Diferansiyel Denklemler: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorular Derse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Diferansiyel denklemler

Üstel büyüme/azalma: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
Yarı ömür: k = ln 2 / t_½
Newton’un soğuma yasası: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
İntegrasyon çarpanı: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
Karıştırma tankı: dm/dt = r·c − (r/V)·m

İntegraller

Kuvvet kuralı: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Belirli integral: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Temel integraller: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Eğriler arasındaki alan: ∫_a^b (f − g) dx

Yöntem

Mümkünse integrali alınan ifadeyi basit terimlerin toplamı olarak yeniden yazın.
Kuvvet kuralını uygulayın: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1); e^x, 1/x, sin ve cos için standart integralleri kullanın.
Bir fonksiyonu ve türevini bir arada gördüğünüzde değişken değiştirme kullanın.
Belirli integralde F(b) − F(a)’yı hesaplayın.

Türevler

Kuvvet kuralı: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Çarpım kuralı: (uv)′ = u′v + uv′
Bölüm kuralı: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Zincir kuralı: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Temel türevler: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Yöntem

Yapıyı belirleyin: toplam, çarpım, bölüm veya bileşke.
x’in her kuvvetine kuvvet kuralını uygulayın.
Gereken yerde çarpım, bölüm veya zincir kuralını kullanın.
Sadeleştirin ve istenirse noktada değerini hesaplayın.

Sayısal yöntemler

Yarılama yöntemi: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Doğrusal enterpolasyon: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Yamuk kuralı: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Simpson kuralı (n çift): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Yamuk hata sınırı: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Yöntem

Bir kök için: yarılamada işaret değişimini denetleyin ya da Newton için f ve f′’yi hesaplayın ve iterasyon tablosunda altı ya da daha fazla basamak tutun.
Bir tablo değeri için: iki komşu nokta arasında doğrusal enterpolasyon yapın.
Bir integral için: h = (b − a)/n bulun, her düğümde f’yi listeleyin, ağırlıkları uygulayın (yamuk için 1, 2, …, 2, 1; n çift iken Simpson için 1, 4, 2, …, 4, 1) ve h/2 ya da h/3 ile çarpın.
Bir adi diferansiyel denklem (ADD) için: t₀’dan yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) ya da ortalama eğimle (Heun) adım atın, istenen t’ye ulaşana kadar adım başına bir satır.

2Alıştırma soruları

1.Diferansiyel denklemlerOrta

y″ + 6y′ + 8y = 0 denklemini y(0) = 2 ve y′(0) = 1 ile çözün. y(1) değerini bulun.

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 2y′(0) = 1

y(1) =

2.Diferansiyel denklemlerZor

Bir sistem t ≥ 0 için y″ + 2y′ + 10y = 50 denklemine uyuyor ve durgun halden başlıyor: y(0) = 0, y′(0) = 0. Basamak tepkisinin tepe değerini y_max bulun.

y″ + 2y′ + 10y = 50y(0) = 0y′(0) = 0

y_max =

3.İntegrallerOrta

y = √(2x) eğrisinin altında, x = 0’dan x = 2’e kadar olan bölge x ekseni etrafında döndürülüyor. Cismin (bir paraboloit) hacmini V bulun.

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 2

V =

4.İntegrallerZor

y = 3x doğrusu ile y = x² parabolü arasındaki bölge x ekseni etrafında döndürülüyor. Cismin hacmini V bulun.

y = 3xy = x²

V =

5.TürevlerOrta

f(x) = (4x + 5)⁴ olsun. f′(−1)'yi bulun.

f(x) = (4x + 5)⁴x = −1

f′(−1) =

6.TürevlerZor

f(x) = x³ − 13,5x² + 54x − 5 olsun. Yerel minimumun x koordinatı x'i bulun.

f(x) = x³ − 13,5x² + 54x − 5

x =

7.Sayısal yöntemlerOrta

∫₀¹ sin x dx integralini n = 2 ile Simpson kuralıyla yaklaşık olarak hesaplayın ve tam değerle karşılaştırın. Mutlak hatayı, |E| = |S − I|, bulun.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2

|E| =

8.Sayısal yöntemlerZor

y′ = e^−ty, y(0) = 0 için h = 0,1 ile klasik Runge–Kutta yönteminin (RK4) bir adımını atın. y₁ ≈ y(0,1) değerini bulun.

y′ = e^−tyy(0) = 0h = 0,1

y₁ =

3Çözeltiler

1.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(1) = 0,5632

İkinci mertebeden doğrusal denklemler: y″ + b·y′ + c·y = 0 için y = e^rt deneyin: bu, r² + b·r + c = 0 karakteristik denklemini verir. İki farklı gerçek kök r₁ ≠ r₂, y = A·e^r₁t + B·e^r₂t verir (aşırı sönümlü); çift kök r, y = (A + Bt)·e^rt verir (kritik sönümlü); −α ± jω karmaşık kökleri y = e^−αt(A cos ωt + B sin ωt) verir (az sönümlü, salınımlı). Başlangıç değerleri y(0) ve y′(0), A ile B’yi belirler. y″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0 biçiminde yazıldığında ω_n doğal frekans, ζ sönüm oranıdır: ζ < 1 salınım yapar. Sabit bir girişle, y″ + by′ + cy = c·K, çözüm K sürekli değeri artı serbest tepkidir.

Karakteristik kökler

(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Başlangıç değerlerinden sabitler

A + B = 2, −2A − 4B = 1

A = 4,5, B = −2,5

Hesaplayın

y(1) = 4,5·e⁻² + (−2,5)·e⁻⁴ = 0,5632

Cevap

y(1) = 0,5632

2.Diferansiyel denklemler

Cevap: y_max = 6,755

Sürekli değer ve kökler

y_ss = 5, r = −1 ± 3j

Başlangıç değerlerinden sabitler

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5

y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −1,667

Tepe

t = π/3 = 1,047

y_max = 5·(1 + e^−1·π/3) = 6,755

Cevap

y_max = 6,755

3.İntegraller

Cevap: V = 12,57

Dönel cisim hacimleri: y = f(x) eğrisi altındaki x = a’dan x = b’ye bölgeyi x ekseni etrafında döndürmek, x’teki kesiti f(x) yarıçaplı bir disk olan bir cisim oluşturur. Diskleri toplamak V = π∫ₐᵇ f(x)² dx verir. Bölge bir dış R(x) eğrisi ile bir iç r(x) eğrisi arasında olduğunda her dilim bir rondeladır: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Yarıçapların karesini çıkarmadan önce alın.

Disk yöntemi

V = π∫₀² 2x dx

İntegral alın

V = π·2·2²/2 = 12,57

Cevap

V = 12,57

4.İntegraller

Cevap: V = 101,8

Kesişim noktaları

3x = 1x² → x = 0, x = 3

Rondela (pul) yöntemi

V = π∫₀³ ((3x)² − (1x²)²) dx

İntegral alın

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8

Cevap

V = 101,8

5.Türevler

Cevap: f′(−1) = 16

Türev alma: f′(x) türevi grafiğin x noktasındaki eğimidir. Kuvvet kuralı: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Çarpım kuralı: (uv)′ = u′v + uv′. Zincir kuralı: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). f′(x) = 0 olan yerde grafiğin yatay teğeti vardır: maksimum, minimum ya da eyer noktası.

Zincir kuralı

f′(x) = 4·(4x + 5)³·4

Yerine koyun

f′(−1) = 4·1³·4 = 16

Cevap

f′(−1) = 16

6.Türevler

Cevap: x = 6

Türev

f′(x) = 3x² − 27x + 54 = 3·(x² − 9x + 18)

f′(x) = 0'ı çözün

x = 3 veya x = 6

Hangisi hangisi

f″(x) = 6x − 27: maksimumda negatif, minimumda pozitif.

f″(3) = −9, f″(6) = 9

x = 6

Cevap

x = 6

7.Sayısal yöntemler

Cevap: |E| = 0,0001645

Sayısal integral: [a, b] aralığını x₀ … xₙ düğümleriyle h = (b − a)/n genişliğinde n şeride bölün. Yamuk kuralı: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ]. Simpson kuralı (n çift): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ]. Yamuk hatası h² gibi küçülür (sınır (b − a)h²·M/12, M = max|f″|), Simpson hatası h⁴ gibi; bu yüzden aynı düğümler için Simpson genellikle çok daha doğrudur.

Tam değer

I = 0,459698

Simpson kuralı

S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862

Hata

|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645

Cevap

|E| = 0,0001645

Bağıl hata: %0,03578.

8.Sayısal yöntemler

Cevap: y₁ = 0,09967

y′ = f(t, y) denkleminin sayısal çözümü: Euler yöntemi her adımın başındaki eğim boyunca ilerler: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Heun yöntemi (geliştirilmiş Euler) başlangıçtaki eğim ile bir Euler tahmininin eğiminin ortalamasını alır: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Klasik Runge–Kutta yöntemi (RK4) dört eğimi birleştirir: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Euler’in genel hatası h ile, Heun’un h² ile, RK4’ün h⁴ ile orantılıdır.

Dört eğim

k₁ = f(0, 0) = 1

k₂ = f(0,05, 0,05) = 0,997503

k₃ = f(0,05, 0,0498752) = 0,997509

k₄ = f(0,1, 0,0997509) = 0,990074

Birleştirin

y₁ = 0 + (0,1/6)(1 + 2·0,997503 + 2·0,997509 + 0,990074) = 0,09967

Cevap

y₁ = 0,09967

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations