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
xy00,33330,666711,3331,6672

Benader ∫02 1/√(1 + x⁴) dx met de trapeziumregel met n = 6 stroken. Geef T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,20,400,5ty(0, 0)

Gebruik de methode van Heun (verbeterde Euler) met h = 0,25 voor y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 om y2 ≈ y(0,5) te schatten.

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,25
y2 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ k/(k + 7)k = 1 … ∞BΣ 5/k²k = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 2)k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen convergeert. Klik erop.

A: Σ k/(k + 7)B: Σ 5/k²C: Σ 1/(2k + 2)D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ k/(k + 7)
  2. 2B: Σ 5/k²
  3. 3C: Σ 1/(2k + 2)
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = ln(1 + x) wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 2 in x = 0,2. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = 2! = 2 om de grootst mogelijke fout |R₂| te vinden.

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = 0,2M = 2
|R₂| =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =33−63B =364−6

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

A = [3 3; −6 3]B = [3 6; 4 −6]
c22 =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−1−252b =58

Los het stelsel −x − 2y = 5 en 5x + 2y = 8 op. Bereken x.

−x − 2y = 55x + 2y = 8
x =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
t (min)T (°C)15Ta​39 °C

Een kop koffie van 88 °C wordt achtergelaten in een kamer van 18 °C. Na 15 min is de temperatuur 39 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken de constante k in min⁻¹.

T0 = 88 °CTa = 18 °CT(15) = 39 °C
k = min⁻¹
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Los y″ + y′ + 16,25y = 0 op met y(0) = 1 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(1,5); hoeken in radialen.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: T = 1,355

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.

ixᵢf(xᵢ)gewicht001110,3333330,993884220,6666670,9138122310,707107241,3333330,490261251,6666670,3387192620,2425361

Knooppunten en waarden

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,993884 + 2·0,913812 + 2·0,707107 + 2·0,490261 + 2·0,338719 + 0,242536 = 8,130101

Trapeziumregel

T = (0,3333/2)·8,130101 = 1,355

Antwoord

T = 1,355

Deze integraal heeft geen elementaire primitieve, en juist dan is een numerieke regel nodig.

2.Numerieke methoden

Antwoord: y2 = 0,5482

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₊₁00011,0624590,25780710,250,2578071,0644071,2589690,548229

Heun-stappen

y₁ = 0 + (0,25/2)(1 + 1,062459) = 0,257807
y₂ = 0,257807 + (0,25/2)(1,064407 + 1,258969) = 0,548229
00,20,400,5ty

Grafiek

y2 = 0,5482

Antwoord

y2 = 0,5482
3.Rijen & reeksen

Antwoord: B: Σ 5/k²

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/(k + 7) → De termen gaan naar 1, niet naar 0: divergeert door de test op de n-de term.
B: Σ 5/k² → p-reeks met p = 2 > 1: convergeert.
C: Σ 1/(2k + 2) → Gedraagt zich als 1/(2k) voor grote k; vergeleken met de harmonische reeks divergeert hij.
D: Σ ln k / k → Groter dan 1/k voor k ≥ 3: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.

Het antwoord

B: Σ 5/k²

Antwoord

B: Σ 5/k²
4.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₂| = 0,002667

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.

Grens op de afgeleide

M = 2! = 2

Lagrange-grens

|R₂| ≤ 2·0,2³/3! = 0,002667

Antwoord

|R₂| = 0,002667

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,2) − P₂(0,2)| = 0,002322.

5.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = −54

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)·6 + 3·(−6) = −54

Antwoord

c22 = −54
6.Matrices & determinanten

Antwoord: x = 3,25

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 = (−1)·2 − (−2)·5 = 8

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 5·2 − (−2)·8 = 26
x = 26/8 = 3,25

Antwoord

x = 3,25
y = −4,125
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: k = 0,08026 min⁻¹

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.

Verhouding van de temperatuurverschillen

e−15k = 21/70

Los op naar k

k = ln(70/21)/15 = 0,08026 min⁻¹

Antwoord

k = 0,08026 min⁻¹
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,4371

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 = −0,5 ± 4j

Constanten

A = 1, B = 0,5·1/4 = 0,125

Bereken

y(1,5) = e−0,75(1·cos 6 + 0,125·sin 6) = 0,4371

Antwoord

y(1,5) = 0,4371

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods