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) = 5y(0,5) = ?

y″ + 6y′ + 9y = 0 denklemini y(0) = 5 ve y′(0) = 2 ile çözün. y(0,5) değerini bulun.

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Diferansiyel denklemlerZor
xy13(1, −1)y(3) = ?

x > 0 için y(1) = −1 koşuluyla y′ + y/x = x2 başlangıç değer problemini çözün. y(3) değerini bulun.

y′ + y/x = x2y(1) = −1
y(3) =
3.İntegrallerOrta
xy3y = x

y = x eğrisinin altında, x = 0’dan x = 3’e kadar olan bölge x ekseni etrafında döndürülüyor. Cismin (bir koni) hacmini V bulun.

y = x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.İntegrallerZor
xyy = 0,5x2​y = x

y = 0,5x2 ve y = x ile sınırlanan bölgenin alanı A'ı bulun.

y = 0,5x2y = x
A =
5.TürevlerOrta
xyx = −2

f(x) = ln(2x2 + 1) olsun. f′(−2)'i bulun.

f(x) = ln(2x2 + 1)x = −2
f′(−2) =
6.TürevlerZor
xy

f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 4 olsun. Yerel minimumun x koordinatı x'i bulun.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 4
x =
7.Sayısal yöntemlerOrta

Yamuk kuralı ∫02 sin x dx için kullanılıyor. Hata en çok (b − a)³·M/(12n²)’dir; M = [0, 2] üzerinde max|f″|. Hatanın 0,0005 değerinin altında olmasını garanti eden en küçük şerit sayısını, n, bulun.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Sayısal yöntemlerZor
012−10ty(0, −1)

y5 ≈ y(2,5) değerini tahmin etmek için y′ = cos t − y, y(0) = −1 üzerinde h = 0,5 ile Euler yöntemini kullanın.

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,5
y5 =

3Çözeltiler

1.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(0.5) = 3,012

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.

Çift kök

(r + 3)² = 0 → r = −3

Sabitler

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 15 = 17

Hesaplayın

y(0,5) = (5 + 17·0,5)·e−1,5 = 3,012

Cevap

y(0,5) = 3,012
2.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(3) = 6,333

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∫1/x dx = x1

İntegral alın

(x1y)′ = x3 → x1y = 1x4/4 + C

Başlangıç koşulu

−1 = 1/4 + C → C = −1,25

Hesaplayın

y(3) = (1·34/4 + (−1,25))/31 = 6,333

Cevap

y(3) = 6,333
3.İntegraller

Cevap: V = 28,27

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∫₀3 1x² dx

İntegral alın

V = π·1·3³/3 = 28,27

Cevap

V = 28,27

Kontrol: yarıçapı 3, yüksekliği 3 olan bir koninin hacmi (1/3)πr²h = 28,27.

4.İntegraller

Cevap: A = 0,6667

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.

Kesişim noktaları

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Üst eksi alt integrali alın

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Cevap

A = 0,6667
5.Türevler

Cevap: f′(−2) = −0,8889

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.

Logaritma için zincir kuralı

f′(x) = 4x/(2x2 + 1)

Yerine koyun

f′(−2) = −8/9 = −0,8889

Cevap

f′(−2) = −0,8889
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: n = 37

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.

İkinci türev sınırı

M = |sin(π/2)| = 1

n'yi çözün

n² > 8·1/(12·0,0005) = 1333
n > 36,51 → n = 37

Cevap

n = 37
8.Sayısal yöntemler

Cevap: y5 = −0,068

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₊₁00−12010,500,8775830,438791210,4387910,1015110,48954731,50,489547−0,418810,280142420,280142−0,696289−0,0680024

Euler adımları

y₁ = −1 + 0,5·(2) = 0
y₂ = 0 + 0,5·(0,877583) = 0,438791
y₃ = 0,438791 + 0,5·(0,101511) = 0,489547
y₄ = 0,489547 + 0,5·(−0,41881) = 0,280142
y₅ = 0,280142 + 0,5·(−0,696289) = −0,0680024
012−10ty

Grafik

y5 = −0,068

Cevap

y5 = −0,068

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations