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
xy00,33330,666711,3331,6672

Hãy xấp xỉ ∫02 1/(1 + x³) dx bằng quy tắc hình thang với n = 6 dải. Hãy cho T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
2.Phương pháp sốKhó
00,10,20,30,42,62,83ty(0, 3)

Hãy dùng phương pháp Heun (Euler cải tiến) với h = 0,2 cho y′ = −2ty, y(0) = 3 để ước lượng y2 ≈ y(0,4).

y′ = −2tyy(0) = 3h = 0,2
y2 =
3.Dãy số & chuỗiTrung bình
kSn​12345678910S = ?

Hãy tìm tổng S = Σk=1∞ 4/(k(k + 1)).

ak = 4/(k(k + 1))
S =
4.Dãy số & chuỗiKhó

f(x) = sin x được xấp xỉ tại x = 1,5 bằng đa thức Maclaurin bậc n. Với chặn Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! và M = 1, hãy tìm bậc nhỏ nhất n đảm bảo sai số dưới 1 × 10⁻⁶.

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁶
n =
5.Ma trận và định thứcTrung bình
A =−2141B =64−56

Cho C = AB với các ma trận đã cho. Tìm phần tử c11 (hàng 1, cột 1).

A = [−2 1; 4 1]B = [6 4; −5 6]
c11 =
6.Ma trận và định thứcKhó
A =6−2−4−2b =2−12

Giải hệ 6x − 2y = 2 và −4x − 2y = −12. Tìm x.

6x − 2y = 2−4x − 2y = −12
x =
7.Phương trình vi phânTrung bình
t (min)T (°C)21Ta​26 °C54 °C

Một tách cà phê ở 81 °C được để trong phòng có nhiệt độ 20 °C. Sau 21 phút, nhiệt độ của nó là 26 °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 54 °C?

T0 = 81 °CTa = 20 °CT(21) = 26 °CT = 54 °C
t = min
8.Phương trình vi phânKhó
t (min)m (kg)50 minm = ?

Một bể chứa 500 L nước trong đó hòa tan 20 kg muối. Nước muối với 0,25 kg muối mỗi lít chảy vào với tốc độ 20 L/min, và dung dịch đã trộn đều chảy ra với cùng tốc độ. Sau 50 phút trong bể có bao nhiêu muối m?

V = 500 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3Dung dịch

1.Phương pháp số

Đáp số: T = 1,089

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.

ixᵢf(xᵢ)cân nặng001110,3333330,964286220,6666670,7714292310,5241,3333330,296703251,6666670,1776322620,1111111

Các nút và giá trị

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,964286 + 2·0,771429 + 2·0,5 + 2·0,296703 + 2·0,177632 + 0,111111 = 6,531209

Quy tắc hình thang

T = (0,3333/2)·6,531209 = 1,089

Đáp số

T = 1,089

Tích phân này không có nguyên hàm sơ cấp, đúng là lúc cần một quy tắc số.

2.Phương pháp số

Đáp số: y2 = 2,553

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₊₁0030−1,22,8810,22,88−1,152−2,119682,552832

Các bước Heun

y₁ = 3 + (0,2/2)(0 − 1,2) = 2,88
y₂ = 2,88 + (0,2/2)(−1,152 − 2,11968) = 2,552832
00,10,20,30,42,62,83ty

Đồ thị

y2 = 2,553

Đáp số

y2 = 2,553

Giá trị chính xác là y(0,4) = 2,556431.

3.Dãy số & chuỗi

Đáp số: S = 4

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

4/(k(k + 1)) = 4·(1/k − 1/(k + 1))

Hủy

S = 4·1 = 4

Đáp số

S = 4
4.Dãy số & chuỗi

Đáp số: n = 11

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.

n(n + 1)!chặn011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059936288001,589 × 10⁻⁵10399168002,167 × 10⁻⁶114790016002,709 × 10⁻⁷

Các chặn khi n tăng

n = 10: 2,167 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 11: 2,709 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

Bậc nhỏ nhất

n = 11

Đáp số

n = 11
5.Ma trận và định thức

Đáp số: c11 = −17

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.

Hàng nhân cột

c11 = (−2)·6 + 1·(−5) = −17

Đáp số

c11 = −17
6.Ma trận và định thức

Đáp số: x = 1,4

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·(−2) − (−2)·(−4) = −20

Thay cột x

det Aₓ = 2·(−2) − (−2)·(−12) = −28
x = −28/(−20) = 1,4

Đáp số

x = 1,4
y = 3,2
7.Phương trình vi phân

Đáp số: t = 5,293 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(61/6)/21 = 0,1104 min⁻¹

Thời gian để đạt giá trị mục tiêu

t = ln(61/34)/0,1104 = 5,293 min

Đáp số

t = 5,293 min
8.Phương trình vi phân

Đáp số: m = 110,8 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 = 20·0,25 − (20/500)·m = 5 − 0,04·m

Giải

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

m(t) = 125 + (−105)·e−t/25

Thay t

m(50) = 125 + (−105)·0,1353 = 110,8 kg

Đáp số

m = 110,8 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods