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
t (s)0102030405060v (m/s)34810121723

Bir aracın sürati her 10 s’de bir ölçülüyor (tablo). t = 0’dan t = 60 s’ye kadar aldığı yolu, s, Simpson kuralıyla tahmin edin.

h = 10 sn = 6
s = m
2.Sayısal yöntemlerZor
00,20,40,51ty(0, 0,5)

y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 için h = 0,5 ile klasik Runge–Kutta yönteminin (RK4) bir adımını atın. y₁ ≈ y(0,5) değerini bulun.

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3.Diziler ve serilerOrta
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞

Dört serinin tam biri ıraksar. Ona tıklayın.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ ln k / kC: Σ (1/3)ᵏD: Σ 1/(k(k + 3))
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ (1/3)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 3))
4.Diziler ve serilerZor
xyfP₃−1,5

f(x) = sin x fonksiyonunun 3. dereceden Maclaurin polinomunu kullanarak f(−1,5) değerini yaklaşık olarak bulun. P₃(−1,5) değerini verin.

f(x) = sin xn = 3x = −1,5
P₃(−1.5) =
5.Matrisler ve determinantlarOrta
A =200−5−111−25

Gösterilen 3×3 A matrisinin determinantı det A'ı bulun.

A = [2 0 0; −5 −1 1; 1 −2 5]
det A =
6.Matrisler ve determinantlarZor
A =21−25

Gösterilen A matrisinin büyük özdeğeri λ'ı bulun.

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

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

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.5) =
8.Diferansiyel denklemlerZor
tyK = 10ymax​ = ?

Bir sistem t ≥ 0 için y″ + 2y′ + 17y = 170 denklemine uyuyor ve durgun halden başlıyor: y(0) = 0, y′(0) = 0. Basamak tepkisinin tepe değerini ymax bulun.

y″ + 2y′ + 17y = 170y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Çözeltiler

1.Sayısal yöntemler

Cevap: s = 633,3 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

3 + 4·4 + 2·8 + 4·10 + 2·12 + 4·17 + 23 = 190

Simpson kuralı

s = (10/3)·190 = 633,3 m

Cevap

s = 633,3 m
2.Sayısal yöntemler

Cevap: y1 = 1,108

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.

Dört eğim

k₁ = f(0, 0,5) = 1
k₂ = f(0,25, 0,75) = 1,186403
k₃ = f(0,25, 0,796601) = 1,197836
k₄ = f(0,5, 1,098918) = 1,522226

Birleştirin

y₁ = 0,5 + (0,5/6)(1 + 2·1,186403 + 2·1,197836 + 1,522226) = 1,108

Cevap

y1 = 1,108
3.Diziler ve seriler

Cevap: B: Σ ln k / k

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 (−1)ᵏ/k → Değişen işaretli, 1/k 0’a azalıyor: (koşullu olarak) yakınsar.
B: Σ ln k / k → k ≥ 3 için 1/k’dan büyüktür: harmonik seriyle karşılaştırmayla ıraksar.
C: Σ (1/3)ᵏ → r = 1/3 olan geometrik seri, |r| < 1: yakınsar.
D: Σ 1/(k(k + 3)) → 1/k²’den küçüktür: karşılaştırmayla yakınsar.

Cevap

B: Σ ln k / k

Cevap

B: Σ ln k / k
4.Diziler ve seriler

Cevap: P₃(−1.5) = −0,9375

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.

Maclaurin polinomu

P₃(x) = x − 0,1667x³

Yerine koyun

P₃(−1,5) = −1,5 + 0,5625 = −0,9375

Cevap

P₃(−1,5) = −0,9375

Tam değer f(−1,5) = −0,997495’dir; daha fazla terim aldığınızda ya da 0’a daha yakın bir nokta seçtiğinizde hata, −0,059995, küçülür.

5.Matrisler ve determinantlar

Cevap: det A = −6

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.

İlk satırın 2×2 minörleri

M₁₁ = −3, M₁₂ = −26, M₁₃ = 11

Kofaktör açılımı

det A = 2·(−3) − 0·(−26) + 0·11 = −6

Cevap

det A = −6
6.Matrisler ve determinantlar

Cevap: λ = 4

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 − (7)λ + (12) = 0

Çözün

λ = (7 ± √(1))/2 → λ = 3, 4
λ = 4

Cevap

λ = 4
7.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(0.5) = 1,46

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 = 0
A = 12, B = −9

Hesaplayın

y(0,5) = 12·e−1,5 + (−9)·e−2 = 1,46

Cevap

y(0,5) = 1,46
8.Diferansiyel denklemler

Cevap: ymax = 14,56

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 = 10, r = −1 ± 4j

Başlangıç değerlerinden sabitler

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −2,5

Tepe

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1·π/4) = 14,56

Cevap

ymax = 14,56

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods