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
xy11,52

Benader ∫12 1/x dx met de trapeziumregel, n = 2, en vergelijk met de exacte waarde. Bepaal de absolute fout |E| = |T − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 2
|E| =
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,050,111,051,1ty(0, 1)

Zet één stap van de klassieke Runge–Kutta-methode (RK4) met h = 0,1 voor y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Bepaal y₁ ≈ y(0,1).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y1 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ 2/k²k = 1 … ∞BΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 7)k = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ 2/k²B: Σ 2ᵏ/k³C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ 1/(k² + 7)
  1. 1A: Σ 2/k²
  2. 2B: Σ 2ᵏ/k³
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ 1/(k² + 7)
4.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 4 in x = 0,8. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = 1 om de grootst mogelijke fout |R₄| te vinden.

f(x) = sin xn = 4x = 0,8M = 1
|R₄| =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =6−225B =6−6−2−6

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

A = [6 −2; 2 5]B = [6 −6; −2 −6]
c22 =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =51−5−2b =−107

Los het stelsel 5x + y = −10 en −5x − 2y = 7 op. Bereken x.

5x + y = −10−5x − 2y = 7
x =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 2y(2) = ?

Los y″ + 7y′ + 12y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = -4. Bepaal y(2).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(2) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
ty2y(2) = ?

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

y′ + 0,5y = 9e−2ty(0) = 2
y(2) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: |E| = 0,01519

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 = 0,693147

Trapeziumregel

T = (0,5/2)·(1 + 2·0,666667 + 0,5) = 0,708333

Fout

|E| = |0,708333 − 0,693147| = 0,01519

Antwoord

|E| = 0,01519

Relatieve fout: 2,191%.

2.Numerieke methoden

Antwoord: y1 = 1,105

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.

Vier hellingen

k₁ = f(0, 1) = 1
k₂ = f(0,05, 1,05) = 1,052476
k₃ = f(0,05, 1,052624) = 1,052607
k₄ = f(0,1, 1,105261) = 1,110301

Combineer

y₁ = 1 + (0,1/6)(1 + 2·1,052476 + 2·1,052607 + 1,110301) = 1,105

Antwoord

y1 = 1,105
3.Rijen & reeksen

Antwoord: B: Σ 2ᵏ/k³

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 2/k² → p-reeks met p = 2 > 1: convergeert.
B: Σ 2ᵏ/k³ → Quotiëntcriterium: L = 2 > 1, divergeert.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternerend, met 1/k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
D: Σ 1/(k² + 7) → Kleiner dan 1/k², een convergente p-reeks: convergeert door vergelijking.

Het antwoord

B: Σ 2ᵏ/k³

Antwoord

B: Σ 2ᵏ/k³
4.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₄| = 0,002731

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 = 1

Lagrange-grens

|R₄| ≤ 1·0,8⁵/5! = 0,002731

Antwoord

|R₄| = 0,002731

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,8) − P₄(0,8)| = 0,002689.

5.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = −42

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 = 2·(−6) + 5·(−6) = −42

Antwoord

c22 = −42
6.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −2,6

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 = 5·(−2) − 1·(−5) = −5

De x-kolom vervangen

det Aₓ = (−10)·(−2) − 1·7 = 13
x = 13/(−5) = −2,6

Antwoord

x = −2,6
y = 3
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 0,009244

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.

Karakteristieke wortels

(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 2, −3A − 4B = -4
A = 4, B = −2

Bereken

y(2) = 4·e−6 + (−2)·e−8 = 0,009244

Antwoord

y(2) = 0,009244
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 2,833

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)′ = 9e−1,5t

Algemene oplossing

y = 9/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −6·e−2t + C·e−0,5t

Beginvoorwaarde

2 = −6 + C → C = 8

Bereken

y(2) = −6·0,01832 + 8·0,3679 = 2,833

Antwoord

y(2) = 2,833

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods