Diferansiyel denklemler
- Üstel büyüme/azalma
- dy/dt = ky → y = y0ekt
- Yarı ömür
- k = ln 2 / t½
- Newton’un soğuma yasası
- T(t) = Ta + (T0 − Ta)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
Diferansiyel Denklemler: hızlı tekrar paketi
Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.
1Formüller ve yöntemler
İntegraller
- Kuvvet kuralı
- ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
- Belirli integral
- ∫ab f dx = F(b) − F(a)
- Temel integraller
- ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
- Eğriler arasındaki alan
- ∫ab (f − g) dx
Yöntem
- Mümkünse integrali alınan ifadeyi basit terimlerin toplamı olarak yeniden yazın.
- Kuvvet kuralını uygulayın: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1); ex, 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
- xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
- Doğrusal enterpolasyon
- y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
- Yamuk kuralı
- T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
- Simpson kuralı (n çift)
- S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
- Yamuk hata sınırı
- |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)
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
92 °C’deki bir fincan kahve 19 °C’deki bir odada bırakılıyor. 17 dakika sonra sıcaklığı 56 °C’dir. Newton’un soğuma yasasını izler: dT/dt = −k·(T − Tₐ). Sabit k değerini min⁻¹ cinsinden bulun.
T0 = 92 °CTa = 19 °CT(17) = 56 °C
k = min⁻¹
2.Diferansiyel denklemlerZor
x > 0 için y(1) = 5 koşuluyla y′ + 2y/x = x2 başlangıç değer problemini çözün. y(3) değerini bulun.
y′ + 2y/x = x2y(1) = 5
y(3) =
3.İntegrallerOrta
I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx'i hesaplayın.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.İntegrallerZor
y = 1 − x² parabolü ile x ekseni arasındaki bölgenin alanı A'ı bulun.
y = 1 − x²
A =
5.TürevlerOrta
f(x) = (4x − 3)3 olsun. f′(0)'yi bulun.
f(x) = (4x − 3)3x = 0
f′(0) =
6.TürevlerZor
f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 2 olsun. Yerel minimumun x koordinatı x'i bulun.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 2
x =
7.Sayısal yöntemlerOrta
Bir aracın sürati her 10 s’de bir ölçülüyor (tablo). t = 0’dan t = 40 s’ye kadar aldığı yolu, s, Simpson kuralıyla tahmin edin.
h = 10 sn = 4
s = m
8.Sayısal yöntemlerZor
y2 ≈ y(0,5) değerini tahmin etmek için y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2 üzerinde h = 0,25 ile Heun yöntemini (geliştirilmiş Euler) kullanın.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,2h = 0,25
y2 =
3Çözeltiler
1.Diferansiyel denklemler
Cevap: k = 0,03997 min⁻¹
Birinci mertebe diferansiyel denklemler: dy/dt = k·y’nin çözümü y = y₀·ekt’dir (k > 0 için büyüme, k < 0 için azalma); T yarı ömrü k = ln 2/T verir. Newton’un soğuma yasası dT/dt = −k·(T − Tₐ), T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt verir. y′ + p(x)·y = q(x) lineer denklemi μ = e∫p dx integrasyon çarpanıyla çözülür: (μy)′ = μq, dolayısıyla μy = ∫μq dx + C.
Sıcaklık farklarının oranı
e−17k = 37/73
k için çözün
k = ln(73/37)/17 = 0,03997 min⁻¹
Cevap
k = 0,03997 min⁻¹
2.Diferansiyel denklemler
Cevap: y(3) = 5,933
Birinci mertebe diferansiyel denklemler: dy/dt = k·y’nin çözümü y = y₀·ekt’dir (k > 0 için büyüme, k < 0 için azalma); T yarı ömrü k = ln 2/T verir. Newton’un soğuma yasası dT/dt = −k·(T − Tₐ), T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt verir. y′ + p(x)·y = q(x) lineer denklemi μ = e∫p dx integrasyon çarpanıyla çözülür: (μy)′ = μq, dolayısıyla μy = ∫μq dx + C.
İntegrasyon çarpanı
μ = e∫2/x dx = x2
İntegral alın
(x2y)′ = x4 → x2y = 1x5/5 + C
Başlangıç koşulu
5 = 1/5 + C → C = 4,8
Hesaplayın
y(3) = (1·35/5 + 4,8)/32 = 5,933
Cevap
y(3) = 5,933
3.İntegraller
Cevap: I = 12
Belirli integraller: ∫ₐᵇ f(x) dx, a'dan b'ye grafik ile x ekseni arasındaki işaretli alandır. Bir ilkel fonksiyon F (F′ = f) bulun ve F(b) − F(a)'yı hesaplayın. Kuvvet kuralı: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). İki eğri arasındaki alan ∫(üst − alt) dx'tir.
Değişken değiştirme
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
İntegral alın ve sınırları koyun
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Cevap
I = 12
4.İntegraller
Cevap: A = 1,333
Belirli integraller: ∫ₐᵇ f(x) dx, a'dan b'ye grafik ile x ekseni arasındaki işaretli alandır. Bir ilkel fonksiyon F (F′ = f) bulun ve F(b) − F(a)'yı hesaplayın. Kuvvet kuralı: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). İki eğri arasındaki alan ∫(üst − alt) dx'tir.
Sıfırlar
1 − x² = 0 → x = ±1
İntegral alın
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Cevap
A = 1,333
5.Türevler
Cevap: f′(0) = 108
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) = 3·(4x − 3)2·4
Yerine koyun
f′(0) = 3·(−3)2·4 = 108
Cevap
f′(0) = 108
6.Türevler
Cevap: x = 3
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.
Türev
f′(x) = 3x2 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)
f′(x) = 0'ı çözün
x = 2 veya x = 3
Hangisi hangisi
f″(x) = 6x − 15: maksimumda negatif, minimumda pozitif.
f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 3
Cevap
x = 3
7.Sayısal yöntemler
Cevap: s = 230 m
Sayısal integral: [a, b] aralığını x₀ … xₙ düğümleriyle h = (b − a)/n genişliğinde n şeride bölün. Yamuk kuralı: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Simpson kuralı (n çift): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−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.
Ağırlıklı toplam
0 + 4·2 + 2·7 + 4·9 + 11 = 69
Simpson kuralı
s = (10/3)·69 = 230 m
Cevap
s = 230 m
8.Sayısal yöntemler
Cevap: y2 = 0,4573
y′ = f(t, y) denkleminin sayısal çözümü: Euler yöntemi her adımın başındaki eğim boyunca ilerler: yn+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), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Klasik Runge–Kutta yöntemi (RK4) dört eğimi birleştirir: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Euler’in genel hatası h ile, Heun’un h² ile, RK4’ün h⁴ ile orantılıdır.
Heun adımları
y₁ = 0,2 + (0,25/2)(0,36 + 0,4959) = 0,306988
y₂ = 0,306988 + (0,25/2)(0,519734 + 0,682942) = 0,457322
Grafik
y2 = 0,4573
Cevap
y2 = 0,4573
Tam değer y(0,5) = 0,463939’dir.
ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations