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
xy00,250,50,751

Benader ∫01 sin x dx met de trapeziumregel, n = 4, en vergelijk met de exacte waarde. Bepaal de absolute fout |E| = |T − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,511,5−2−1ty(0, −1)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,5 voor y′ = t + y, y(0) = −1 om y3 ≈ y(1,5) te schatten.

y′ = t + yy(0) = −1h = 0,5
y3 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ k/(k + 1)k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ k/5ᵏk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ (1/2)ᵏB: Σ k/(k + 1)C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ k/5ᵏ
  1. 1A: Σ (1/2)ᵏ
  2. 2B: Σ k/(k + 1)
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ k/5ᵏ
4.Rijen & reeksenMoeilijk

Herken de reeks en bepaal haar som: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·1,22k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·1,22k/(2k)!
S =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =2−34110−1−4−2

Bereken de determinant det A van de getoonde 3×3-matrix A.

A = [2 −3 4; 1 1 0; −1 −4 −2]
det A =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−654−3b =2−11

Los het stelsel −6x + 5y = 2 en 4x − 3y = −11 op. Bereken x.

−6x + 5y = 24x − 3y = −11
x =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
t (min)T (°C)8Ta​T = ?

Een blikje frisdrank van 3 °C wordt uit de koelkast in een kamer van 22 °C gezet. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,08 min⁻¹ de temperatuur T na 8 min.

T0 = 3 °CTa = 22 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 8 min
T = °C
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
ty0,5y(0,5) = ?

Los y′ + y = 9e−2t op met y(0) = 0. Bereken y(0,5).

y′ + y = 9e−2ty(0) = 0
y(0.5) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: |E| = 0,002397

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.

Exacte waarde

I = 0,459698

Trapeziumregel

T = (0,25/2)·(0 + 2·0,247404 + 2·0,479426 + 2·0,681639 + 0,841471) = 0,457301

Fout

|E| = |0,457301 − 0,459698| = 0,002397

Antwoord

|E| = 0,002397

Relatieve fout: 0,5214%.

2.Numerieke methoden

Antwoord: y3 = −2,5

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₊₁00−1−1−1,510,5−1,5−1−221−2−1−2,5

Euler-stappen

y₁ = −1 + 0,5·(−1) = −1,5
y₂ = −1,5 + 0,5·(−1) = −2
y₃ = −2 + 0,5·(−1) = −2,5
00,511,5−2−1ty

Grafiek

y3 = −2,5

Antwoord

y3 = −2,5

De exacte waarde is y(1,5) = −2,5.

3.Rijen & reeksen

Antwoord: B: Σ k/(k + 1)

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 (1/2)ᵏ → Meetkundig met r = 1/2, |r| < 1: convergeert.
B: Σ k/(k + 1) → De termen gaan naar 1, niet naar 0: divergeert door de test op de n-de term.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternerend, met 1/k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
D: Σ k/5ᵏ → Quotiëntcriterium: L = 1/5 < 1, convergeert.

Het antwoord

B: Σ k/(k + 1)

Antwoord

B: Σ k/(k + 1)
4.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 0,3624

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)ᵏx2k/(2k)! = cos x

Invullen

x = 1,2
S = cos 1,2 = 0,3624

Antwoord

S = 0,3624
5.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = −22

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.

2×2-minoren van de eerste rij

M₁₁ = −2, M₁₂ = −2, M₁₃ = −3

Cofactorontwikkeling

det A = 2·(−2) − (−3)·(−2) + 4·(−3) = −22

Antwoord

det A = −22
6.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −24,5

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 = (−6)·(−3) − 5·4 = −2

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 2·(−3) − 5·(−11) = 49
x = 49/(−2) = −24,5

Antwoord

x = −24,5
y = −29
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 11,98 °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) = 22 + (−19)·e−0,08t

Vul t in

T(8) = 22 + (−19)·0,5273 = 11,98 °C

Antwoord

T = 11,98 °C
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 2,148

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 = et
(ety)′ = 9e−t

Algemene oplossing

y = 9/(−1)·e−2t + C·e−t = −9·e−2t + C·e−t

Beginvoorwaarde

0 = −9 + C → C = 9

Bereken

y(0,5) = −9·0,3679 + 9·0,6065 = 2,148

Antwoord

y(0,5) = 2,148

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods