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
t (min)T (°C)39Ta​T = ?

500 °C’deki dövme çelik bir parça 23 °C’deki bir atölyede soğumaya bırakılıyor. Newton’un soğuma yasasını izler: dT/dt = −k·(T − Tₐ). k = 0,01 min⁻¹ ile 39 dakika sonraki sıcaklığı T değerini bulun.

T0 = 500 °CTa = 23 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 39 min
T = °C
2.Diferansiyel denklemlerZor
tyK = 1ymax​ = ?

Bir sistem t ≥ 0 için y″ + y′ + 16,25y = 16,25 denklemine uyuyor ve durgun halden başlıyor: y(0) = 0, y′(0) = 0. Basamak tepkisinin tepe değerini ymax bulun.

y″ + y′ + 16,25y = 16,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.İntegrallerOrta
xy210

I = ∫210 5/x dx'i hesaplayın.

f(x) = 5/x[2, 10]
I =
4.İntegrallerZor
xy2,5y = x²eˣ

I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx değerini hesaplayın.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.TürevlerOrta
xyx = 1

f(x) = (2x − 1)5 olsun. f′(1)'yi bulun.

f(x) = (2x − 1)5x = 1
f′(1) =
6.TürevlerZor
xyx = −1

f(x) = 3x2 + 5x + 5 fonksiyonunun x = −1 noktasındaki teğeti y eksenini y = b'de keser. b'yi bulun.

f(x) = 3x2 + 5x + 5x = −1
b =
7.Sayısal yöntemlerOrta
xy00,16670,33330,50,66670,83331

∫01 √x·e−x dx integralini n = 6 şeritli yamuk kuralıyla yaklaşık olarak hesaplayın. T değerini verin.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 6
T =
8.Sayısal yöntemlerZor
00,511,5205ty(0, 0,5)

y4 ≈ y(2) değerini tahmin etmek için y′ = t + y, y(0) = 0,5 üzerinde h = 0,5 ile Euler yöntemini kullanın.

y′ = t + yy(0) = 0,5h = 0,5
y4 =

3Çözeltiler

1.Diferansiyel denklemler

Cevap: T = 346 °C

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.

Soğuma yasasının çözümü

T(t) = 23 + 477·e−0,01t

t’yi yerine koyun

T(39) = 23 + 477·0,6771 = 346 °C

Cevap

T = 346 °C
2.Diferansiyel denklemler

Cevap: ymax = 1,675

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.

Sürekli değer ve kökler

yss = 1, r = −0,5 ± 4j

Başlangıç değerlerinden sabitler

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,125

Tepe

t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/4) = 1,675

Cevap

ymax = 1,675
3.İntegraller

Cevap: I = 8,047

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.

İlkel fonksiyon

F(x) = 5·ln x

Sınırları yerine koyun

I = 5·(ln 10 − ln 2) = 5·ln 5 = 8,047

Cevap

I = 8,047
4.İntegraller

Cevap: I = 37,59

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.

Birinci tur

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

İkinci tur

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limitler

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Cevap

I = 37,59
5.Türevler

Cevap: f′(1) = 10

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) = 5·(2x − 1)4·2

Yerine koyun

f′(1) = 5·14·2 = 10

Cevap

f′(1) = 10
6.Türevler

Cevap: b = 2

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.

Nokta ve eğim

f(−1) = 3
f′(x) = 6x + 5 → f′(−1) = −1

x = 0'da teğet

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − (−1)·(−1) = 2

Cevap

b = 2
7.Sayısal yöntemler

Cevap: T = 0,3647

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.

ixᵢf(xᵢ)ağırlık000110,1666670,345575220,3333330,41369230,50,428882240,6666670,419203250,8333330,3967322610,3678791

Düğümler ve değerler

h = 0,1667
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,345575 + 2·0,41369 + 2·0,428882 + 2·0,419203 + 2·0,396732 + 0,367879 = 4,376043

Yamuk kuralı

T = (0,1667/2)·4,376043 = 0,3647

Cevap

T = 0,3647

Bu integralin temel fonksiyonlarla ifade edilen bir ters türevi yoktur; sayısal bir kuralın tam da gerektiği durum budur.

8.Sayısal yöntemler

Cevap: y4 = 4,594

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₊₁000,50,50,7510,50,751,251,375211,3752,3752,562531,52,56254,06254,59375

Euler adımları

y₁ = 0,5 + 0,5·(0,5) = 0,75
y₂ = 0,75 + 0,5·(1,25) = 1,375
y₃ = 1,375 + 0,5·(2,375) = 2,5625
y₄ = 2,5625 + 0,5·(4,0625) = 4,59375
00,511,5205ty

Grafik

y4 = 4,594

Cevap

y4 = 4,594

Tam değer y(2) = 8,083584’dir.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations