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
xy123

Hãy xấp xỉ ∫13 1/x dx bằng quy tắc Simpson, n = 2, và so sánh với giá trị chính xác. Hãy tìm sai số tuyệt đối |E| = |S − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
2.Phương pháp sốKhó
00,050,10,150,20,50,60,7ty(0, 0,5)

Hãy dùng phương pháp Heun (Euler cải tiến) với h = 0,1 cho y′ = e−ty, y(0) = 0,5 để ước lượng y2 ≈ y(0,2).

y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,1
y2 =
3.Dãy số & chuỗiTrung bình
kSn​12345678910S = ?

Hãy tìm tổng S = Σk=1∞ 5/(k(k + 2)).

ak = 5/(k(k + 2))
S =
4.Dãy số & chuỗiKhó

f(x) = eˣ được xấp xỉ bằng đa thức Maclaurin bậc 3 tại x = 0,3. Hãy dùng chặn sai số Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! với M = e0,3 = 1,35 để tìm sai số lớn nhất có thể |R₃|.

f(x) = eˣn = 3x = 0,3M = 1,35
|R₃| =
5.Ma trận và định thứcTrung bình
A =1014−320−4−1

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

A = [1 0 1; 4 −3 2; 0 −4 −1]
det A =
6.Ma trận và định thứcKhó
A =2−4−2−4b =−9−7

Giải hệ 2x − 4y = −9 và −2x − 4y = −7. Tìm x.

2x − 4y = −9−2x − 4y = −7
x =
7.Phương trình vi phânTrung bình
t (min)T (°C)24Ta​29 °C

Một tách cà phê ở 82 °C được để trong phòng có nhiệt độ 22 °C. Sau 24 phút, nhiệt độ của nó là 29 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Tìm hằng số k theo min⁻¹.

T0 = 82 °CTa = 22 °CT(24) = 29 °C
k = min⁻¹
8.Phương trình vi phânKhó
ty2y(2) = ?

Giải y′ + 0,5y = 9e−3t với y(0) = 5. Tìm y(2).

y′ + 0,5y = 9e−3ty(0) = 5
y(2) =

3Dung dịch

1.Phương pháp số

Đáp số: |E| = 0,0125

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.

Giá trị chính xác

I = 1,098612

Quy tắc Simpson

S = (1/3)·(1 + 4·0,5 + 0,333333) = 1,111111

Sai số

|E| = |1,111111 − 1,098612| = 0,0125

Đáp số

|E| = 0,0125

Sai số tương đối: 1,138%.

2.Phương pháp số

Đáp số: y2 = 0,6877

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁000,510,9417650,59708810,10,5970880,9420390,8708740,687734

Các bước Heun

y₁ = 0,5 + (0,1/2)(1 + 0,941765) = 0,597088
y₂ = 0,597088 + (0,1/2)(0,942039 + 0,870874) = 0,687734
00,050,10,150,20,50,60,7ty

Đồ thị

y2 = 0,6877

Đáp số

y2 = 0,6877
3.Dãy số & chuỗi

Đáp số: S = 3,75

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.

Phân thức riêng

5/(k(k + 2)) = (5/2)·(1/k − 1/(k + 2))

Hủy

S = (5/2)·(1 + 1/2) = 3,75

Đáp số

S = 3,75
4.Dãy số & chuỗi

Đáp số: |R₃| = 0,0004556

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.

Chặn của đạo hàm

M = e0,3 = 1,35

Chặn Lagrange

|R₃| ≤ 1,35·0,3⁴/4! = 0,0004556

Đáp số

|R₃| = 0,0004556

Sai số thực nhỏ hơn: |f(0,3) − P₃(0,3)| = 0,0003588.

5.Ma trận và định thức

Đáp số: det A = −5

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 = 11, M₁₂ = −4, M₁₃ = −16

Khai triển phần bù đại số

det A = 1·11 − 0·(−4) + 1·(−16) = −5

Đáp số

det A = −5
6.Ma trận và định thức

Đáp số: x = −0,5

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 = 2·(−4) − (−4)·(−2) = −16

Thay cột x

det Aₓ = (−9)·(−4) − (−4)·(−7) = 8
x = 8/(−16) = −0,5

Đáp số

x = −0,5
y = 2
7.Phương trình vi phân

Đáp số: k = 0,08952 min⁻¹

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.

Tỉ số các hiệu nhiệt độ

e−24k = 7/60

Giải tìm k

k = ln(60/7)/24 = 0,08952 min⁻¹

Đáp số

k = 0,08952 min⁻¹
8.Phương trình vi phân

Đáp số: y(2) = 3,155

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.

Thừa số tích phân

μ = e0,5t
(e0,5ty)′ = 9e−2,5t

Nghiệm tổng quát

y = 9/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −3,6·e−3t + C·e−0,5t

Điều kiện ban đầu

5 = −3,6 + C → C = 8,6

Tính giá trị

y(2) = −3,6·0,002479 + 8,6·0,3679 = 3,155

Đáp số

y(2) = 3,155

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods