İki Boyutlu Eliptik Tipi Diferansiyel Sınır Değer Problemleri İçin MathCAD Kullanılımı

Benzer belgeler
HARMONİK DENKLEM. Burada göz önüne alınacak problem Dirichlet problemidir; yani fonksiyonun sınırda kendisinin verilmesi halidir. 2 2 (15.

EŞİTLİK KISITLI TÜREVLİ YÖNTEMLER

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

İleri Diferansiyel Denklemler

Elastisite Teorisi Düzlem Problemleri için Sonuç 1

Dijital Kontrol Sistemleri Prof.Dr. Ayhan Özdemir. Dengede bulunan kütle-yay sistemine uygulanan kuvvetin zamana göre değişimi aşağıda verilmiştir.

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

Bir Doğrusal Programlama Modelinin Genel Yapısı

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

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

MAK1010 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BİLGİSAYAR UYGULAMALARI

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Genel Graf Üzerinde Mutlak 1-merkez

SONLU FARKLAR GENEL DENKLEMLER

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

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

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

ii) S 2LW 2WH 2LW 2WH S 2WH 2LW S 3( x 1) 5( x 2) 5 3x 3 5x x Maliye Bölümü EKON 103 Matematik I / Mart 2018 Proje 2 CEVAPLAR C.1) C.

ELASTİSİTE TEORİSİ I. Yrd. Doç Dr. Eray Arslan

İleri Diferansiyel Denklemler

HATA VE HATA KAYNAKLARI...

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

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

İleri Diferansiyel Denklemler

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

MATLAB DA SAYISAL ANALİZ DOÇ. DR. ERSAN KABALCI

İleri Diferansiyel Denklemler

1. Hafta SAYISAL ANALİZE GİRİŞ

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

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

DİNAMİK - 7. Yrd. Doç. Dr. Mehmet Ali Dayıoğlu Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi. Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği Bölümü

BÖLÜNMÜŞ FARKLAR (DİVİDED DİFFERENCES)

ELEKTROMANYETIK ALAN TEORISI

BÖLÜM 1: MADDESEL NOKTANIN KİNEMATİĞİ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

DÜZLEMDE GERİLME DÖNÜŞÜMLERİ

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

İleri Diferansiyel Denklemler

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

Kübik Spline lar/cubic Splines

Analog Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri

Lineer Dönüşümler ÜNİTE. Amaçlar. İçindekiler. Yazar Öğr. Grv.Dr. Nevin ORHUN

İÇİNDEKİLER KISIM 1: BİRİNCİ MERTEBE ADİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

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

KISITLI OPTİMİZASYON

Diferensiyel denklemler sürekli sistemlerin hareketlerinin ifade edilmesinde kullanılan denklemlerdir.

Bahar Yarıyılı D_IFERANS_IYEL DENKLEMLER II ARA SINAV 6 Nisan 2011 Süre: 90 dakika CEVAP ANAHTARI. y = c n x n+r. (n + r) c n x n+r 1 +

Sembolik Programlama1. Gün. Sembolik Programlama. 20 Eylül 2011

Özdeğer ve Özvektörler

Jeodezide Yaklaşım Yöntemleri: Enterpolasyon ve Kollokasyon

OLASILIK ve KURAMSAL DAĞILIMLAR

KONU 4: DOĞRUSAL PROGRAMLAMA MODELİ İÇİN ÇÖZÜM YÖNTEMLERİ I

KİNETİK MODEL PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİNDE KULLANILAN OPTİMİZASYON TEKNİKLERİNİN KIYASLANMASI

İleri Diferansiyel Denklemler

Bekleme Hattı Teorisi

Bu bölümde Coulomb yasasının bir sonucu olarak ortaya çıkan Gauss yasasının kullanılmasıyla simetrili yük dağılımlarının elektrik alanlarının çok

OYUN TEORİSİ. Özlem AYDIN. Trakya Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

Alıştırmalar 1. 1) Aşağıdaki diferansiyel denklemlerin mertebesini ve derecesini bulunuz. Bağımlı ve bağımsız değişkenleri belirtiniz.

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

İnşaat Mühendisliği Bölümü Uygulama VIII ÇÖZÜMLER

Bilgisayar Grafikleri

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

VERİ MADENCİLİĞİ (Kümeleme) Yrd.Doç.Dr. Kadriye ERGÜN

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

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

İstatistik ve Olasılık

KADASTRO HARİTALARININ SAYISALLAŞTIRILMASINDA KALİTE KONTROL ANALİZİ

İleri Diferansiyel Denklemler

23. Sistem denge denklemlerinin direkt kurulması

SIMÜLASYON DERS SORUMLUSU: DOÇ. DR. SAADETTIN ERHAN KESEN. Ders No:5 Rassal Değişken Üretimi

3. V, R 3 ün açık bir altkümesi olmak üzere, c R. p noktasında yüzeye dik olduğunu gösteriniz.(10

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

Matris Cebiriyle Çoklu Regresyon Modeli

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

ELEKTRİKSEL POTANSİYEL

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

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

2 Ders Kodu: FZK Ders Türü: Zorunlu 4 Ders Seviyesi Lisans

4. BÖLÜM DOĞRUSAL DENKLEM SİSTEMLERİ

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Sayısal Çözümleme

İleri Diferansiyel Denklemler

Matematik Ders Notları. Doç. Dr. Murat Donduran

a) Çıkarma işleminin; eksilen ile çıkanın ters işaretlisinin toplamı anlamına geldiğini kavrar.

İşaret ve Sistemler. Ders 3: Periyodik İşaretlerin Frekans Spektrumu

ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ÖLÇME VE DEVRE LABORATUVARI DENEY 2

TÜREV VE UYGULAMALARI

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

EM302 Yöneylem Araştırması 2 Doğrusal Olmayan Programlamaya Giriş. Dr. Özgür Kabak

(AYIRIM) DENLİ. Emre KUZUGÜDENL. Doç.Dr.Serdar CARUS

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

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

MÜHENDİSLİK MEKANİĞİ (STATİK)

ZEMİN SUYU Zeminde Su Akımı ve Akım Ağları. Y.Doç.Dr. Saadet A. Berilgen

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Transkript:

İki Boyutlu Eliptik Tipi Diferansiyel Sınır Değer Problemleri İçin MathCAD Kullanılımı Vahid Ferecov Rafet Akdeniz Namık Kemal Üniversitesi, Çorlu Mühendislik Fakültesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü e-posta: {vferecov@corlu.edu.tr, akdeniz@corlu.edu.tr} Özetçe Günümüzde programlama paketlerinin mühendislikte kullanımı büyük önem taşımaktadır. MathCAD kullanılarak matematiksel fiziğin temelini oluşturan iki boyutlu eliptik tipi denklemlerin çözümü değerlendirilmiştir. Burada MathCAD paketindeki hazır relax ve multigrid fonksiyonları kullanılarak iki boyutlu uzayda elektrik potansiyel yüzeyleri ve seviyelerinin şekli belirlenmiştir. Bununla beraber Poisson ve Laplace denklemlerinin çözümü için relaksiyon yöntemi kullanılmıştır. Çözümden elde edilen eğrilerin süreksiz olduğu gözlenmiş ve bu istenmeyen durum spline-interpolasyonu kullanılarak önlenmiştir. İnterpolasyon fonksiyonu elektrostatik alan şiddetinin hesaplanmasına ve kuvvet çizgilerinin belirlenmesine olanak sağlar. Bu işlemler yapıldığında elektrik potansiyel çizgilerinin sürekli olduğu gözlenmiştir. 1. Giriş Günümüzde Mathematica (Wolfram Research), Maple (Waterloo Maple), Matlab (The MathWorks), MathCAD (Mathsoft) gibi programlama paketleri çeşitli bilim dallarında sayısal problemlerin çözümünde kullanılmaktadır. Bu programlama sistemleri içerisinde MathCAD mühendislik problemlerinin sayısal çözümünde yaygın olarak kullanılır. MathCAD aşağıdaki özelliklere sahiptir: Her şey bilinen matematiksel notasyonlarla kullanılır. Bir eşitliği, işlemi veya grafiği göstermek için standart matematiksel bir yol varsa, MathCAD bunu kullanır. Basit ifadeler hemen klavye aracılığı ile yazılabilir. Bununla beraber MathCAD standart matematiksel işlemler için standart operatörler kullanır. Diğer programlama paketlerine göre MathCAD daha yalın komut setine sahiptir. Dolayısıyla, bu programla işlemlerin yapılması ve diyalog ortamı çözülen problemlerin iyice anlaşılmasına olanak sağlamaktadır. Burada matematiksel fiziğin temelini oluşturan hem teorik hem de pratikte geniş uygulama alanına sahip eliptik tipi denklemlerin çözümü için MathCAD 12 paketi kullanılarak incelenmiş ve iki boyutlu durum değerlendirilmiştir. Elektrostatik uygulamalarında bu problemler [1-3]; 1. Bölgenin sınırlarında elektrik potansiyelinin

değerleri verildiğinde ve yüklerin yeri belirsiz olduğunda elektrik alan potansiyelinin dağılımının bulunması, 2. Yüklerin uzayda dağılımı verildiğinde oluşan elektrik alan dağılımının bulunmasıdır. 2. İki boyutlu eliptik diferansiyel denklemlerin Relax (a,b,c,d,e,f,u,r) Fonksiyonu ile Çözümü MathCad deki relax(a,b,c,d,e,f,u,r) hazır fonksiyonu iki boyutlu eliptik tipi diferansiyel denklemlerin sayısal çözümünü gerçekleştirir. İkinci dereceden eliptik diferansiyel denklemin genel şekli [4, 5]; 2 u u u A + 2B + C x x y y u u + D + E + Gu= F x y x y AC B > 2 (, ) 0 (1) biçimindedir. Bu denklem sonlu farklar kullanılarak aşağıdaki şekle dönüştürülür. aμ + bμ + cμ + d μ + eμ = f i i+ 1, j i i 1, j i i, j+ 1 i i, j 1 i i, j i, j (2) Relaksiyon yönteminde eğer kaynak mevcut değilse (Laplace denklemi), verilen k + 1 adımında denenen düğümde fonksiyonun değeri komşu düğümde bir önceki k. adımında fonksiyonun ortalama değeri gibi belirlenir. k 1 1 k k k k ( ) + + u + = u + u + u + u ij, i1, j i1, j ij, 1 ij, 1 (3) 4 Kaynak mevcut olduğunda sonlu fark şeması (Poisson denklemi) aşağıdaki şekli alır. ( ) + + 1 h + = + + + (4) 4 4 2 k 1 k k k k u u u u u fij, ij, i1, j i1, j ij, 1 ij, 1 Relaksiyon yöntemi, iki boyutlu durumda maksimum olası r = h 2 /4 adımlı fark şemasını kullanarak oldukça yavaş bir şekilde yakınsamaktadır. Bu yöntemde tüm düğüm noktalarında fonksiyonun değerleri ve sınır koşulları belli olmalıdır. relax(a,b,c,d,e,f,u,r) fonksiyonunda; a, b, c, d ve e değişkenleri diferansiyel denklemin katsayılarını belirleyen aynı boyutlu kare matrisler, f karenin her bir iç noktasında ikinci taraf fonksiyonunun değerlerini belirleyen kare matris, u bölgenin iç noktalarındaki ve sınırdaki yaklaşık değerleri belirleyen kare matris, r relaksiyon prosesi düzenleyen parametredir [6, 7]. Buradaki r değeri, 0 ile 1 arasında değişebilir ve problemin detaylarına bağımlıdır. Örnek olarak Poisson denklemi incelenirse. Poisson denkleminin ikinci tarafı iki nokta yükten oluşturulur: relax(a,b,c,d,e,f,u,r) fonksiyonunun parametreleri belirlenir: Sınır koşulları ve başlangıç yaklaşık değerler belirlenir: Çözüm bulunur. Çalışma sayfasındaki Graf butonu kullanılarak elektrostatik alanının potansiyel yüzeyi (Şekil 1) ve eş potansiyelli seviyeler (Şekil 2) çizilir.

kontrol edilir. Bölgenin içinde bir kare hücrenin ( 0.4 x 0.6 cm, 0.4 y 0.6cm) olduğu Şekil 1. Elektrostatik potansiyel yüzeyi. ve bu hücrede yüklerin ρ = 600 C/ cm yoğunluğu ile düzgün olarak dağıldığını varsayımı ile söz konusu sınır değer probleminin çözümü için aşağıdaki sıra ile işlemler yapılır. 1. Program 1 deki program çalışma sayfasına yazılır. 2. Ağın düğüm noktaları ve sınır koşulları belirlenir: 2 φ : = 0 φ : = 0 φ φ i,0 i, N 0, j N, j kx, ky : = 0 φ : = 0 : = 10 Şekil 2. Eşpotansiyelli seviyeler. 3. Poisson Denkleminin Çözümü Bu çalışmada iki boyutlu u u + = f ( xy, ) Poisson denkleminin x y çözümü yapılmıştır (Program 1). Burada; N fonksiyonun değerlerinin hesaplandığı noktaların sayısını, Ω relaksiyon prosesini düzenleyen parametreyi, N _ Iter iterasyon sayısını, φ iç düğümlerde başlangıç yaklaşımı ve sınırlarda potansiyelin değerini belirleyen kare matrisi ve f ise yükün dağılımını belirleyen fonksiyondur. Bu program, sınırdaki belli potansiyeli ( ux (,0) = ux (,1) = 0, u(0, y) = u(1, y) = 0 ) kare bölge ( 0 x 1 cm, 0 y 1cm) için 3. Hücrede yüklerin dağılımını ifade eden fonksiyon tanımlanır: 4. Relaksiyon prosesini düzenleyen parametre belirlenir: 5. Başlangıç yaklaşık değer ve iterasyon sayısı belirlenir: 6. Elektrostatik potansiyelin hesabı yapılır: 7. İterasyon sayısı 100 kabul edilerek eşpotansiyelli seviyelerin haritası çizilir. Bunun için Graph butonundaki Contour Plot seçeneği kullanılır.

denktir: u x u y + = 0 (5) Bu denklem de Program 1 deki programla çözülebilir. Örnek olarak, sınırlarda potansiyeli belli olan ( ux (,0) = ux (,1) = 12 Vu, (0, y) = u(1, y) = 6 V) 0 x 1 cm, 0 y 1cm kare bölgede ( ) Şekil 4. Eş potansiyelli seviyelerin haritası. İterasyon sayısı 100 için eşpotansiyelli seviyelerin ve yüzeylerin haritaları sırasıyla Şekil 4 ve Şekil 5 de gösterilmiştir. İterasyon sayısına göre değişim dinamiğini açık bir şekilde izlemek için her iterasyona göre haritanın çizilmesi gerekmektedir. Bunu değişiminin görüntülenmesi için animasyon klipinin yapılması gerekir. çözümü bulalım. Kare bölgenin 17 17 ağdan oluştuğu varsayılsın. Burada sınır değerleri ve diğer değerler dikkate alınarak Laplace denklemi çözülür. Şekil 6 dan görüldüğü gibi haritadaki eşpotansiyelli seviyeler sürekli çizgiler değildir. Eşpotansiyelli çizgilerde oluşan bu süreksizlikler elektrostatik alanın şiddetini ifade eden φ( x, y) türevinde süreksizliğin olduğunu gösterir. Diğer yandan, Laplace denklemini sağlayan φ ( x, y) fonksiyonunun Şekil 5. Eşpotansiyelli yüzeyler 4. Laplace Denkleminin Çözümü İki boyutlu Laplace denklemi Poisson denkleminde f( x, y ) = 0 olduğu duruma sürekli olduğu bellidir [1]. Sayısal hesapta ortaya çıkan bu istenmeyen durum koordinat ağının (veri noktalarının büyük olmasına bağlıdır.) adımının büyük olması ile bağlıdır. Bu yetersizliği aşmak için spline-iterpolasyonu kullanılmıştır. 5. Spline-interpolasyonu İnterpolasyon var olan veri noktaları arasında

tahminde bulunarak değerler tahmin etme yöntemidir [2]. Burada kullanılan Spline interpolasyon işleminde üç komşu nokta alınarak kübik polinom bu noktalardan geçecek biçimde bir eğri uydurur. İki değişkene bağlı Spline-interpolasyon işlemini yapacak programı inceleyelim. Bu fonksiyon Laplace ve Poisson denklemlerinin çözümü için kullanıldığından yukarıda kullanılan işaretlemeler aynı tutulur. 1. Dikdörtgen ağın düğüm noktalarının koordinatları belirlenir: 2. Dikdörtgen ağın köşegeninde yerleşen düğüm noktalarını belirleyen n 2 mertebeden matris yaratılır: 7. Koordinat ağının düğümlerinde iterpolasyon fonksiyonunun değerleri hesaplanır: 8. Eşpotansiyelli seviyelerin haritası çizilir (Şekil 6). Şekil 6 ve Şekil 7 deki haritalar karşılaştırıldığında spine-interpolasyon işleminin eşpotansiyelli seviyelerin haritasındaki süreksizliğin ortadan kalktığı görülür. Bununla beraber iterpolasyon fonksiyonu elektrostatik alanın şiddetinin hesaplanmasına ve alanın kuvvet çizgilerinin haritasının çizilmesine olanak sağlamaktadır. 3. n 2 mertebeden Mz matrisi yaratılır: Bu matrisin Mz ij elemanı ( x, y) noktalarının koordinatlarını belirtir. 4. Mxy, Mz ile belirtilen düğümlerde spline fonksiyonunun katsayılar vektörü hesaplanır: 5. İnterpolasyon fonksiyonu tanımlanır: Şekil 6. Eşpotansiyelli seviyelerin haritası. 6. İnterpolasyon değerlerinin hesaplanacağı düğüm noktalarının koordinatları belirlenir: 9. Elektrostatik alan vektörünü döndüren fonksiyon yaratılır (Program 2). 10. Elektrostatik alanın hesaplanacağı düğümlerinin koordinat ağı belirlenir:

6. Sonuç 11. Elektrostatik alanın şiddeti hesaplanır: Bu çalışmada, belirli yüke sahip cisimlerin oluşturduğu potansiyelin ve elektrik kuvvet çizgilerinin uzayda dağılımı incelenmiştir. Çözümden elde edilen dağılım eğrilerinde oluşan süreksizliği önlemek için MatCAD in hazır fonksiyonları yetersiz kalmaktadır, bu süreksizlik yapılan ek programla giderilmiştir. Bu yöntem iki boyutlu tüm eliptik diferansiyel denklemlerin çözümü için kullanılabilir. Şekil 7. Eşpotansiyelli seviyelerin haritası Şekil 9. Elektrostatik alan vektörünün dağılımı 7. Kaynakça [1] İ. E. Tamm, Osnovı teorii elektrichestvo. M, Nauka, 1976. [2] V. Ferecov, R. Akdeniz, Matcad ile Sayısal Analiz, Güncel Yayıncılık, İstanbul, 2006 [3] R. P. Federenko, vvedenie v vıchislitelhuyu fiziku, M, MFTİ, 1994. [4] W. E. Schiesser, The Numerical Method of Lines: Integration of Partial Differential Equations, Academic Pres, 1991. [5] A. A. Samarskiy, E. S. Nikolaev, Metodı resheniya setochnıx uravneniy, M, Nauka, 1978. [6] www. Exponenta. ru [7 ] www. Mathcad. com

Program 1. Poisson ve Laplace denklemlerinin çözümü için program Program 2. Elektrostatik alan vektörünün hesap programı