Phương pháp số: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 8 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phương pháp số

Phương pháp chia đôi
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Nội suy tuyến tính
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Quy tắc hình thang
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Quy tắc Simpson (n chẵn)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Chặn sai số hình thang
|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)

Phương pháp

  1. Với một nghiệm: hãy kiểm tra đổi dấu cho phương pháp chia đôi, hoặc tính f và f′ cho Newton, và giữ sáu chữ số trở lên trong bảng các giá trị lặp.
  2. Với một giá trị trong bảng: hãy nội suy tuyến tính giữa hai điểm lân cận.
  3. Với một tích phân: tìm h = (b − a)/n, liệt kê f tại mọi nút, áp dụng các trọng số (1, 2, …, 2, 1 cho hình thang; 1, 4, 2, …, 4, 1 cho Simpson với n chẵn) và nhân với h/2 hoặc h/3.
  4. Với một phương trình vi phân thường: hãy bước từ t₀ với yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) hoặc độ dốc trung bình (Heun), một hàng cho mỗi bước, cho đến khi đạt t được yêu cầu.

Dãy số & chuỗi

Cấp số cộng
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Cấp số nhân
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Chuỗi nhân vô hạn
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Chuỗi p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Tiêu chuẩn tỉ số
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Bán kính hội tụ
R = lim |ck/ck+1|
Đa thức Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Chuỗi Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Chặn sai số Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Phương pháp

  1. Hãy nhận ra loại: cấp số cộng (hiệu không đổi), cấp số nhân (tỉ số không đổi), một chuỗi chuẩn, một chuỗi lũy thừa hay một đa thức Taylor.
  2. Với tổng hãy dùng Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), hoặc S = a₁/(1 − r) khi |r| < 1, với a₁ là số hạng đầu của tổng.
  3. Với sự hội tụ: trước hết là tiêu chuẩn số hạng thứ n, rồi so sánh với Σ1/kᵖ hoặc một chuỗi nhân, và dùng tiêu chuẩn tỉ số hoặc căn cho giai thừa và lũy thừa bậc k.
  4. Với đa thức Taylor hãy liệt kê f(a), f′(a), f″(a), …, chia đạo hàm bậc k cho k!, và chặn sai số bằng M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Ma trận và định thức

định thức 2×2
det = ad − bc
Ma trận nghịch đảo 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Sản phẩm
(AB)ij = Σk AikBkj
Giá trị riêng
det(A − λI) = 0
Quy tắc Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Phương trình vi phân

Tăng trưởng/suy giảm theo hàm mũ
dy/dt = ky → y = y0ekt
Chu kỳ bán rã
k = ln 2 / t½
Định luật làm nguội Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Thừa số tích phân
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Bể trộn
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Bài tập

1.Phương pháp sốTrung bình
t (s)024681012v (m/s)47131313119

Tốc độ của một phương tiện được đo mỗi 2 s (bảng). Hãy ước lượng quãng đường s đi được từ t = 0 đến t = 12 s bằng quy tắc hình thang.

h = 2 sn = 6
s = m
2.Phương pháp sốKhó
00,511,520510ty(0, 2)

Hãy dùng phương pháp Euler với h = 0,5 cho y′ = y − t², y(0) = 2 để ước lượng y4 ≈ y(2).

y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,5
y4 =
3.Dãy số & chuỗiTrung bình
AΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ (3k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Đúng một trong bốn chuỗi phân kỳ. Hãy nhấp vào nó.

A: Σ 1/(3ᵏ + k)B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ (3k + 1)/(k + 2)D: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(3ᵏ + k)
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ (3k + 1)/(k + 2)
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
4.Dãy số & chuỗiKhó

Hãy tìm hệ số c₃ của (x − 2)³ trong chuỗi Taylor của f(x) = 1/x quanh a = 2.

f(x) = 1/xa = 2k = 3
c₃ =
5.Ma trận và định thứcTrung bình
A =5−2433−3−51−2

Tìm định thức det A của ma trận 3×3 A đã cho.

A = [5 −2 4; 3 3 −3; −5 1 −2]
det A =
6.Ma trận và định thứcKhó
A =−6−53−4b =−6−6

Giải hệ −6x − 5y = −6 và 3x − 4y = −6. Tìm x.

−6x − 5y = −63x − 4y = −6
x =
7.Phương trình vi phânTrung bình
t (min)T (°C)7Ta​16 °C24 °C

Một lon nước ngọt ở 5 °C được lấy từ tủ lạnh ra phòng có nhiệt độ 27 °C. Sau 7 phút, nhiệt độ của nó là 16 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Sau khi bắt đầu bao lâu, t, thì đạt tới 24 °C?

T0 = 5 °CTa = 27 °CT(7) = 16 °CT = 24 °C
t = min
8.Phương trình vi phânKhó
t (min)m (kg)95 minm = ?

Một bể chứa 500 L nước trong đó hòa tan 10 kg muối. Nước muối với 0,1 kg muối mỗi lít chảy vào với tốc độ 10 L/min, và dung dịch đã trộn đều chảy ra với cùng tốc độ. Sau 95 phút trong bể có bao nhiêu muối m?

V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 10 L/min
m = kg

3Dung dịch

1.Phương pháp số

Đáp số: s = 127 m

Tích phân số: chia [a, b] thành n dải rộng h = (b − a)/n với các nút x₀ … xₙ. Quy tắc hình thang: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Quy tắc Simpson (n chẵn): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Sai số của hình thang giảm như h² (chặn (b − a)h²·M/12 với M = max|f″|), của Simpson như h⁴, nên Simpson thường chính xác hơn nhiều với cùng các nút.

Tổng có trọng số

4 + 2·7 + 2·13 + 2·13 + 2·13 + 2·11 + 9 = 127

Quy tắc hình thang

s = (2/2)·127 = 127 m

Đáp số

s = 127 m
2.Phương pháp số

Đáp số: y4 = 7,969

Nghiệm số của y′ = f(t, y): phương pháp Euler đi theo độ dốc tại điểm đầu của mỗi bước: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Phương pháp Heun (Euler cải tiến) lấy trung bình độ dốc tại điểm đầu và tại điểm dự đoán của Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Phương pháp Runge–Kutta cổ điển (RK4) kết hợp bốn độ dốc: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Sai số toàn cục của Euler tỉ lệ với h, của Heun với h², của RK4 với h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0022310,532,754,375214,3753,3756,062531,56,06253,81257,96875

Các bước Euler

y₁ = 2 + 0,5·(2) = 3
y₂ = 3 + 0,5·(2,75) = 4,375
y₃ = 4,375 + 0,5·(3,375) = 6,0625
y₄ = 6,0625 + 0,5·(3,8125) = 7,96875
00,511,520510ty

Đồ thị

y4 = 7,969

Đáp số

y4 = 7,969

Giá trị chính xác là y(2) = 10.

3.Dãy số & chuỗi

Đáp số: C: Σ (3k + 1)/(k + 2)

Hội tụ: nếu các số hạng không tiến về 0 thì chuỗi phân kỳ (tiêu chuẩn số hạng thứ n). Σ1/kᵖ chỉ hội tụ khi p > 1, và Σrᵏ chỉ khi |r| < 1. Hãy so sánh một chuỗi với một trong các chuỗi này khi các số hạng của nó có dạng giống chúng với k lớn. Tiêu chuẩn tỉ số: L = lim |ak+1/ak|; tiêu chuẩn căn: L = lim |ak|1/k. L < 1 hội tụ, L > 1 phân kỳ, L = 1 không kết luận được. Một chuỗi lũy thừa Σck(x − x₀)ᵏ hội tụ khi |x − x₀| < R với R = lim |ck/ck+1|; một chuỗi đan dấu có các số hạng giảm dần về 0 thì hội tụ.

Kiểm tra từng chuỗi

A: Σ 1/(3ᵏ + k) → Nhỏ hơn (1/3)ᵏ, một chuỗi nhân hội tụ: hội tụ theo so sánh.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Đan dấu, với 1/k giảm dần về 0: hội tụ (có điều kiện).
C: Σ (3k + 1)/(k + 2) → Các số hạng tiến về 3, không phải 0: phân kỳ theo tiêu chuẩn số hạng thứ n.
D: Σ (1/3)ᵏ → Chuỗi nhân với r = 1/3, |r| < 1: hội tụ.

Đáp án

C: Σ (3k + 1)/(k + 2)

Đáp số

C: Σ (3k + 1)/(k + 2)
4.Dãy số & chuỗi

Đáp số: c₃ = −0,0625

Đa thức Taylor: gần x = a một hàm trơn được xấp xỉ bằng Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; với a = 0 đây là đa thức Maclaurin. Các chuỗi chuẩn: 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. Chặn sai số Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, trong đó M là giá trị lớn nhất của |f⁽ⁿ⁺¹⁾| giữa a và x.

Đạo hàm f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = −6/x⁴

Hệ số

c₃ = −6/(2⁴·6) = −0,0625
c₃ = −0,0625

Đáp số

c₃ = −0,0625
5.Ma trận và định thức

Đáp số: det A = 15

Ma trận: định thức của ma trận 2×2 là ad − bc. Với 3×3, khai triển theo một hàng: mỗi phần tử nhân với định thức của ma trận 2×2 còn lại sau khi bỏ hàng và cột của nó, với dấu xen kẽ + − +. Các giá trị riêng λ là nghiệm của det(A − λI) = 0; với 2×2 đó là λ² − (vết)·λ + det = 0.

Các định thức con 2×2 của hàng đầu

M₁₁ = −3, M₁₂ = −21, M₁₃ = 18

Khai triển phần bù đại số

det A = 5·(−3) − (−2)·(−21) + 4·18 = 15

Đáp số

det A = 15
6.Ma trận và định thức

Đáp số: x = −0,1538

Ma trận: định thức của ma trận 2×2 là ad − bc. Với 3×3, khai triển theo một hàng: mỗi phần tử nhân với định thức của ma trận 2×2 còn lại sau khi bỏ hàng và cột của nó, với dấu xen kẽ + − +. Các giá trị riêng λ là nghiệm của det(A − λI) = 0; với 2×2 đó là λ² − (vết)·λ + det = 0.

Định thức của ma trận hệ số

det A = (−6)·(−4) − (−5)·3 = 39

Thay cột x

det Aₓ = (−6)·(−4) − (−5)·(−6) = −6
x = −6/39 = −0,1538

Đáp số

x = −0,1538
y = 1,385
7.Phương trình vi phân

Đáp số: t = 20,12 min

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·ekt (tăng trưởng khi k > 0, suy giảm khi k < 0); chu kỳ bán rã T cho k = ln 2/T. Định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), cho T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Phương trình tuyến tính y′ + p(x)·y = q(x) được giải bằng thừa số tích phân μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, nên μy = ∫μq dx + C.

Hằng số làm nguội

k = ln(-22/-11)/7 = 0,09902 min⁻¹

Thời gian để đạt giá trị mục tiêu

t = ln(-22/(−3))/0,09902 = 20,12 min

Đáp số

t = 20,12 min
8.Phương trình vi phân

Đáp số: m = 44,02 kg

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·ekt (tăng trưởng khi k > 0, suy giảm khi k < 0); chu kỳ bán rã T cho k = ln 2/T. Định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), cho T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Phương trình tuyến tính y′ + p(x)·y = q(x) được giải bằng thừa số tích phân μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, nên μy = ∫μq dx + C.

Thiết lập phương trình

dm/dt = 10·0,1 − (10/500)·m = 1 − 0,02·m

Giải

Thừa số tích phân là ert/V; nghiệm tiến tới giá trị cân bằng c·V.

m(t) = 50 + (−40)·e−t/50

Thay t

m(95) = 50 + (−40)·0,1496 = 44,02 kg

Đáp số

m = 44,02 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods