Diferansiyel Denklemler: hızlı tekrar paketi

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

Yeni sorularDerse 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 = 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

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

  1. Mümkünse integrali alınan ifadeyi basit terimlerin toplamı olarak yeniden yazın.
  2. Kuvvet kuralını uygulayın: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1); ex, 1/x, sin ve cos için standart integralleri kullanın.
  3. Bir fonksiyonu ve türevini bir arada gördüğünüzde değişken değiştirme kullanın.
  4. 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

  1. Yapıyı belirleyin: toplam, çarpım, bölüm veya bileşke.
  2. x’in her kuvvetine kuvvet kuralını uygulayın.
  3. Gereken yerde çarpım, bölüm veya zincir kuralını kullanın.
  4. 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

  1. 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.
  2. Bir tablo değeri için: iki komşu nokta arasında doğrusal enterpolasyon yapın.
  3. 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.
  4. 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
tyy(0) = 3y(2) = ?

y″ + 7y′ + 12y = 0 denklemini y(0) = 3 ve y′(0) = 1 ile çözün. y(2) değerini bulun.

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(2) =
2.Diferansiyel denklemlerZor
ty2y(2) = ?

y(0) = 5 koşuluyla y′ + 0,5y = 8e−3t denklemini çözün. y(2) değerini bulun.

y′ + 0,5y = 8e−3ty(0) = 5
y(2) =
3.İntegrallerOrta
xyπ/3y = x·sin x

I = ∫₀π/3 x·sin x dx değerini hesaplayın (x radyan cinsinden).

∫₀π/3 x·sin x dx
I =
4.İntegrallerZor
xy−11

y = 1 − x² parabolü ile x ekseni arasındaki bölgenin alanı A'ı bulun.

y = 1 − x²
A =
5.TürevlerOrta
xyx = 1,5

f(x) = x·sin(2x) olsun, x radyan cinsinden. f′(1,5)'i bulun.

f(x) = x·sin(2x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.TürevlerZor
xy

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 1 olsun. Yerel maksimumun x koordinatı x'i bulun.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 1
x =
7.Sayısal yöntemlerOrta
t (s)01020304050v (m/s)66491218

Bir aracın sürati her 10 s’de bir ölçülüyor (tablo). t = 0’dan t = 50 s’ye kadar aldığı yolu, s, yamuk kuralıyla tahmin edin.

h = 10 sn = 5
s = m
8.Sayısal yöntemlerZor
00,51−10ty(0, −1)

y5 ≈ y(1,25) değerini tahmin etmek için y′ = cos t − y, y(0) = −1 üzerinde h = 0,25 ile Euler yöntemini kullanın.

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,25
y5 =

3Çözeltiler

1.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(2) = 0,02887

İkinci mertebeden doğrusal denklemler: y″ + b·y′ + c·y = 0 için y = ert deneyin: bu, r² + b·r + c = 0 karakteristik denklemini verir. İki farklı gerçek kök r₁ ≠ r₂, y = A·er₁t + B·er₂t verir (aşırı sönümlü); çift kök r, y = (A + Bt)·ert 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″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 biçiminde yazıldığında ωn 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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Başlangıç değerlerinden sabitler

A + B = 3, −3A − 4B = 1
A = 13, B = −10

Hesaplayın

y(2) = 13·e−6 + (−10)·e−8 = 0,02887

Cevap

y(2) = 0,02887
2.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(2) = 3,009

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 8e−2,5t

Genel çözüm

y = 8/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −3,2·e−3t + C·e−0,5t

Başlangıç koşulu

5 = −3,2 + C → C = 8,2

Hesaplayın

y(2) = −3,2·0,002479 + 8,2·0,3679 = 3,009

Cevap

y(2) = 3,009
3.İntegraller

Cevap: I = 0,3424

Kısmi integrasyon: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, çarpım kuralından gelir. u olarak türevi alındığında basitleşen çarpanı (x’in bir kuvveti ya da ln x), dv olarak ise integralini alabildiğiniz çarpanı (eˣ, sin x, cos x ya da u = ln x iken x) seçin. Belirli integralde u·v’yi iki sınırda hesaplayın: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. x² çarpanı iki tur gerektirir.

u ve dv’yi seçin

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

İlkel fonksiyon

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Limitler

(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424

Cevap

I = 0,3424
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′(1.5) = −2,829

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.

Çarpım ve zincir kuralı

f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)

Yerine koyun

f′(1,5) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829

Cevap

f′(1,5) = −2,829
6.Türevler

Cevap: x = 1

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 + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

f′(x) = 0'ı çözün

x = 1 veya x = 4

Hangisi hangisi

f″(x) = 6x − 15: maksimumda negatif, minimumda pozitif.

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 1

Cevap

x = 1
7.Sayısal yöntemler

Cevap: s = 430 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

6 + 2·6 + 2·4 + 2·9 + 2·12 + 18 = 86

Yamuk kuralı

s = (10/2)·86 = 430 m

Cevap

s = 430 m
8.Sayısal yöntemler

Cevap: y5 = 0,3397

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00−12−0,510,25−0,51,468912−0,13277220,5−0,1327721,0103540,11981730,750,1198170,6118720,272785410,2727850,2675180,339664

Euler adımları

y₁ = −1 + 0,25·(2) = −0,5
y₂ = −0,5 + 0,25·(1,468912) = −0,132772
y₃ = −0,132772 + 0,25·(1,010354) = 0,119817
y₄ = 0,119817 + 0,25·(0,611872) = 0,272785
y₅ = 0,272785 + 0,25·(0,267518) = 0,339664
00,51−10ty

Grafik

y5 = 0,3397

Cevap

y5 = 0,3397

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations