ = 0,75 + 0,25·(0,829029) = 0,957257
y₃ = 0,957257 + 0,25·(0,619633) = 1,112165
y₄ = 1,112165 + 0,25·(0,434255) = 1,220729
y₅ = 1,220729 + 0,25·(0,295015) = 1,294483
00,510,51ty

Grafiek

y5 = 1,294

Antwoord

y5 = 1,294
3.Rijen & reeksen

Antwoord: B: Σ k³/3ᵏ

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 (k + 2)/k² → Gedraagt zich als 1/k voor grote k: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.
B: Σ k³/3ᵏ → Quotiëntcriterium: L = 1/3 < 1, convergeert.
C: Σ 1/(2k + 4) → Gedraagt zich als 1/(2k) voor grote k; vergeleken met de harmonische reeks divergeert hij.
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ → De termen gaan naar e, niet naar 0: divergeert door de test op de n-de term.

Het antwoord

B: Σ k³/3ᵏ

Antwoord

B: Σ k³/3ᵏ
4.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 0,4055

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.

Standaardreeksen

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Invullen

x = 0,5
S = ln 1,5 = 0,4055

Antwoord

S = 0,4055
5.Matrices & determinanten

Antwoord: c21 = −36

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 = 4·(−6) + (−6)·2 = −36

Antwoord

c21 = −36
6.Matrices & determinanten

Antwoord: x = 1,583

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 = (−3)·(−4) − (−6)·2 = 24

De x-kolom vervangen

det Aₓ = (−8)·(−4) − (−6)·1 = 38
x = 38/24 = 1,583

Antwoord

x = 1,583
y = 0,5417
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 1,839

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 = 2 + 4 = 6

Bereken

y(0,5) = (2 + 6·0,5)·e−1 = 1,839

Antwoord

y(0,5) = 1,839
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: m = 37,11 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 = 10·0,25 − (10/200)·m = 2,5 − 0,05·m

Oplossen

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

m(t) = 50 + (−45)·e−t/20

Vul t in

m(25) = 50 + (−45)·0,2865 = 37,11 kg

Antwoord

m = 37,11 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods