99 EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3- Yıl: 99-6 İKİNCİ MERTEBEDEN BİR DİFERENSİYEL DENKLEM SINIFI İÇİN BAŞLANGIÇ DEĞER PROBLEMİNİN DİFERENSİYEL DÖNÜŞÜM YÖNTEMİ İLE TAM ÇÖZÜMLERİ THE EXACT SOLUTIONS OF THE INITIAL VALUE PROBLEM FOR A CLASS OF SECOND-ORDER DIFFERENTIAL EQUATIONS VIA DIFFERENTIAL TRANSFORM METHOD Vedat Suat ERTÜRK Ondouz Mayıs Üniversitesi, Fen-Edebiyat Faültesi, Matemati Bölümü, 5539, Samsun ÖZET Geliş Tarihi: 8 Eim Kabul Tarihi: 9 Kasım Bu çalışmada iinci mertebeden bir lineer adi diferensiyel denlem sınıfı için başlangıç değer probleminin diferensiyel dönüşüm yöntemi olara bilinen nispeten yeni bir seri çözüm yöntemi ile çözümlerinin bulunması ele alındı.yöntem matematisel fiziğin üç farlı denlemine uygulandı ve tam çözümler elde edildi. Anahtar elimeler: Diferensiyel dönüşüm, Taylor serisi, Analiti çözüm, Başlangıç değer problemi ABSTRACT In this paper, the solutions of the initial value problem for a class of second-order differential equations are obtained via a recently new series solution method, the so-called differential transform method. The method is applied to three different problems of Mathematical Physics.The eact solutions are obtained. Keywords: Differential transform, Taylor series, Analytical solution, Initial value problem. GİRİŞ Bilim ve mühendisli alanında arşılaşılan bir ço fizisel problem iinci mertebeden adi diferensiyel denlemlere ilişin başlangıç değer problemi olara arşımıza çıar (Davis, 96; Groswald, 978). Son yıllarda bu tür başlangıç değer problemlerinin çözümleri ile ilgili olara bazı çalışmalarda özel iinci mertebeden Sorumlu yazar: vsertur@yahoo.com
Başlangıç Değer Probleminin Diferensiyel Dönüşüm Yöntemiyle adi diferensiyel denlemlerin bir ço çözümleri elde edilmiştir (Hosseini and Nasabzadeh, 7; Wazwaz, 9). d d Bu çalışmada dy dy p( + q( + r( y = f (, > d d y ) = α, y'( ) = β () ( başlangıç değer problemi göz önüne alınacatır (Bougoffa, 9). Burada, p C ([, L]) q (, r( ve f ( süreli fonsiyonlar ve ( bu fonsiyonların süreli olduğu aralıdai bütün değerleri için p( dır. Diferensiyel dönüşüm metodu sırasıyla Lane-Emden tip başlangıç-değer problemlerine ve. mertebeden sınır-değer problemlerine uygulandı (Ertür, 7; Ertür and Momani, 7). Bu çalışmada ()-() probleminin ortaya çıardığı diğer bir tip denlem sınıfı ve bu sınıfa ait bilim ve mühendislite önemli yer teşil eden Hipergeometri Denlem, Euler Denlemi ve Legendre Denlemlerinin bazı tam çözümleri alternatif bir yöntem olara diferensiyel dönüşüm yöntemi ullanılara elde edildi. Diferensiyel dönüşüm yöntemi il defa eletri devre analizinde arşılaşılan lineer ve lineer olmayan başlangıç değer problemlerini çözme için ullanıldı (Puhov, 978; Zhou, 986). Bu yöntem polinom formda çözümler sunar ve Taylor seri yönteminde olduğu gibi türevlerin semboli olara hesaplanmasını içermez. Bilindiği gibi mertebe büyüdüçe Taylor seri yönteminde veri fonsiyonuna bağlı olara türev alma işlemi hesaplama açısından olduça işlem fazlalığı ortaya çıarır.oysa diferensiyel dönüşüm yöntemi sadece uvvet serisindei atsayıların ardışı olara hesaplanmasını içerir. Bu yöntem ile başlangıç ve sınır değer problemlerinin yüse esinlite yalaşı veya tam çözümlerini bulma mümündür. () EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3-Yıl: 99-6
. MATERYAL VE METOT.. Diferensiyel Dönüşüm: Ertür f ( bir D bölgesinde analiti bir fonsiyon ve D olsun. T diferensiyel dönüşüm işlemini gösterme üzere f ( fonsiyonunun diferensiyel dönüşümü F(), d f ( F( ) = T[ f ( ] =! d (3) şelinde tanımlanır... Ters diferensiyel dönüşüm: = F () fonsiyonunun ters diferensiyel dönüşümü ise f ( = T [ F( )] = F( )( ) (4) = şelinde tanımlanır. (3), (4) de yerine onursa d f ( N f ( = + =! d.( ) = R N (5) yazılabilir. Burada R N, R N N + d f ( = N + d = ξ N + ( ). ( N + )! (6) ile tanımlı olup, N, f( in Taylor seri açılımında göz önüne alınaca terim sayısı ve < ξ < dır. Diferensiyel dönüşümün bazı özellileri Tablo de verilmiştir. EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3- Yıl: 99-6
Başlangıç Değer Probleminin Diferensiyel Dönüşüm Yöntemiyle Tablo. Diferensiyel dönüşümün bazı özellileri Esas fonsiyon Dönüşmüş fonsiyon f ( = u( ± v( F ( ) = U ( ) + V ( ) f ( = α u( F( ) = αu ( ) f ( = u( v( F( ) = U ( l) V ( l) l = m d u( f ( = F ( ) = ( + )( + ) K ( + m) U ( + m) m d m ( F( ) ( n) f = 3. BULGULAR, = δ, δ ( n) =, = n n Örne. Dejenere Hipergeometri Denlem(Bougoffa, 9) İl olara d y b dy + + y =, > d d y( ) =, y'() = (8) b başlangıç değer problemini ele alalım. (7) eşitliği ile çarpılırsa d y dy + ( b + y = (9) d d bulunur. Diferensiyel dönüşümün Tablo de verilen özellileri ullanılara (9) eşitliğinin diferensiyel dönüşümü alınırsa δ ( l( l + )( l + ) Y( l + ) + [ bδ ( l) δ( l]( l + ) Y( l + ) + Y( ) = () (7) EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3-Yıl: 99-6
Ertür 3 [ δ ( l( l + )( l + ) Y( l + ) + [ bδ ( l) δ( l]( l + ) Y( l + )] + Y( ) = () olacağından ( Y( ) Y( + ) = () ( + )( + b) terar bağıntısı elde edilir. (3) eşitliği ullanılara (8) başlangıç şartlarının dönüşümü Y ( ) =, Y () = (3) b olara bulunur. () eşitliğinde = alınırsa Y ( ) = bulunur. Yine () eşitliğinde = alınırsa Y ( ) = olduğundan Y ( 3) = bulunur. Aynı işlem taip edilirse için Y ( ) = olduğu görülür. Şu halde (4) eşitliğinden y( = (4) b b y( = (5) b elde edilir. Bougoffa(9) da elde edilen çözüm (5) ile aynıdır. Örne. Euler Denlemi (Bougoffa, 9) İinci olara d y dy + y = 3, > (6) d d y ( ) =, y'() = (7) başlangıç değer problemini göz önüne alalım.(6) eşitliğinin diferensiyel dönüşümü alınırsa EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3- Yıl: 99-6
4 Başlangıç Değer Probleminin Diferensiyel Dönüşüm Yöntemiyle l + )( l + ) Y( l + ) + l l + ) Y( l + ) Y( ) = 3 l (8) l + )( l + ) Y( l + ) + l + ) Y( l + ) Y( ) = 3 (9) l l olacağından 3 Y( + )( + )( + ) ( ( + ) Y ( ) ( + ) = Y () ( + )( + ) bulunur. (3) eşitliği ulllanılırsa (7) şartlarının dönüşümü Y ( ) =, Y() = () şelinde olur. () eşitliğinde = alınırsa Y ( ) = bulunur. Yine () eşitliğinde = alınırsa Y ( 3) = bulunur. Aynı işlem taip edilirse 3 için Y( ) = olduğu görülür. Şu halde (4) eşitliğinden y ( = + ( + ( () y ( = (3) elde edilir. Bougoffa(9) da elde edilen çözüm (3) ile aynıdır. Örne 3. Legendre Denlemi (Bougoffa, 9) Son olara d y d dy + d y =, > (4) y ( =, y'( = (5) başlangıç değer problemini ele alalım. (4) eşitliği ile çarpılırsa EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3-Yıl: 99-6
Ertür 5 d y dy ) + y = (6) d d ( bulunur. (6) eşitliğinin diferensiyel dönüşümü alınırsa l ( + )( + ) Y( + ) ( l + )( l + ) Y( l + ) l (7) l ( l + ) Y( l + ) + Y ( ) = l ( + )( + ) Y( + ) l ( l + )( l + ) Y( l + ) l l + Y ( ) = olacağından ( ( + ) Y ( ) + ( ) Y + = ( + ) l ( l + ) Y( l + ) (8) (9) bulunur. (3) eşitliği ulllanılırsa (5) şartlarının dönüşümü Y ( ) =, Y() = (3) şelinde olur. (9) eşitliğinde = alınırsa Y ( ) = bulunur. Yine (9) eşitliğinde = alınırsa Y ( 3) = bulunur. Aynı işlem taip edilirse için Y( ) = olduğu görülür. Şu halde (4) eşitliğinden y ( = ( + ) (3) y( = (3) elde edilir. Bougoffa(9) da elde edilen çözüm (3) ile aynıdır. EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3- Yıl: 99-6
6 Başlangıç Değer Probleminin Diferensiyel Dönüşüm Yöntemiyle 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Diferensiyel dönüşüm yöntemi ile iinci mertebeden bir adi diferensiyel denlem sınıfı için bazı tam çözümler başarılı bir şeilde elde edildi. Yöntemin bu türden problemlerin çözümü için uvvetli bir yöntem olduğu söylenebilir. KAYNAKLAR Bougoffa, L. (9). On the eact solutions for initial value problems of second-order differential equations, Applied Mathematics Letters, (8), 48-5. Davis, H.T. (96). Introduction to Nonlinear Differential and Integral Equations, Dover Publications, New Yor. Ertür, V.S. (7). Differential transformation method for solving differential equations of Lane-Emden type, Mathematical and Computational Applications, (3), 35-39. Ertür, V.S., Momani, S. (7). A reliable algorithm for solving tenth-order boundary value problems, Numerical Algorithms, 44(), 47-58. Groswald, E. (978). Bessel Polynomials, Springer, Berlin. Hosseini, M.M., Nasabzadeh, H. (7). Modified Adomian decomposition method for specific second order ordinary differential equations, Applied Mathematics and Computation, 86(),7-3. Puhov, G.E.(978). Computational structure for solving differential equations by Taylor transformations, Cybernetics and Systems Analysis, 4(3), 383-39. Wazwaz, A.M. (9)The variational iteration method for analytic treatment for linear and nonlinear ODEs, Applied Mathematics and Computation, (), -34. Zhou, J.K. (986). Differential Transformation and its Applications for Electrical Circuits, Huazhong University Press, Wuhan, China. EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt-Sayı: 3-Yıl: 99-6