Sayısal yöntemler: adım adım çözümlü alıştırma soruları

Şekiller, ipuçları ve ayrıntılı çözümlerle ücretsiz Sayısal yöntemler alıştırma soruları. Her seferinde yeni değerler, üç seviyede: kökler ve enterpolasyon, yamuk ve Simpson kuralları, Euler, Heun ve Runge–Kutta.

Ücretsiz alıştırma sorusuKolay
xyx₀ = 0

f(x) = e−x − x fonksiyonuna x₀ = 0 başlangıç değeriyle Newton–Raphson yöntemini uygulayın. x2 değerini bulun.

f(x) = e−x − xf′(x) = −e−x − 1x₀ = 0
Sonraki soru →

Neler çalışırsınız

  1. Kolaykökler ve enterpolasyon
  2. Ortayamuk ve Simpson kuralları
  3. ZorEuler, Heun ve Runge–Kutta

Sayısal yöntemler soruları nasıl çözülür

  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.

Sık yapılan hatalar

  • Yarılama aralığının yanlış yarısını tutmak ya da adımları yanlış saymak.
  • Newton–Raphson’da x − f/f′ yerine x − f′/f yazmak.
  • Yamuk kuralında iç düğümlere 1 ağırlığı vermek ya da tek sayıda şeritle Simpson kullanmak.
  • İterasyonları çok erken yuvarlamak.
  • Son zamana ulaşmak için bir Euler adımını eksik ya da fazla atmak.

Temel formüller

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)

Sayısal yöntemler konusunu sıfırdan öğrenin

Bundan önce: Türevler, İntegraller, Diferansiyel denklemler

1Neden sayısal yöntemler ve yarılama

Birçok denklemin ve integralin cevabı için formül yoktur: x = cos x, ∫e−x²dx ya da çoğu diferansiyel denklem. Sayısal yöntemler cevabı, ihtiyaç duyduğunuz herhangi bir doğrulukla adım adım hesaplar.

Yarılama yöntemi, f’nin işaret değiştirdiği bir [a, b] aralığında f(x) = 0 denkleminin bir kökünü bulur. Orta noktayı, c = (a + b)/2, alın ve işaretin hâlâ değiştiği yarıyı tutun.

Örnek: [1, 2] üzerinde f(x) = x² − 2. c₁ = 1,5 için f = 0,25 > 0; bu yüzden [1; 1,5] tutulur. c₂ = 1,25 için f = −0,4375 < 0; bu yüzden [1,25; 1,5] tutulur. Sonra c₃ = 1,375.

Her adım aralığı ikiye böler; bu yüzden n adımdan sonra genişliği (b − a)/2ⁿ olur. Yarılama yavaştır ama bir işaret değişimi bulduktan sonra her zaman işe yarar.

Kendini sına Yarılama 1 uzunluğundaki bir aralıkta başlıyor. 10 adımdan sonra aralık ne kadar geniştir?
  1. 1/100
  2. 1/1024
  3. 1/10
  4. 1/20

Cevap: 1/1024. Her adım onu ikiye böler: 1/2¹⁰ = 1/1024 ≈ 0,001. 10’a ya da 20’ye bölmek ikiye bölmeyi toplamsal imiş gibi ele almaktır.

2Newton–Raphson

Newton–Raphson teğet doğruyu x eksenine kadar izler ve bu kesişimi bir sonraki tahmin olarak kullanır:

xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
xx₀ = 2x₁ = 1,5√2f(x) = x² − 2

f′(x) = 2x ve x₀ = 2 ile f(x) = x² − 2 için: x₁ = 2 − 2/4 = 1,5, x₂ = 1,5 − 0,25/3 = 1,416667, x₃ = 1,414216. Kök √2 = 1,414214’tür.

Köke yakınken Newton her adımda doğru basamak sayısını kabaca ikiye katlar. f′(xₙ) 0’a yakınken ya da başlangıç kökten uzakken başarısız olabilir.

Her iterasyonda en az altı basamak tutun; erken yuvarlamak yöntemin iyileşmesini durdurur.

Kendini sına x₀ = 2’den f(x) = x² − 5 için bir Newton adımı şunu verir…
  1. 1,75
  2. 2,25
  3. 2,2
  4. 2,5

Cevap: 2,25. f(2) = −1 ve f′(2) = 4; dolayısıyla x₁ = 2 − (−1)/4 = 2,25. −1/4’ü çıkarmak yerine eklemek 1,75 verir.

3Doğrusal enterpolasyon

Tablolar değerleri yalnızca belirli noktalarda verir. Doğrusal enterpolasyon iki komşu tablo noktası arasına bir doğru çizer:

y = y₁ + (y₂ − y₁)·(x − x₁)/(x₂ − x₁)

Örnek: tablo f(1) = 2,0 ve f(2) = 2,6 verir. x = 1,4’te kesir 0,4’tür; dolayısıyla f(1,4) ≈ 2,0 + 0,6·0,4 = 2,24.

Ters enterpolasyon aynı şekilde tersinden çalışır: y = 2,3 olduğu yeri bulmak için kesir (2,3 − 2,0)/0,6 = 0,5’tir; dolayısıyla x ≈ 1,5.

4Yamuk kuralı ve Simpson kuralı

f’yi a’dan b’ye integrallemek için aralığı x₀, x₁, …, xₙ düğümleriyle h = (b − a)/n genişliğinde n şeride bölün.

Yamuk kuralı her şeritteki eğriyi bir doğruyla değiştirir. Her iç düğüm iki şeride ait olduğundan iki kez sayılır:

T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]
0,51y = x²x

Simpson kuralı her seferinde üç düğümden bir parabol geçirir. Çift bir n gerektirir:

S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]

n = 2 (h = 0,5) ile ∫01 x² dx = 1/3 için: T = 0,25·(0 + 0,5 + 1) = 0,375, S = (0,5/3)·(0 + 1 + 1) = 0,3333 ise kesindir.

Yamuk hatası h² gibi, Simpson hatası h⁴ gibi küçülür: h’yi yarıya indirmek Simpson’ı yaklaşık 16 kat daha doğru yapar.

Kendini sına Yamuk kuralı x₀, x₁, x₂, x₃ düğümlerine hangi ağırlıkları verir?
  1. 1, 1, 1, 1
  2. 1, 2, 2, 1
  3. 1, 4, 2, 1
  4. 1, 4, 4, 1

Cevap: 1, 2, 2, 1. İki uç nokta bir şeride, iç noktalar iki şeride aittir; yani h/2 çarpanıyla 1, 2, 2, 1. 4’ler Simpson kuralına aittir.

5Diferansiyel denklemler için Euler ve Heun

y(t₀) = y₀ olan y′ = f(t, y) için zamanda h adımıyla ileri gidin. Euler yöntemi her adımın başındaki eğimi kullanır:

yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)

Heun yöntemi (geliştirilmiş Euler) Euler ile tahmin eder, sonra iki uçtaki eğimlerin ortalamasını alır: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).

Euler’in hatası h ile, Heun’unki h² ile orantılıdır. Klasik Runge–Kutta yöntemi (RK4) dört eğim kullanır ve h⁴ doğruluğundadır.

Çözümlü örnek

y′ = y, y(0) = 1 denklemini Euler yöntemiyle h = 0,1 adımıyla t = 0,3’e kadar çözün ve tam çözüm eᵗ ile karşılaştırın.

1

1. adım

y₁ = 1 + 0,1·1 = 1,1
2

2. adım

y₂ = 1,1 + 0,1·1,1 = 1,21
3

3. adım

y₃ = 1,21 + 0,1·1,21 = 1,331
4

Karşılaştırın

Tam değer e0,3 = 1,349859’dur; yani genel hata 0,0189’dur. y₀’dan atılan tek bir Heun adımı, e0,1 = 1,105171’e karşılık 1 + 0,05·(1 + 1,1) = 1,105 verirdi.

Cevap

Euler ile y(0,3) ≈ 1,331; 0,019’luk hata kabaca h ile orantılı olarak küçülür.

6Sık yapılan hatalar ve sınav soruları

  • İlk yarılama orta noktasını 0. adım saymak ya da aralığın yanlış yarısını tutmak.
  • Newton yönteminde x − f/f′ yerine x − f′/f yazmak.
  • İç düğümlerdeki 2 çarpanını unutmak ya da yamuk kuralında h/2 yerine h kullanmak.
  • Simpson kuralını tek sayıda şeritle kullanmak.
  • Euler yönteminde adımın sonundaki eğimi kullanmak ya da bir adım eksik atmak.

Kolay: yarılama, Newton iterasyonları ve bir tabloda enterpolasyon. Orta: yamuk ve Simpson kuralları, hataları ve gereken şerit sayısı. Zor: diferansiyel denklemler için Euler, Heun ve Runge–Kutta adımları.

Kendini sına y′ = 2y, y(0) = 1. h = 0,2 ile tek bir Euler adımı ne verir?
  1. 1,2
  2. 1,49
  3. 1,4
  4. 2,4

Cevap: 1,4. y₁ = 1 + 0,2·(2·1) = 1,4. Eğimdeki 2 çarpanını unutmak 1,2 verir; 1,49 ise tam değer e0,4’tür.

Uygulamada adım adım öğreninUygulamada adım adım öğrenin

Çözümlü örnekler

Örnek 1Kolay

Yarılama yöntemi 4 uzunluğundaki bir aralıkla başlar. Her adım aralığı ikiye böler. Aralık 0,0001 değerinden kısa olmadan önce en az kaç adım, n, gerekir?

b − a = 4ε = 0,0001

İstenen: n

İpuçlarını göster
  1. n adımdan sonra aralığın uzunluğu (b − a)/2ⁿ’dir.
  2. 4/2ⁿ < 0,0001 eşitsizliğini çözün; yani 2ⁿ > 40000.
  3. n > log₂(40000) = 15,29
Cevabı ve adım adım çözümü göster

Kök bulma ve enterpolasyon: yarılama yöntemi f’nin işaret değiştirdiği bir [a, b] aralığını tutar; her adımda orta nokta c = (a + b)/2 alınır ve işaretin hâlâ değiştiği yarısı korunur; böylece n adımdan sonra aralığın genişliği (b − a)/2ⁿ olur. Newton–Raphson teğet doğruyu eksene kadar izler: xn+1 = xn − f(xn)/f′(xn); basit bir kökün yakınında her adımda doğru basamak sayısını kabaca ikiye katlar. İki tablo noktası arasında doğrusal enterpolasyon: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁).

Koşul

4/2ⁿ < 0,0001 → 2ⁿ > 40000

Logaritma

n > ln(40000)/ln 2 = 15,29
n = 16

Kontrol

2¹⁵ = 32768 < 40000 < 2¹⁶ = 65536

Cevap

n = 16
Örnek 2Orta
xy00,511,5

∫01,5 √(1 + x³) dx integralini n = 3 şeritli yamuk kuralıyla yaklaşık olarak hesaplayın. T değerini verin.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3

İstenen: T

İpuçlarını göster
  1. h = (1,5 − 0)/3 = 0,5; düğümler 0, 0,5, 1, 1,5’tür.
  2. Ağırlıklar: 1, 2, 2, …, 2, 1; T = (h/2)·Σ wᵢfᵢ.
  3. Ağırlıklı toplam Σ wᵢfᵢ = 8,041398’dır.
Cevabı ve adım adım çözümü göster

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)ağırlık001110,51,060662211,414214231,52,091651

Düğümler ve değerler

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,06066 + 2·1,414214 + 2,09165 = 8,041398

Yamuk kuralı

T = (0,5/2)·8,041398 = 2,01

Cevap

T = 2,01

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

Örnek 3Zor
00,10,20,30,40,40,60,81ty(0, 0,5)

y2 ≈ y(0,4) değerini tahmin etmek için y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 üzerinde h = 0,2 ile Heun yöntemini (geliştirilmiş Euler) kullanın.

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2

İstenen: y2

İpuçlarını göster
  1. Her adım: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).
  2. 1. adım: k₁ = 1, k₂ = 1,139543, y₁ = 0,713954.
  3. t = 0,4 değerine ulaşmak için 2 adım gerekir.
Cevabı ve adım adım çözümü göster

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₊₁000,511,1395430,71395410,20,7139541,1423061,3681010,964995

Heun adımları

y₁ = 0,5 + (0,2/2)(1 + 1,139543) = 0,713954
y₂ = 0,713954 + (0,2/2)(1,142306 + 1,368101) = 0,964995
00,10,20,30,40,40,60,81ty

Grafik

y2 = 0,965

Cevap

y2 = 0,965

Sorular ve cevaplar

Sayısal yöntemler nedir?

Birçok denklemin ve integralin cevabı için formül yoktur: x = cos x, ∫e−x²dx ya da çoğu diferansiyel denklem. Sayısal yöntemler cevabı, ihtiyaç duyduğunuz herhangi bir doğrulukla adım adım hesaplar.

Örnek: [1, 2] üzerinde f(x) = x² − 2. c₁ = 1,5 için f = 0,25 > 0; bu yüzden [1; 1,5] tutulur. c₂ = 1,25 için f = −0,4375 < 0; bu yüzden [1,25; 1,5] tutulur. Sonra c₃ = 1,375.

Sayısal yöntemler soruları adım adım nasıl çözülür?
  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.
Sayısal yöntemler konusunda en sık yapılan hatalar nelerdir?
  • Yarılama aralığının yanlış yarısını tutmak ya da adımları yanlış saymak.
  • Newton–Raphson’da x − f/f′ yerine x − f′/f yazmak.
  • Yamuk kuralında iç düğümlere 1 ağırlığı vermek ya da tek sayıda şeritle Simpson kullanmak.
  • İterasyonları çok erken yuvarlamak.
  • Son zamana ulaşmak için bir Euler adımını eksik ya da fazla atmak.
Sayısal yöntemler alıştırmaları neleri kapsar?
  • Kolay: kökler ve enterpolasyon
  • Orta: yamuk ve Simpson kuralları
  • Zor: Euler, Heun ve Runge–Kutta

Her soruda yeni değerler olur; böylece bir cevabı değil, yöntemi öğrenirsiniz. Takıldınız mı? Önce küçük bir ipucu açın, tam açıklamayı ise yalnızca gerektiğinde.

Çalışma nasıl işler

  • Her soruda yeni değerler olur; böylece bir cevabı değil, yöntemi öğrenirsiniz.
  • Takıldınız mı? Önce küçük bir ipucu açın, tam açıklamayı ise yalnızca gerektiğinde.
  • İlerlemeniz, hatalarınız ve kaydettiğiniz sorular saklanır; böylece sınavdan önce gözden geçirebilirsiniz.

Bu konudan önceki ve sonraki konular

Önce öğrenin

Bu konuyu içeren dersler

Matematik ve istatistik alanında diğer konular

Yazdırılabilir çalışma kâğıdı