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

De trapeziumregel wordt gebruikt voor ∫02 eˣ dx. De fout is hoogstens (b − a)³·M/(12n²) met M = max|f″| op [0, 2]. Bepaal het kleinste aantal stroken n dat een fout kleiner dan 0,001 garandeert.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
2.Numerieke methodenMoeilijk
00,10,20,311,2ty(0, 1)

Los y′ = y(2 − y), y(0) = 1 op met de methode van Euler en stap h = 0,1 tot t = 0,3. De exacte oplossing is y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Bepaal de globale fout |E| = |y(0,3) − y3|.

y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,1
|E| =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞CΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞DΣ 2/k²k = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ 1/(k(k + 1))C: Σ (k + 2)/k²D: Σ 2/k²
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 1))
  3. 3C: Σ (k + 2)/k²
  4. 4D: Σ 2/k²
4.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = eˣ wordt in x = 1 benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad n. Bepaal met de Lagrange-grens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! en M = 3 de kleinste graad n die een fout kleiner dan 0,0001 garandeert.

f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 0,0001
n =
5.Matrices & determinantenGemiddeld
A =5−3−111−4312

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

A = [5 −3 −1; 1 1 −4; 3 1 2]
det A =
6.Matrices & determinantenMoeilijk
A =1224

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [1 2; 2 4]
λ =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 2y(1) = ?

Los y″ + 5y′ + 4y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = 1. Bepaal y(1).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(1) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)t = ?6 kg

Een tank bevat 100 L zuiver water. Pekel met 0,2 kg zout per liter stroomt in met 10 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Na hoeveel minuten t bevat de tank 6 kg zout?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 10 L/min
t = min

3Oplossingen

1.Numerieke methoden

Antwoord: n = 71

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.

Grens op de tweede afgeleide

M = e2 = 7,389

n oplossen

n² > 8·7,389/(12·0,001) = 4926
n > 70,19 → n = 71

Antwoord

n = 71
2.Numerieke methoden

Antwoord: |E| = 0,003727

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₊₁00111,110,11,10,991,19920,21,1990,9603991,29504

Euler-stappen

y3 = 1,29504

Exacte waarde

y(0,3) = 1,291313

Globale fout

|E| = |1,291313 − 1,29504| = 0,003727
00,10,20,311,2ty

Grafiek

Antwoord

|E| = 0,003727

Als je h halveert, halveert de fout van de methode van Euler ongeveer.

3.Rijen & reeksen

Antwoord: C: Σ (k + 2)/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 (−1)ᵏ/k → Alternerend, met 1/k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
B: Σ 1/(k(k + 1)) → Kleiner dan 1/k²: convergeert door vergelijking.
C: Σ (k + 2)/k² → Gedraagt zich als 1/k voor grote k: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.
D: Σ 2/k² → p-reeks met p = 2 > 1: convergeert.

Het antwoord

C: Σ (k + 2)/k²

Antwoord

C: Σ (k + 2)/k²
4.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 7

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.

n(n + 1)!grens013121,5260,53240,12541200,02557200,004167650400,00059527403207,44 × 10⁻⁵

Grenzen voor toenemende n

n = 6: 0,0005952 ≥ 0,0001
n = 7: 7,44 × 10⁻⁵ < 0,0001

Kleinste graad

n = 7

Antwoord

n = 7
5.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = 74

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 = 6, M₁₂ = 14, M₁₃ = −2

Cofactorontwikkeling

det A = 5·6 − (−3)·14 + (−1)·(−2) = 74

Antwoord

det A = 74
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: y(1) = 1,085

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 = 2, −1A − 4B = 1
A = 3, B = −1

Bereken

y(1) = 3·e−1 + (−1)·e−4 = 1,085

Antwoord

y(1) = 1,085
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 3,567 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.

Resultaat

m(t) = 20 + (−20)·e−t/10

Los op naar t

e−t/10 = (20 − 6)/(20 − 0) = 0,7
t = 10·ln(1,429) = 3,567 min

Antwoord

t = 3,567 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods