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)01020304050v (m/s)578121818

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
2.Sayısal yöntemlerZor
00,510,40,60,81ty(0, 0,5)

y5 ≈ y(1,25) değerini tahmin etmek için y′ = y − t², y(0) = 0,5 üzerinde h = 0,25 ile Euler yöntemini kullanın.

y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,25
y5 =
3.Diziler ve serilerOrta
AΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/√kk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞

Dört serinin tam biri yakınsar. Ona tıklayın.

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

f(x) = eˣ, x = 0,5 noktasında n. dereceden Maclaurin polinomuyla yaklaşıklanıyor. M = 2 ile Lagrange sınırı M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! kullanarak, hatanın 1 × 10⁻⁵ değerinin altında olmasını garanti eden en küçük dereceyi, n, bulun.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 1 × 10⁻⁵
n =
5.Matrisler ve determinantlarOrta
A =5−5−250−43−2−3

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

A = [5 −5 −2; 5 0 −4; 3 −2 −3]
det A =
6.Matrisler ve determinantlarZor
A =4−35−4

Gösterilen A matrisinin büyük özdeğeri λ'ı bulun.

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

y″ + 6y′ + 8y = 0 denklemini y(0) = 4 ve y′(0) = 4 ile çözün. y(1,5) değerini bulun.

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(1.5) =
8.Diferansiyel denklemlerZor
tyK = 5ymax​ = ?

Bir sistem t ≥ 0 için y″ + 2y′ + 26y = 130 denklemine uyuyor ve durgun halden başlıyor: y(0) = 0, y′(0) = 0. Basamak tepkisinin tepe değerini ymax bulun.

y″ + 2y′ + 26y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Çözeltiler

1.Sayısal yöntemler

Cevap: s = 565 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

5 + 2·7 + 2·8 + 2·12 + 2·18 + 18 = 113

Yamuk kuralı

s = (10/2)·113 = 565 m

Cevap

s = 565 m
2.Sayısal yöntemler

Cevap: y5 = 0,9719

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₊₁000,50,50,62510,250,6250,56250,76562520,50,7656250,5156250,89453130,750,8945310,3320310,977539410,977539−0,02246090,971924

Euler adımları

y₁ = 0,5 + 0,25·(0,5) = 0,625
y₂ = 0,625 + 0,25·(0,5625) = 0,765625
y₃ = 0,765625 + 0,25·(0,515625) = 0,894531
y₄ = 0,894531 + 0,25·(0,332031) = 0,977539
y₅ = 0,977539 + 0,25·(−0,0224609) = 0,971924
00,510,40,60,81ty

Grafik

y5 = 0,9719

Cevap

y5 = 0,9719

Tam değer y(1,25) = 0,826986’dir.

3.Diziler ve seriler

Cevap: C: Σ (−1)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 k!/2ᵏ → Oran testi: L = lim (k + 1)/2 = ∞, ıraksar.
B: Σ 1/√k → p = 1/2 ≤ 1 olan p-serisi: ıraksar.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Değişen işaretli, 1/k 0’a azalıyor: (koşullu olarak) yakınsar.
D: Σ (k + 2)/k² → Büyük k için 1/k gibi davranır: harmonik seriyle karşılaştırmayla ıraksar.

Cevap

C: Σ (−1)ᵏ/k

Cevap

C: Σ (−1)ᵏ/k
4.Diziler ve seriler

Cevap: n = 6

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.

n(n + 1)!sınır011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵650403,1 × 10⁻⁶

Artan n için sınırlar

n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 6: 3,1 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

En küçük derece

n = 6

Cevap

n = 6
5.Matrisler ve determinantlar

Cevap: det A = −35

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 = −8, M₁₂ = −3, M₁₃ = −10

Kofaktör açılımı

det A = 5·(−8) − (−5)·(−3) + (−2)·(−10) = −35

Cevap

det A = −35
6.Matrisler ve determinantlar

Cevap: λ = 1

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 − (0)λ + (−1) = 0

Çözün

λ = (0 ± √(4))/2 → λ = −1, 1
λ = 1

Cevap

λ = 1
7.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(1.5) = 0,483

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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Başlangıç değerlerinden sabitler

A + B = 4, −2A − 4B = 4
A = 10, B = −6

Hesaplayın

y(1,5) = 10·e−3 + (−6)·e−6 = 0,483

Cevap

y(1,5) = 0,483
8.Diferansiyel denklemler

Cevap: ymax = 7,667

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 ± 5j

Başlangıç değerlerinden sabitler

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

Tepe

t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1·π/5) = 7,667

Cevap

ymax = 7,667

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods