Doç. Dr. Metin Özdemir Çukurova Üniversitesi

Benzer belgeler
HATA VE HATA KAYNAKLARI...

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

SAYISAL ÇÖZÜMLEME Yrd. Doç. Dr. Adnan SONDAŞ Sayısal Çözümleme

Mühendislikte Sayısal Çözüm Yöntemleri NÜMERİK ANALİZ. Prof. Dr. İbrahim UZUN

adım takip etmesi durumunda en iyi verim elde edilmiş olacaktır. Pratik uygulamaları daha sonra yapmak isteyenler veya bu durumun daha uygun

SAYISAL ANALİZ. Doç. Dr. Cüneyt BAYILMIŞ. Sayısal Analiz. Doç.Dr. Cüneyt BAYILMIŞ

1. Hafta SAYISAL ANALİZE GİRİŞ

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

FEN BİLİMLERİ BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ DEKANLIĞI DERS/MODÜL/BLOK TANITIM FORMU. Dersin Kodu: MMM 2014

Sayısal Analiz (MATH381) Ders Detayları

İleri Diferansiyel Denklemler

Mesleki Terminoloji. Sayısal Analiz DERSİ VEREN: ARŞ. GRV. DR. GÖKSEL BİRİCİK MEHMET EMRE ÖNDER DOĞAÇ CEM İŞOĞLU

4. HAFTA BLM323 SAYISAL ANALİZ. Okt. Yasin ORTAKCI.

Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. BÖLÜM 7. Adi Diferansiyel Denklemlerin Sayısal Çözümü

Diferansiyel Denklemler (MATH 276) Ders Detayları

Diferansiyel Denklemler (MATH 276) Ders Detayları

Ders Adı Kodu Yarıyılı T+U Saati Ulusal Kredisi AKTS

2) Lineer olmayan denklem çözümlerini bilir 1,2,4 1

İÇİNDEKİLER. Bölüm 1 MATEMATİKSEL İKTİSADA GİRİŞ İktisat Hakkında İktisatta Grafik ve Matematik Kullanımı 13

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ SİVİL HAVACILIK ANABİLİM DALI YENİ DERS ÖNERİSİ/ DERS GÜNCELLEME

Sembolik Programlama1. Gün. Sembolik Programlama. 20 Eylül 2011

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Sayısal Yöntemler (MFGE 301) Ders Detayları

Örnek 4: Örnek Özyinelemeli fonksiyon örneği Bölüm 9. C++ programlama dilinde Nesne ve sınıf

Okut. Yüksel YURTAY. İletişim : (264) Sayısal Analiz. Giriş.

İÇİNDEKİLER. iii ÖNSÖZ BÖLÜM 1 TEMEL KAVRAMLAR 1 BÖLÜM 2 LİNEER KISMİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER 9

Elektrik ve Elektronik Mühendisliğinde Sayısal Yöntemler (EE 506) Ders Detayları

ÇEV 2006 Mühendislik Matematiği (Sayısal Analiz) DEÜ Çevre Mühendisliği Bölümü Doç.Dr. Alper ELÇĐ

Diferansiyel Denklemler (MATH 276) Ders Detayları

MATLAB DA SAYISAL ANALİZ DOÇ. DR. ERSAN KABALCI

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Adi Diferansiyel Denklemler (MATH 262) Ders Detayları

İleri Diferansiyel Denklemler

Şekilde görülen integralin hesaplanmasında, fonksiyonun her verilen bir noktası için kümülatif alan hesabı yapılır.

MEB YÖK MESLEK YÜKSEKOKULLARI PROGRAM GELİŞTİRME PROJESİ. 1. Matematik ile ilgili temel kavramları açıklayabilme.

Önsöz. İçindekiler Algoritma Algoritma Nasıl Hazırlanır? Yazılımda Algoritma Mantığı Nedir? 1.2. Algoritma Örnekleri ve Sorular

Adi Diferansiyel Denklemler için Sayısal Yöntemler (MATH482) Ders Detayları

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ Bölüm 1 SAYILAR 11 Bölüm 2 KÜMELER 31 Bölüm 3 FONKSİYONLAR

Ders Adı Kodu Yarıyılı T+U Saati Ulusal Kredisi AKTS. Diferansiyel Denklemler EEE

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Sayısal Çözümleme

İÇİNDEKİLER KISIM 1: BİRİNCİ MERTEBE ADİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER

Algoritmalar ve Programlama. DERS - 4 Yrd. Doç. Dr. Ahmet SERBES

FEN FAKÜLTESİ MATEMATİK BÖLÜMÜ YAZ OKULU DERS İÇERİGİ. Bölümü Dersin Kodu ve Adı T P K AKTS

... ROBOTİK VE KODLAMA EĞİTİMİ ÇERÇEVESİNDE ÖĞRETİM YILI BİLİŞİM TEKNOLOJİLERİ DERSİ ÜNİTELENDİRİLMİŞ YILLIK DERS PLANI

DERS TANITIM BİLGİLERİ. Diferansiyel Denklemler TE / Bahar (3+0+0) 3 6 Dersin Dili : Türkçe Dersin Seviyesi : Lisans zorunlu Dersin Önkoşulu

Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü İNŞ-201 Nümerik Analiz Dersi Final Sınavı

GÜZ DÖNEMİ ARASINAV SORULARI. 1. Sayısal çözümleme ve fonksiyonu tanımlayarak kullanıldığı alanları kısaca açıklayınız?

Programlama Dilleri 1. Ders 3: Rastgele sayı üretimi ve uygulamaları

EŞİTLİK KISITLI TÜREVLİ YÖNTEMLER

Sayısal Yöntemler (COMPE 350) Ders Detayları

KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ EĞİTİM ÖĞRETİM YILI FEN-EDEBİYAT FAKÜLTESİ MATEMATİK BÖLÜMÜ BİRİNCİ VE İKİNCİ ÖĞRETİM DERSLERİ

İleri Diferansiyel Denklemler

Kuantum Fiziği (PHYS 201) Ders Detayları

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

AVRASYA UNIVERSITY. Dersin Verildiği Düzey Ön Lisans (X ) Lisans ( ) Yüksek Lisans( ) Doktora( )

Ders Adı Kodu Yarıyılı T+U Saati Ulusal Kredisi AKTS. Temel Matematik 1 TEM

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MÜDÜRLÜĞÜ DERS/MODÜL/BLOK TANITIM FORMU. Dersin Kodu: MAT 5002

Çoktan Seçmeli Değerlendirme Soruları Akış Şemaları İle Algoritma Geliştirme Örnekleri Giriş 39 1.Gündelik Hayattan Algoritma Örnekleri 39 2.Say

Kaynaklar Shepley L. Ross, Differential Equations (3rd Edition), 1984.

Sayılar Kuramına Giriş (MATH325) Ders Detayları

Kimya Mühendisliğinde Uygulamalı Matematik

DERS BİLGİ FORMU. Zorunlu Ders X. Haftalık Ders Saati Okul Eğitimi Süresi

CEV1132 / MTM2112 SAYISAL ANALİZ BAHAR YARIYILI DERS PLANI

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

Matematik I: Analiz und Lineer Cebir I Sömestr Ders Saati D 2 U 2 L 1 AKTS 6 Lisans/ Yüksek Lisans Lisans Dersin Kodu MAT 106 Sömestr 2

Ders Adı Kodu Yarıyılı T+U Saati Ulusal Kredisi AKTS

Son yıllarda bilgisayar teknolojisinin ilerlemesiyle ön plana çıktı.

C PROGRAMLAMA YRD.DOÇ.DR. BUKET DOĞAN PROGRAM - ALGORİTMA AKIŞ ŞEMASI

MATEMATİK ÖĞRETMENLİK ALAN BİLGİSİ - DENEME SINAVI DENEME. Diğer sayfaya geçiniz.

2 1 fonksiyonu veriliyor. olacak şekilde ortalama değer teoremini sağlayacak bir c sayısının var olup olmadığını araştırınız. Eğer var ise bulunuz.

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

İleri Diferansiyel Denklemler

Sinyaller ve Sistemler (EE 303) Ders Detayları

Prof. Dr. Mahmut Koçak.

İleri Diferansiyel Denklemler

BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

diff Türev Alma Fonksiyonu. >> syms x >> A=3*x^4+x^2-3*x A = 3*x^4+x^2-3*x. >> diff(a) // A fonksiyonunun türevini alır. ans = 12*x^3+2*x-3

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MÜDÜRLÜĞÜ DERS/MODÜL/BLOK TANITIM FORMU. Dersin Kodu: MAT 5001

C Programlama Dili (MCS116) Ders Detayları

Öğrenim Kazanımları Bu programı başarı ile tamamlayan öğrenci;

MATLAB a GİRİŞ. Doç. Dr. Mehmet İTİK. Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

MONTE CARLO BENZETİMİ

Adi Diferansiyel Denklemler Teorisine Giriş (MATH360) Ders Detayları

Matematiksel Finansın Hesaplama Yöntemleri (MATH 417) Ders Detayları

Bölüm 1: Lagrange Kuramı... 1

Elemanter fonksiyonlarla yaklaşım ve hata

Fen - Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü

1 PROGRAMLAMAYA GİRİŞ

Mikroişlemciler (EE 208) Ders Detayları

Tek Değişkenli Optimizasyon OPTİMİZASYON. Gradient Tabanlı Yöntemler. Bisection (İkiye Bölme) Yöntemi

İleri Diferansiyel Denklemler

Bu dersi aşarı ile ta a laya öğre iler:

BEDEN EĞİTİMİ I: Haftalık ders 1 saattir (T-0 ) (U-l) (K-0).

Kısmi Diferansiyel Denklemler (MATH378) Ders Detayları

Ekonometri. Amaç: Bu derste öğrecilerin Matlap programının genel kullanımı öğretilmesi amaçlanmaktadır.

Süreç Modelleme, Dinamiği ve Kontrolü (CEAC 407) Ders Detayları

UYGULAMALI ELASTİSİTE TEORİSİ

Transkript:

FİZİKTE SAYISAL YÖNTEMLER Doç. Dr. Metin Özdemir Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü

2 ÖNSÖZ Bu ders notları Fizik Bölümünde zaman zaman seçmeli olarak vermekte olduǧum sayısal analiz dersinin hazırlanması sırasında ortaya çıkmıştır. Notlar eksiksiz olmaktan çok uzak olup sürekli bir deǧişim ve gelişme içerisindedir. Notların hazırlanmasındaki temel amaç konu ile ilgili hem daha düzenli bir kaynak yaratmak, hem de bu konuda varolan eksikliǧi gidermeye katkıda bulunmaktır. Bu ders notları sayısal analiz konusunda tamamen teorik bir çalışma olmadıǧı gibi tamamen sayısal bir el kitabıda deǧildir. Konular üniversite birinci ve ikinci sınıf standart matematik derslerini takip etmiş biri için kolaylıkla izlenebilecek durumdadır. Ayrıca bu notları kullanacak olanların FORTRAN programlama dili ile ilgili giriş düzeyinde yeterli bilgiye sahip oldukları, fortran programlarını yazıp derleyebilecekleri gerekli yazılımların bulunduǧu bir bilgisayara erişimlerinin bulunduǧu kabul edilmiştir. Programlar FORTRAN 77 dilinde yazılmıştır. Programların büyük kısmı belirli bir problemi çözmek veya işlevi yerine getirmek üzere yazılmıştır. Çalışır durumdaki bu programlar eksiksiz olarak öǧrenciye verilecektir. Öǧrenci bu programları varsa deǧişik parametreler, başlangıç şartları vs. için çalıştırarak aşinalık kazanacak, aynı zamanda programın/kullanılan yöntemin iyi/kötü taraflarını keşfetmiş olacaktır. Daha sonra benzeri problemleri çözmek üzere bu programlarda gerekli deǧişikliklerin yapılması istenecektir. Ele alınan konuların anlatımı ve bunların bilgisayarda pratik uygulaması beraberce yürütülecek şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle öǧrencinin notları adım adım takip etmesi durumunda en iyi verim elde edilmiş olacaktır. Pratik uygulamaları daha sonra yapmak isteyenler veya bu durumun daha uygun olduǧu durumlar için kullanılmak üzere her bölümün sonuna bir Labaratuvar Saati eklenmiştir. Burada o bölüme ait pratik olarak bilgisayar başında yapılması gereken her şey tekrar edilmiştir. Bu nedenle bölüm içinde anlatılan konular ile labaratuvar bölümünde istenenler bazen tamamen aynı olabilir. Bu, tekrara düşme pahasına olsa da yapılmıştır. Bu dersi daha önce almış olan ögrencilerin bu notların hazırlanmasına dolaylı veya dolaysız mutlaka katkıları olmuştur, onlara teşekkür ediyorum. Eylül 2004 Metin Özdemir Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü 01330 Adana metoz@cu.edu.tr

İÇİNDEKİLER 1 GİRİŞ 11 1.1 Giriş.................................. 11 1.2 Hassasiyet, Hata ve Kararlılık.................... 12 1.3 Hassasiyet Kaybı ve İşlem Önceliği................. 14 1.4 Örnek Programlar ve Öneriler.................... 15 1.4.1 Verilerin Ekrandan Okutulması............... 15 1.4.2 Boyutlu Değişkenler ve Döngüler.............. 17 1.4.3 Subroutine Alt Programı................. 18 1.4.4 Function Alt Programı.................. 20 1.4.5 Çıktıların Bir Dosyaya Yazdırılması............ 21 1.4.6 Verilerin Dosyadan Okutulması............... 22 1.4.7 Grafik Çizimi......................... 24 1.5 Labaratuvar Saatleri......................... 25 1.6 Labaratuvar Saati-I.......................... 26 1.7 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 26 2 LİNEER OLMAYAN DENKLEMLER (KÖK BULMA) 29 2.1 Giriş.................................. 29 2.2 Grafik Yöntemi............................ 29 2.3 Yarılama Metodu........................... 30 2.4 Kiriş Metodu............................. 32 2.5 Sekant Metodu............................ 33 2.6 Newton-Raphson Metodu...................... 34 2.7 Newton-Raphson Metodu ile İki Denklemin Çözülmesi...... 36 2.8 Müller Metodu: Sanal Kökler.................... 37 2.9 Sabit Nokta İterasyonları...................... 37 2.10 Newton-Raphson Metodunun Genelleştirilmesi............................ 37 2.11 Labaratuar Saati-II.......................... 37 2.12 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 39 3 ADİ DİFERANSİYEL DENKLEMLERİNİN ÇÖZÜMÜ 41 3.1 Giriş.................................. 41 3.2 Sayısal Türev Alma......................... 44 3.3 Euler Metodu............................. 45 3.3.1 Euler Metodu İçin Hata Tahmini.............. 47 3.3.2 Euler Metodunun Kararlılık Analizi............ 48 3.4 Euler-Richardson Metodu...................... 52 3.5 Runge-Kutta Metodu........................ 54 3.5.1 İki-Adımlı Ruge-Kutta Metodu............... 54

4 İÇİNDEKİLER 3.5.2 Dört Adımlı Runge-Kutta Metodu............. 55 3.6 Adım Uzunluǧu Kontrol Edilebilen Metotlar............ 57 3.6.1 Adım Uzunluǧu Kontrollü RK-Verner Metodu...... 58 3.7 Stif Problemler............................ 60 3.8 Sayısal Çözümler İçin Bazı Öneriler................. 62 3.8.1 Örnek: Radyal Elektrik Alanı Altında Hareket Eden Yüklü Bir Parçacık..................... 63 3.8.2 Proje: Elektrik ve Manyetik Alanları Altında Hareket Eden Klasik Elektronlar................... 65 3.9 Verlet Algoritması ve Moleküler Dinamik............. 67 3.9.1 Hızdan Baǧımsız Verlet Algoritması............ 67 3.9.2 Hıza Baǧımlı Verlet Algoritması.............. 67 3.10 Labaratuar Saati-III.a........................ 68 3.11 Labaratuar Saati-III.b........................ 72 3.12 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 75 4 RASGELE SAYILAR ve MONTE CARLO YÖNTEMLERİ 77 4.1 Rasgele Sayılar............................ 77 4.2 Rasgele Sayıların Üretilmesi..................... 78 4.3 Rasgele Sayıların Test Edilmesi................... 80 4.4 Monte Carlo Yöntemi ile İntegral Alma.............. 82 4.5 Metropolis Algoritması........................ 85 4.6 Bir Boyutlu Ising Modeli....................... 85 4.7 Labaratuar Saati-IV......................... 88 4.8 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 89 5 LİNEER DENKLEM SİSTEMLERİNİN ÇÖZÜMÜ 91 5.1 Giriş.................................. 91 5.2 Gauss Yoketme Metodu....................... 92 5.3 Pivot.................................. 95 5.4 LU Çarpanlarına Ayırma...................... 97 5.5 Labaratuar Saati V.......................... 100 5.6 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 102 6 SINIR ŞARTLI ADİ DİFERANSİYEL DENKLEMLER 105 6.1 Giriş.................................. 105 6.2 Sonlu Fark Yöntemleri........................ 106 6.2.1 Doǧrudan Çözüm....................... 106 6.2.2 Relaksasyon (İteratif) Yöntem............... 109 6.2.3 Özdeǧer-Özvektör problemleri: Lineer, Homojen Diferansiyel Denklemler....................... 110 6.3 Labaratuar Saati-VI......................... 114 6.4 Proje: Schrödinger Denkleminin Çözümü............. 116 6.5 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 117 7 İNTERPOLASYON ve EKSTRAPOLASYON 119 7.1 Giriş.................................. 119 7.2 Doǧrusal İnterpolasyon........................ 120 7.3 Lagrange Enterpolasyon Formülü.................. 121 7.4 Newton Enterpolasyonu ve Bölümlü Farklar............ 122 7.5 Labaratuar Saati V.......................... 125 7.6 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 125

İÇİNDEKİLER 5 8 DOǦRU UYDURMA YÖNTEMLERİ 127 8.1 Giriş.................................. 127 8.2 Labaratuar Saati V.......................... 127 8.3 ALIŞTIRMA SORULARI....................... 127 A FORTRAN Komutlarının Kısa bir Tekrarı 129 A.1 Karakter Sayısı............................ 129 A.2 Deǧişkenler.............................. 129 A.3 Sabitler................................ 129 A.4 Tanımlama Komutları........................ 130 A.5 Aritmetiksel Komutlar ve Matematiksel Fonksiyonlar....... 131 A.6 Kontrol Devri............................. 131 A.7 DO Döngüleri............................. 133 A.8 Girdi-Çıktı Komutları........................ 133 A.9 Alt Programlar............................ 134 B GNUPLOT Grafik Programı 135 B.1 İki Boyutlu Grafik Çizimi...................... 135 B.2 Fonksiyon Tanımlama ve Parametrelere Değer Atama...... 138 B.3 Üç Boyutlu Grafik Çizimi...................... 139 B.3.1 Fonksiyon Grafiği Çizme................... 139 C BÖLÜM 2 e AİT PROGRAMLAR 141 C.1 KOK1 programı........................... 141 D BÖLÜM 3 e AİT PROGRAMLAR 145 D.1 ADD1 programı............................ 145

ŞEKİLLER DİZİNİ 1.1 F (x) ve G(x) in grafiǧi........................ 25 2.1 Grafik çizerek kök bulma...................... 30 2.2 y = sin(x) ve y = x in grafiǧi.................... 31 2.3 Köklerin yarılama metodu ile bulunması.............. 31 2.4 Köklerin yanlışçizgi yöntemi ile bulunması............. 33 2.5 Köklerin sekant metodu ile bulunması............... 34 2.6 Köklerin Newton-Raphson yöntemi ile bulunması......... 35 2.7 Newton-Raphson metodunun ıraksama durumu.......... 35 3.1 Örnek 3.5 de çözülen diferansiyel denkleminin sayısal ve analitik çözümleri............................... 48 3.2 (3.15) deki parçacıǧın yörüngesi................... 60 3.3 Basit harmonik salınıcı probleminde yerdeǧişim ve hız fonksiyonları 61 3.4 Basit harmonik salınıcı probleminde yerdeǧişimde yapılan hata. 61 3.5 Basit harmonik salınıcının v(t)-x(t) grafiǧi............. 62 3.6 V a ve V b potansiyellerinde tutulan aynı merkezli iki silindirik elektrot.................................. 64 3.7 Aynı merkezli iki silindirik elektrot arasındaki parçacıǧın yörüngesi 65 4.1 Buffon un π sayısını bulma deneyi................. 78 4.2 Buffon un π sayısını bulma deneyinin tipik bir sonucu...... 78 4.3 Rasgele sayılar arasındaki korelasyona örnek............ 80 4.4 Rasgele sayıların iki boyutta daǧılımı................ 81 4.5 Rasgele sayıların eşit aralıkta daǧılımı............... 82 4.6 İntegral alma............................. 83 7.1 Örnek 7.2 de çözülen enterpolasyon fonksiyonu ve enterpolasyon noktalari................................ 122 B.1 gnuplot açılım ekranı........................ 136 B.2 plot komutunun kullanımına örnek................ 136 B.3 sin(x) fonksiyonunun grafiǧi..................... 137 B.4 gnuplot programında deǧişik etkiler................ 137 B.5 Sınırların düzenlenişi......................... 137 B.6 gnuplot ile çoklu grafik....................... 139

TABLOLAR DİZİNİ 3.1 Euler metodu ile bir diferansiyel denkleminin çözümü...... 47 3.2 ADD6 programının örnek bir çıktısı................ 57 3.3 ADD7 programının örnek bir çıktısı................ 59 3.4 ADD8 programının örnek bir çıktısı................ 59 3.5 ADD6 programının örnek bir çıktısı................ 72 7.1 Newton enterpolasyonunda tablo oluşturma............ 125