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
xy00,33330,666711,3331,6672

∫02 sin(x²) dx integralini n = 6 şeritli Simpson kuralıyla yaklaşık olarak hesaplayın. S değerini verin.

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
2.Sayısal yöntemlerZor
00,5112ty(0, 0,5)

y′ = 1,5y, y(0) = 0,5 denklemini Euler yöntemiyle h = 0,25 adımıyla t = 1 değerine kadar çözün. Tam çözüm y = y₀e1,5t’dür. Genel hatayı, |E| = |y(1) − y4|, bulun.

y′ = 1,5yy(0) = 0,5h = 0,25
|E| =
3.Diziler ve serilerOrta
AΣ 1/√kk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞DΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞

Dört serinin tam biri ıraksar. Ona tıklayın.

A: Σ 1/√kB: Σ (−1)ᵏ/√kC: Σ 1/(k(k + 1))D: Σ (3/5)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/√k
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/√k
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 1))
  4. 4D: Σ (3/5)ᵏ
4.Diziler ve serilerZor
xyfP₅2,5

f(x) = sin x fonksiyonunun 5. dereceden Maclaurin polinomunu kullanarak f(2,5) değerini yaklaşık olarak bulun. P₅(2,5) değerini verin.

f(x) = sin xn = 5x = 2,5
P₅(2.5) =
5.Matrisler ve determinantlarOrta
A =−3136B =−124−2

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

A = [−3 1; 3 6]B = [−1 2; 4 −2]
c22 =
6.Matrisler ve determinantlarZor
A =4−2−46b =−3−1

4x − 2y = −3 ve −4x + 6y = −1 sistemini çözün. x'yi bulun.

4x − 2y = −3−4x + 6y = −1
x =
7.Diferansiyel denklemlerOrta
tyy(0) = 4y(2) = ?

y″ + 8y′ + 15y = 0 denklemini y(0) = 4 ve y′(0) = -2 ile çözün. y(2) değerini bulun.

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = -2
y(2) =
8.Diferansiyel denklemlerZor
tyy(0) = 2y(1,5) = ?

y″ + 4y′ + 13y = 0 denklemini y(0) = 2 ve y′(0) = 0 ile (durgun halden bırakılarak) çözün. y(1,5) değerini bulun; açılar radyan cinsinden.

y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =

3Çözeltiler

1.Sayısal yöntemler

Cevap: S = 0,8104

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)ağırlık000110,3333330,110883420,6666670,4299562310,841471441,3333330,978656251,6666670,355842462−0,7568021

Düğümler ve değerler

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,110883 + 2·0,429956 + 4·0,841471 + 2·0,978656 + 4·0,355842 − 0,756802 = 7,293204

Simpson kuralı

S = (0,3333/3)·7,293204 = 0,8104

Cevap

S = 0,8104

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

2.Sayısal yöntemler

Cevap: |E| = 0,4536

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₊₁000,50,750,687510,250,68751,031250,94531320,50,9453131,4179691,29980530,751,2998051,9497071,787231

Euler adımları

y4 = 1,787231

Tam değer

y(1) = 2,240845

Genel hata

|E| = |2,240845 − 1,787231| = 0,4536
00,5112ty

Grafik

Cevap

|E| = 0,4536

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

3.Diziler ve seriler

Cevap: A: Σ 1/√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 → p = 1/2 ≤ 1 olan p-serisi: ıraksar.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Değişen işaretli, 1/√k 0’a azalıyor: (koşullu olarak) yakınsar.
C: Σ 1/(k(k + 1)) → 1/k²’den küçüktür: karşılaştırmayla yakınsar.
D: Σ (3/5)ᵏ → r = 3/5 olan geometrik seri, |r| < 1: yakınsar.

Cevap

A: Σ 1/√k

Cevap

A: Σ 1/√k
4.Diziler ve seriler

Cevap: P₅(2.5) = 0,7096

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

P₅(x) = x − 0,1667x³ + 0,008333x⁵

Yerine koyun

P₅(2,5) = 2,5 − 2,604167 + 0,813802 = 0,7096

Cevap

P₅(2,5) = 0,7096

Tam değer f(2,5) = 0,598472’dir; daha fazla terim aldığınızda ya da 0’a daha yakın bir nokta seçtiğinizde hata, −0,111163, küçülür.

5.Matrisler ve determinantlar

Cevap: c22 = −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.

Satır çarpı sütun

c22 = 3·2 + 6·(−2) = −6

Cevap

c22 = −6
6.Matrisler ve determinantlar

Cevap: x = −1,25

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 = 4·6 − (−2)·(−4) = 16

x sütununu değiştirin

det Aₓ = (−3)·6 − (−2)·(−1) = −20
x = −20/16 = −1,25

Cevap

x = −1,25
y = −1
7.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(2) = 0,02208

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 + 5) = 0 → r = −3, −5

Başlangıç değerlerinden sabitler

A + B = 4, −3A − 5B = -2
A = 9, B = −5

Hesaplayın

y(2) = 9·e−6 + (−5)·e−10 = 0,02208

Cevap

y(2) = 0,02208
8.Diferansiyel denklemler

Cevap: y(1.5) = −0,08588

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.

Karmaşık kökler

r = −2 ± 3j

Sabitler

A = 2, B = 2·2/3 = 1,333

Hesaplayın

y(1,5) = e−3(2·cos 4,5 + 1,333·sin 4,5) = −0,08588

Cevap

y(1,5) = −0,08588

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods