Sayısal Yöntemler: 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

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.

Diziler ve seriler

Aritmetik dizi
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrik dizi
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Sonsuz geometrik seri
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-serisi
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Oran testi
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Yakınsaklık yarıçapı
R = lim |ck/ck+1|
Taylor polinomu
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurin serisi
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrange hata sınırı
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Yöntem

  1. Türü belirleyin: aritmetik (sabit fark), geometrik (sabit oran), standart bir seri, bir kuvvet serisi ya da bir Taylor polinomu.
  2. Toplamlar için Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) ya da |r| < 1 iken S = a₁/(1 − r) kullanın; a₁ toplamın ilk terimidir.
  3. Yakınsaklık için: önce n. terim testi, sonra Σ1/kᵖ ya da bir geometrik seriyle karşılaştırma; faktöriyeller ve k. kuvvetler için oran ya da kök testini kullanın.
  4. Taylor polinomları için f(a), f′(a), f″(a), … değerlerini listeleyin, k. türevi k!’e bölün ve hatayı M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! ile sınırlayın.

Matrisler ve determinantlar

2×2 determinant
det = ad − bc
2×2 ters matris
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Ürün
(AB)ij = Σk AikBkj
Özdeğerler
det(A − λI) = 0
Cramer kuralı
xi = det(Ai)/det(A)

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

2Alıştırma soruları

1.Sayısal yöntemlerOrta
xy00,51

∫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| =
2.Sayısal yöntemlerZor
00,20,40,60,80,20,4ty(0, 0,5)

y′ = −y, y(0) = 0,5 denklemini Euler yöntemiyle h = 0,2 adımıyla t = 0,8 değerine kadar çözün. Tam çözüm y = y₀e−t’dür. Genel hatayı, |E| = |y(0,8) − y4|, bulun.

y′ = −yy(0) = 0,5h = 0,2
|E| =
3.Diziler ve serilerOrta
AΣ 2/kk = 1 … ∞BΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞CΣ k/(k + 4)k = 1 … ∞DΣ 3/k²k = 1 … ∞

Dört serinin tam biri yakınsar. Ona tıklayın.

A: Σ 2/kB: Σ (3/2)ᵏC: Σ k/(k + 4)D: Σ 3/k²
  1. 1A: Σ 2/k
  2. 2B: Σ (3/2)ᵏ
  3. 3C: Σ k/(k + 4)
  4. 4D: Σ 3/k²
4.Diziler ve serilerZor

f(x) = ∛x fonksiyonunun a = 1 civarındaki Taylor serisinde (x − 1)⁴ teriminin katsayısını, c₄, bulun.

f(x) = ∛xa = 1k = 4
c₄ =
5.Matrisler ve determinantlarOrta
A =4−2−5−6B =2546

Gösterilen matrisler için C = AB olsun. c22 elemanını bulun (satır 2, sütun 2).

A = [4 −2; −5 −6]B = [2 5; 4 6]
c22 =
6.Matrisler ve determinantlarZor
A =34−1−2

Gösterilen A matrisinin büyük özdeğeri λ'ı bulun.

A = [3 4; −1 −2]
λ =
7.Diferansiyel denklemlerOrta
tyy(0) = 3y(0,5) = ?

y″ + 7y′ + 12y = 0 denklemini y(0) = 3 ve y′(0) = 6 ile çözün. y(0,5) değerini bulun.

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 6
y(0.5) =
8.Diferansiyel denklemlerZor
tyK = 5ymax​ = ?

Bir sistem t ≥ 0 için y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3 denklemine uyuyor ve durgun halden başlıyor: y(0) = 0, y′(0) = 0. Basamak tepkisinin tepe değerini ymax bulun.

y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Çözeltiler

1.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 + … + 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.

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.

2.Sayısal yöntemler

Cevap: |E| = 0,01986

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₊₁000,5−0,50,410,20,4−0,40,3220,40,32−0,320,25630,60,256−0,2560,2048

Euler adımları

y4 = 0,2048

Tam değer

y(0,8) = 0,224664

Genel hata

|E| = |0,224664 − 0,2048| = 0,01986
00,20,40,60,80,20,4ty

Grafik

Cevap

|E| = 0,01986

h’yi yarıya indirmek Euler yönteminin hatasını kabaca yarıya indirir.

3.Diziler ve seriler

Cevap: D: Σ 3/k²

Yakınsaklık: terimler 0’a gitmiyorsa seri ıraksar (n. terim testi). Σ1/kᵖ yalnızca p > 1 için, Σrᵏ yalnızca |r| < 1 için yakınsar. Terimleri büyük k için bunlara benziyorsa bir seriyi bunlardan biriyle karşılaştırın. Oran testi: L = lim |ak+1/ak|; kök testi: L = lim |ak|1/k. L < 1 yakınsar, L > 1 ıraksar, L = 1 hiçbir şeye karar vermez. Bir kuvvet serisi Σck(x − x₀)ᵏ, R = lim |ck/ck+1| olmak üzere |x − x₀| < R için yakınsar; terimleri 0’a azalan değişen işaretli bir seri yakınsar.

Her seriyi sınayın

A: Σ 2/k → Harmonik serinin (p = 1) bir katı: ıraksar.
B: Σ (3/2)ᵏ → r = 3/2 > 1 olan geometrik seri: terimler büyür; bu yüzden ıraksar.
C: Σ k/(k + 4) → Terimler 0’a değil 1’e gider: n. terim testiyle ıraksar.
D: Σ 3/k² → p = 2 > 1 olan p-serisi: yakınsar.

Cevap

D: Σ 3/k²

Cevap

D: Σ 3/k²
4.Diziler ve seriler

Cevap: c₄ = −0,04115

Taylor polinomları: x = a yakınında türevlenebilir bir fonksiyon Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! ile yaklaşıklanır; a = 0 için bu Maclaurin polinomudur. Standart seriler: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagrange hata sınırı: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!; burada M, a ile x arasında |f⁽ⁿ⁺¹⁾|’in en büyük değeridir.

Türev f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −0,9877·x1/3 − 4

Katsayı

c₄ = −0,9877·11/3 − 4/4! = −0,04115
c₄ = −0,04115

Cevap

c₄ = −0,04115
5.Matrisler ve determinantlar

Cevap: c22 = −61

Matrisler: 2×2 matrisin determinantı ad − bc'dir. 3×3 için bir satır boyunca açın: her eleman, kendi satırı ve sütunu silinince kalan 2×2 matrisin determinantıyla çarpılır, işaretler + − + şeklinde değişir. Özdeğerler λ, det(A − λI) = 0'ı sağlar; 2×2 için bu λ² − (iz)·λ + det = 0'dır.

Satır çarpı sütun

c22 = (−5)·5 + (−6)·6 = −61

Cevap

c22 = −61
6.Matrisler ve determinantlar

Cevap: λ = 2

Matrisler: 2×2 matrisin determinantı ad − bc'dir. 3×3 için bir satır boyunca açın: her eleman, kendi satırı ve sütunu silinince kalan 2×2 matrisin determinantıyla çarpılır, işaretler + − + şeklinde değişir. Özdeğerler λ, det(A − λI) = 0'ı sağlar; 2×2 için bu λ² − (iz)·λ + det = 0'dır.

Karakteristik denklem

λ² − (1)λ + (−2) = 0

Çözün

λ = (1 ± √(9))/2 → λ = −1, 2
λ = 2

Cevap

λ = 2
7.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(0.5) = 1,986

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 = 6
A = 18, B = −15

Hesaplayın

y(0,5) = 18·e−1,5 + (−15)·e−2 = 1,986

Cevap

y(0,5) = 1,986
8.Diferansiyel denklemler

Cevap: ymax = 6,948

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 = 5, r = −1,5 ± 5j

Başlangıç değerlerinden sabitler

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

Tepe

t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1,5·π/5) = 6,948

Cevap

ymax = 6,948

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods