Differentiaalvergelijkingen: oefenopgaven met stapsgewijze oplossingen

Ook wel: differentiaalvergelijkingen oplossen

Gratis oefenopgaven over Differentiaalvergelijkingen met schema’s, hints en volledig uitgewerkte oplossingen. Elke keer nieuwe waarden, op drie niveaus: exponentiële groei en afname, Afkoelingswet van Newton, eerste orde lineair.

Gratis oefenopgaveMakkelijk
ty1

Een massa–veer–demper wordt beschreven door y″ + 4,8y′ + 4y = 0. Vergelijk met y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 en bepaal de dempingsfactor ζ.

y″ + 4,8y′ + 4y = 0

Wat je oefent

  1. Makkelijkexponentiële groei en afname
  2. GemiddeldAfkoelingswet van Newton
  3. Moeilijkeerste orde lineair

Belangrijke formules

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

Leer Differentiaalvergelijkingen vanaf nul

Hiervoor: Afgeleiden, Integralen

1Wat een differentiaalvergelijking is

Een differentiaalvergelijking koppelt een grootheid aan haar eigen veranderingssnelheid. Ze beschrijft hoe iets verandert, niet wat het is.

Bacteriën delen zich, dus een grotere kolonie groeit sneller. De groeisnelheid is evenredig met het aantal cellen N:

dN/dt = k · N

Hier is dN/dt de afgeleide van N naar de tijd t, en k is de snelheidsconstante. Met k = 0,4 h⁻¹ en N = 1000 cellen groeit de kolonie op dat moment met 400 cellen per uur.

De vergelijking oplossen betekent de functie N(t) zelf vinden. Je hebt ook een beginwaarde nodig, zoals N(0) = 200. Dit heet een randvoorwaarde (beginvoorwaarde).

Zelftoets Een populatie volgt dN/dt = 0,2 · N. Op dit moment is N = 500. Hoe snel groeit ze?
  1. 0,2 per uur
  2. 100 per uur
  3. 2500 per uur
  4. 500 per uur

Antwoord: 100 per uur. Vul de getallen in de vergelijking in: dN/dt = 0,2 · 500 = 100. 500 delen door 0,2 geeft 2500, wat k omgekeerd gebruikt.

2Exponentiële groei en afname

De vergelijking dy/dt = k·y heeft altijd dezelfde oplossing, een exponentiële functie:

y(t) = y0 · ekt

Hier is y0 de waarde bij t = 0. Een positieve k betekent groei. Voor afname is de vergelijking dy/dt = −k·y en de oplossing y = y0e−kt.

Radioactief verval wordt vaak gegeven met zijn halfwaardetijd t½: de tijd waarna de helft van de stof over is. De snelheidsconstante volgt daaruit:

k = ln 2 / t½

Neem de natuurlijke logaritme van beide kanten om een tijd te vinden:

t = ln(y / y0) / k

Bijvoorbeeld: 200 cellen die groeien met k = 0,4 h⁻¹ bereiken 1000 cellen na t = ln(5)/0,4 ≈ 4,02 h.

Zelftoets Een stof heeft een halfwaardetijd van 10 dagen. Je begint met 80 mg. Hoeveel is er na 20 dagen over?
  1. 0 mg
  2. 20 mg
  3. 40 mg
  4. 60 mg

Antwoord: 20 mg. 20 dagen zijn twee halfwaardetijden: 80 → 40 → 20 mg. 0 mg komt van denken dat twee helften het geheel vormen; de hoeveelheid halveert elke keer.

3Afkoeling en lineaire vergelijkingen

De afkoelingswet van Newton: een heet voorwerp koelt sneller af als het veel heter is dan de kamer. Met de kamertemperatuur Ta:

dT/dt = −k · (T − Ta) ⇒ T(t) = Ta + (T0 − Ta) · e−kt

Het verschil T − Ta neemt exponentieel af, dus de temperatuur nadert de kamertemperatuur en komt er nooit onder.

Om k uit één meting te vinden, vul je de bekende waarden in en neem je ln: k = −ln[(T1 − Ta)/(T0 − Ta)] / t1.

Een lineaire vergelijking van de eerste orde heeft de vorm y′ + p(x)·y = q(x). Vermenigvuldig haar met de integrerende factor μ:

μ = e∫p dx, (μ·y)′ = μ·q

Integreer dan beide kanten en deel door μ. Voor p = 2/x is μ = e2 ln x = x².

Zelftoets Thee van 90 °C blijft in een kamer van 20 °C staan. Welke temperatuur nadert ze na zeer lange tijd?
  1. 0 °C
  2. 20 °C
  3. 55 °C
  4. 90 °C

Antwoord: 20 °C. De term (T0 − Ta)e−kt gaat naar 0, dus T nadert Ta = 20 °C. 0 °C zou het antwoord zijn als je de kamertemperatuur vergat.

4De methode stap voor stap

  1. Herken het type: dy/dt = ky (groei of afname), de afkoeling van Newton, of y′ + p(x)y = q(x).
  2. Schrijf de standaardoplossing voor dat type op.
  3. Gebruik de gegeven data om de constanten te vinden: y0 uit het begin, k uit een halfwaardetijd of een tweede meting.
  4. Beantwoord de vraag: vul een tijd in om een waarde te vinden, of gebruik ln om een tijd te vinden.
  5. Controleer de eenheden van k (h⁻¹, min⁻¹) aan de eenheden van t.

Voor een lineaire vergelijking: bepaal μ, integreer (μy)′ = μq, voeg de constante C toe en gebruik dan de beginvoorwaarde om C te vinden.

5Een uitgewerkt voorbeeld

Volg elke stap. Probeer de volgende stap te voorspellen voordat je hem opent.

Uitgewerkt voorbeeld

Een radioactieve tracer heeft een halfwaardetijd van 8 dagen. Een monster bevat aan het begin 60 mg. Het verval volgt dm/dt = −k·m. Hoeveel m blijft er na 12 dagen over?

1

Herken het type

Dit is exponentiële afname, dus de oplossing is:

m(t) = m0 · e−kt, m0 = 60 mg
2

Bepaal k uit de halfwaardetijd

k = ln 2 / 8 = 0,6931 / 8 = 0,08664 dag⁻¹
3

Vul de tijd in

k · t = 0,08664 · 12 = 1,0397
m = 60 · e−1,0397 = 60 · 0,3536 = 21,21 mg
4

Controleer het antwoord

12 dagen zijn 1,5 halfwaardetijden. Na 8 dagen is 30 mg over en na 16 dagen 15 mg, dus 21,2 mg ligt daartussen, zoals verwacht.

60 · 0,51,5 = 21,21 mg
tm608301615247,51221,2
Antwoord

m ≈ 21,2 mg blijft over na 12 dagen.

6Veelgemaakte fouten

  • Bij de afkoelingswet van Newton vergeten de kamertemperatuur Ta af te trekken en weer op te tellen.
  • Een positieve exponent gebruiken voor afname, zodat de hoeveelheid groeit in plaats van krimpt.
  • log10 gebruiken in plaats van de natuurlijke logaritme ln.
  • Tijdseenheden door elkaar halen, zoals k in min⁻¹ met t in uren.
  • Bij een integrerende factor alleen het linkerlid met μ vermenigvuldigen.
Zelftoets Een onderdeel van 80 °C koelt af in een kamer van 20 °C. Op een bepaald tijdstip t is e−kt = 0,5. Wat is dan zijn temperatuur?
  1. 30 °C
  2. 40 °C
  3. 50 °C
  4. 60 °C

Antwoord: 50 °C. T = 20 + (80 − 20) · 0,5 = 20 + 30 = 50 °C. 80 rechtstreeks halveren geeft 40 °C, wat de kamertemperatuur vergeet.

7Hoe tentamenvragen eruitzien

  • Makkelijk: exponentiële groei en afname. Bepaal de hoeveelheid na een tijd, of de tijd om een hoeveelheid te bereiken, vaak uit een halfwaardetijd.
  • Gemiddeld: de afkoelingswet van Newton. Gebruik één meting om k te vinden en bepaal dan een temperatuur of een tijd.
  • Moeilijk: een lineaire vergelijking van de eerste orde zoals y′ + 2y/x = 3 met y(1) = 1. Gebruik de integrerende factor en bepaal y bij een andere x.

Een snelle controle: antwoorden bij afname en afkoeling moeten tussen de beginwaarde en de eindwaarde liggen (0, of de kamertemperatuur).

Leer het stap voor stap in de appLeer het stap voor stap in de app

Uitgewerkte voorbeelden

Voorbeeld 1Makkelijk
rr² + br + c?

Bepaal voor de vergelijking y″ + 4y′ + 3y = 0 de wortel r van de karakteristieke vergelijking die het dichtst bij nul ligt. Die bepaalt hoe langzaam de oplossing uitdooft.

y″ + 4y′ + 3y = 0

Gevraagd: r

Hints tonen
  1. Substitueer y = ert.
  2. r² + 4r + 3 = 0.
  3. Ontbind haar in factoren of gebruik de abc-formule.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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 vergelijking

r² + 4r + 3 = (r + 1)(r + 3) = 0

Wortels

r = −1, r = −3
dichtst bij nul: r = −1

Antwoord

r = −1

De algemene oplossing is y = A·e−1t + B·e−3t.

Voorbeeld 2Gemiddeld
t (min)T (°C)5Ta​73 °C50 °C

Een kop koffie van 81 °C wordt achtergelaten in een kamer van 21 °C. Na 5 min is de temperatuur 73 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 50 °C te bereiken?

T0 = 81 °CTa = 21 °CT(5) = 73 °CT = 50 °C

Gevraagd: t (min)

Hints tonen
  1. Bepaal eerst k uit de meting op t = 5 min.
  2. k = ln(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹.
  3. t = ln((T₀ − Tₐ)/(T − Tₐ))/k.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(60/29)/0,02862 = 25,4 min

Antwoord

t = 25,4 min
Voorbeeld 3Moeilijk
ty1y(1) = ?

Los y′ + y = 4e−2t op met y(0) = 4. Bereken y(1).

y′ + y = 4e−2ty(0) = 4

Gevraagd: y(1)

Hints tonen
  1. De integrerende factor is μ = et.
  2. (ety)′ = 4e−t → ety = 4/(−1)·e−t + C.
  3. y = −4·e−2t + C·e−t. Gebruik y(0) om C te vinden.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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 = et
(ety)′ = 4e−t

Algemene oplossing

y = 4/(−1)·e−2t + C·e−t = −4·e−2t + C·e−t

Beginvoorwaarde

4 = −4 + C → C = 8

Bereken

y(1) = −4·0,1353 + 8·0,3679 = 2,402

Antwoord

y(1) = 2,402

Vragen en antwoorden

Differentiaalvergelijkingen: wat is het?

Een differentiaalvergelijking koppelt een grootheid aan haar eigen veranderingssnelheid. Ze beschrijft hoe iets verandert, niet wat het is.

Bacteriën delen zich, dus een grotere kolonie groeit sneller. De groeisnelheid is evenredig met het aantal cellen N:

Differentiaalvergelijkingen: hoe los je de opgaven stap voor stap op?

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.

Differentiaalvergelijkingen: wat zijn veelgemaakte fouten?
  • Dat is de andere wortel, verder van nul; zijn term dooft sneller uit.
  • r² + br + c = 0 met positieve b en c heeft negatieve wortels.
  • −b/2 is het midden van de wortels, geen wortel.
Differentiaalvergelijkingen: wat oefen je?
  • Makkelijk: exponentiële groei en afname
  • Gemiddeld: Afkoelingswet van Newton
  • Moeilijk: eerste orde lineair

Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord. Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.

Zo werkt het oefenen

  • Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord.
  • Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.
  • Je voortgang, fouten en bewaarde opgaven blijven bewaard, zodat je vóór het tentamen kunt herhalen.

Onderwerpen ervoor en erna

Eerst leren

Daarna verder met

Calculators

Vakken met dit onderwerp

Meer onderwerpen in Wiskunde & statistiek

Printbaar werkblad