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
xy00,511,52

Benader ∫02 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, 2]n = 4
|E| =
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,511,520,40,60,8ty(0, 0,5)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,5 voor y′ = cos t − y, y(0) = 0,5 om y4 ≈ y(2) te schatten.

y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,5
y4 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (4k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ 1/k³k = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)B: Σ 5ᵏ/k!C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ 1/k³
  1. 1A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ 5ᵏ/k!
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ 1/k³
4.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₃1,2

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 3 van f(x) = e2x om f(1,2) te benaderen. Geef P₃(1,2).

f(x) = e2xn = 3x = 1,2
P₃(1.2) =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =3−21−5−5−5−1−5−2

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

A = [3 −2 1; −5 −5 −5; −1 −5 −2]
det A =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−22−77

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [−2 2; −7 7]
λ =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
t (min)T (°C)28Ta​44 °C28 °C

Een kop koffie van 94 °C wordt achtergelaten in een kamer van 20 °C. Na 28 min is de temperatuur 44 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 28 °C te bereiken?

T0 = 94 °CTa = 20 °CT(28) = 44 °CT = 28 °C
t = min
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 2y(0,5) = ?

Los y″ + 4y′ + 20y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(0,5); hoeken in radialen.

y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: |E| = 0,02963

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 = 1,416147

Trapeziumregel

T = (0,5/2)·(0 + 2·0,479426 + 2·0,841471 + 2·0,997495 + 0,909297) = 1,38652

Fout

|E| = |1,38652 − 1,416147| = 0,02963

Antwoord

|E| = 0,02963

Relatieve fout: 2,092%.

2.Numerieke methoden

Antwoord: y4 = 0,3739

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₊₁000,50,50,7510,50,750,1275830,813791210,813791−0,2734890,67704731,50,677047−0,606310,373892

Euler-stappen

y₁ = 0,5 + 0,5·(0,5) = 0,75
y₂ = 0,75 + 0,5·(0,127583) = 0,813791
y₃ = 0,813791 + 0,5·(−0,273489) = 0,677047
y₄ = 0,677047 + 0,5·(−0,60631) = 0,373892
00,511,520,40,60,8ty

Grafiek

y4 = 0,3739

Antwoord

y4 = 0,3739
3.Rijen & reeksen

Antwoord: A: Σ (4k + 1)/(k + 2)

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 (4k + 1)/(k + 2) → De termen gaan naar 4, niet naar 0: divergeert door de test op de n-de term.
B: Σ 5ᵏ/k! → Quotiëntcriterium: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, convergeert.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternerend, met 1/k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
D: Σ 1/k³ → p-reeks met p = 3 > 1: convergeert.

Het antwoord

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)

Antwoord

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
4.Rijen & reeksen

Antwoord: P₃(1.2) = 8,584

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

P₃(x) = 1 + 2x + 2x² + 1,333x³

Invullen

P₃(1,2) = 1 + 2,4 + 2,88 + 2,304 = 8,584

Antwoord

P₃(1,2) = 8,584

De exacte waarde is f(1,2) = 11,023176; de fout 2,439176 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

5.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = −15

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 = −15, M₁₂ = 5, M₁₃ = 20

Cofactorontwikkeling

det A = 3·(−15) − (−2)·5 + 1·20 = −15

Antwoord

det A = −15
6.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 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.

Karakteristieke vergelijking

λ² − (5)λ + (0) = 0

Oplossen

λ = (5 ± √(25))/2 → λ = 0, 5
λ = 5

Antwoord

λ = 5
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 55,32 min

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.

Afkoelingsconstante

k = ln(74/24)/28 = 0,04021 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(74/8)/0,04021 = 55,32 min

Antwoord

t = 55,32 min
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 0,02833

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.

Complexe wortels

r = −2 ± 4j

Constanten

A = 2, B = 2·2/4 = 1

Bereken

y(0,5) = e−1(2·cos 2 + 1·sin 2) = 0,02833

Antwoord

y(0,5) = 0,02833

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods