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
xy00,511,52

∫02 1/(1 + x³) dx integralini n = 4 şeritli Simpson kuralıyla yaklaşık olarak hesaplayın. S değerini verin.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
2.Sayısal yöntemlerZor
00,511,50,60,81ty(0, 1)

y3 ≈ y(1,5) değerini tahmin etmek için y′ = cos t − y, y(0) = 1 üzerinde h = 0,5 ile Heun yöntemini (geliştirilmiş Euler) kullanın.

y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,5
y3 =
3.Diziler ve serilerOrta
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Σk=1∞ (k!)²·5ᵏ/(2k)! serisine oran testini uygulayın. L = lim |ak+1/ak| değerini bulun.

ak = (k!)²·5ᵏ/(2k)!
L =
4.Diziler ve serilerZor

f(x) = eˣ, x = −0,5 noktasında 5. dereceden Maclaurin polinomuyla yaklaşıklanıyor. Mümkün olan en büyük hatayı, |R₅|, bulmak için M = 1 ile Lagrange hata sınırını M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! kullanın.

f(x) = eˣn = 5x = −0,5M = 1
|R₅| =
5.Matrisler ve determinantlarOrta
A =−33−3535−412

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

A = [−3 3 −3; 5 3 5; −4 1 2]
det A =
6.Matrisler ve determinantlarZor
A =−2614b =81

−2x + 6y = 8 ve x + 4y = 1 sistemini çözün. x'yi bulun.

−2x + 6y = 8x + 4y = 1
x =
7.Diferansiyel denklemlerOrta
tyy(0) = 2y(1) = ?

y″ + 7y′ + 10y = 0 denklemini y(0) = 2 ve y′(0) = -4 ile çözün. y(1) değerini bulun.

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(1) =
8.Diferansiyel denklemlerZor
ty1,5y(1,5) = ?

y(0) = 0 koşuluyla y′ + 0,5y = 4e−t denklemini çözün. y(1,5) değerini bulun.

y′ + 0,5y = 4e−ty(0) = 0
y(1.5) =

3Çözeltiler

1.Sayısal yöntemler

Cevap: S = 1,097

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)ağırlık001110,50,8888894210,5231,50,2285714420,1111111

Düğümler ve değerler

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,888889 + 2·0,5 + 4·0,228571 + 0,111111 = 6,580952

Simpson kuralı

S = (0,5/3)·6,580952 = 1,097

Cevap

S = 1,097

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

2.Sayısal yöntemler

Cevap: y3 = 0,6169

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁0010−0,1224170,96939610,50,969396−0,0918131−0,3831870,850646210,850646−0,310343−0,6247370,616876

Heun adımları

y₁ = 1 + (0,5/2)(0 − 0,122417) = 0,969396
y₂ = 0,969396 + (0,5/2)(−0,0918131 − 0,383187) = 0,850646
y₃ = 0,850646 + (0,5/2)(−0,310343 − 0,624737) = 0,616876
00,511,50,60,81ty

Grafik

y3 = 0,6169

Cevap

y3 = 0,6169
3.Diziler ve seriler

Cevap: L = 1,25

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.

Ardışık terimlerin oranı

|ak+1/ak| = 5·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 5/4

Sonuç

L = 1,25 > 1

Cevap

L = 1,25

L > 1; bu yüzden seri ıraksar.

4.Diziler ve seriler

Cevap: |R₅| = 2,17 × 10⁻⁵

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 üzerindeki sınır

M = 1

Lagrange sınırı

|R₅| ≤ 1·0,5⁶/6! = 2,17 × 10⁻⁵

Cevap

|R₅| = 2,17 × 10⁻⁵

Gerçek hata daha küçüktür: |f(−0,5) − P₅(−0,5)| = 2,024 × 10⁻⁵.

5.Matrisler ve determinantlar

Cevap: det A = −144

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 = 1, M₁₂ = 30, M₁₃ = 17

Kofaktör açılımı

det A = (−3)·1 − 3·30 + (−3)·17 = −144

Cevap

det A = −144
6.Matrisler ve determinantlar

Cevap: x = −1,857

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.

Katsayılar matrisinin determinantı

det A = (−2)·4 − 6·1 = −14

x sütununu değiştirin

det Aₓ = 8·4 − 6·1 = 26
x = 26/(−14) = −1,857

Cevap

x = −1,857
y = 0,7143
7.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(1) = 0,2707

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 + 5) = 0 → r = −2, −5

Başlangıç değerlerinden sabitler

A + B = 2, −2A − 5B = -4
A = 2, B = 0

Hesaplayın

y(1) = 2·e−2 + 0·e−5 = 0,2707

Cevap

y(1) = 0,2707
8.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(1.5) = 1,994

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 4e−0,5t

Genel çözüm

y = 4/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −8·e−t + C·e−0,5t

Başlangıç koşulu

0 = −8 + C → C = 8

Hesaplayın

y(1,5) = −8·0,2231 + 8·0,4724 = 1,994

Cevap

y(1,5) = 1,994

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods