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)024681012v (m/s)10121621232329

De snelheid van een voertuig wordt elke 2 s gemeten (tabel). Schat de afgelegde afstand s van t = 0 tot t = 12 s met de trapeziumregel.

h = 2 sn = 6
s = m
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,20,40,60,8123ty(0, 1)

Gebruik de methode van Euler met h = 0,2 voor y′ = 1,5y, y(0) = 1 om y4 ≈ y(0,8) te schatten.

y′ = 1,5yy(0) = 1h = 0,2
y4 =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
xx₀ = 3??R

Bepaal de convergentiestraal R van de machtreeks Σk=1∞ (2k)!·(x − 3)ᵏ/(k!)².

Σ (2k)!·(x − 3)ᵏ/(k!)²x₀ = 3
R =
4.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₃0,5

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 3 van f(x) = ln(1 − x) om f(0,5) te benaderen. Geef P₃(0,5).

f(x) = ln(1 − x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =05−32−10−33−4

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

A = [0 5 −3; 2 −1 0; −3 3 −4]
det A =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−13−57

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [−1 3; −5 7]
λ =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Los y″ + 5y′ + 4y = 0 op met y(0) = 1 en y′(0) = 6. Bepaal y(1,5).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 6
y(1.5) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy13(1, 3)y(3) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + y/x = 3x2 op voor x > 0, met y(1) = 3. Bereken y(3).

y′ + y/x = 3x2y(1) = 3
y(3) =

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: s = 229 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

10 + 2·12 + 2·16 + 2·21 + 2·23 + 2·23 + 29 = 229

Trapeziumregel

s = (2/2)·229 = 229 m

Antwoord

s = 229 m
2.Numerieke methoden

Antwoord: y4 = 2,856

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₊₁0011,51,310,21,31,951,6920,41,692,5352,19730,62,1973,29552,8561

Euler-stappen

y₁ = 1 + 0,2·(1,5) = 1,3
y₂ = 1,3 + 0,2·(1,95) = 1,69
y₃ = 1,69 + 0,2·(2,535) = 2,197
y₄ = 2,197 + 0,2·(3,2955) = 2,8561
00,20,40,60,8123ty

Grafiek

y4 = 2,856

Antwoord

y4 = 2,856

De exacte waarde is y(0,8) = 3,320117.

3.Rijen & reeksen

Antwoord: R = 0,25

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.

Coëfficiënten

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, dus R = 1/4

Straal

R = 0,25

Antwoord

R = 0,25

Het quotiëntcriterium zegt niets in de twee eindpunten; die moeten apart worden gecontroleerd.

4.Rijen & reeksen

Antwoord: P₃(0.5) = −0,6667

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) = −x − 0,5x² − 0,3333x³

Invullen

P₃(0,5) = −0,5 − 0,125 − 0,0416667 = −0,6667

Antwoord

P₃(0,5) = −0,6667

De exacte waarde is f(0,5) = −0,693147; de fout −0,0264805 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

5.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = 31

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 = 4, M₁₂ = −8, M₁₃ = 3

Cofactorontwikkeling

det A = 0·4 − 5·(−8) + (−3)·3 = 31

Antwoord

det A = 31
6.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 4

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 − (6)λ + (8) = 0

Oplossen

λ = (6 ± √(4))/2 → λ = 2, 4
λ = 4

Antwoord

λ = 4
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,738

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 + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 1, −1A − 4B = 6
A = 3,333, B = −2,333

Bereken

y(1,5) = 3,333·e−1,5 + (−2,333)·e−6 = 0,738

Antwoord

y(1,5) = 0,738
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(3) = 21

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 = e∫1/x dx = x1

Integreren

(x1y)′ = 3x3 → x1y = 3x4/4 + C

Beginvoorwaarde

3 = 3/4 + C → C = 2,25

Bereken

y(3) = (3·34/4 + 2,25)/31 = 21

Antwoord

y(3) = 21

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods