MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Benzer belgeler
MAK 210 SAYISAL ANALİZ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

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

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

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Diferansiyel denklemler uygulama soruları

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

Şeklinde çok sayıda diferansiyel denklemden oluşan denklem sistemleridir. Denklem sayısı = bağımlı değişken eşitliği sağlanmasıdır.

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Math 322 Diferensiyel Denklemler Ders Notları 2012

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

İleri Diferansiyel Denklemler

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

Diferensiyel denklemler sürekli sistemlerin hareketlerinin ifade edilmesinde kullanılan denklemlerdir.

DENKLEMLER CAUCHY-EULER DENKLEMİ. a n x n dn y dx n + a n 1x n 1 dn 1 y

HATA VE HATA KAYNAKLARI...

Diferensiyel Denklemler I Uygulama Notları

Şekil 7.1 Bir tankta sıvı birikimi

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

İleri Diferansiyel Denklemler

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

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

Mühendislik Matematiği 2- Hafta 2-3. Arş. Gör. Dr. Sıtkı AKKAYA

İleri Diferansiyel Denklemler

SONLU FARKLAR GENEL DENKLEMLER

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

2. (1 + y ) ln(x + y) = yy dif. denk. çözünüz. 3. xy dy y 2 dx = (x + y) 2 e ( y/x) dx dif. denk. çözünüz.

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

dir. Fonksiyonun (a,b) aralığında integrali ise, her aralıkta alınan integral değerlerini toplanarak, aşağıda verilen şekilde elde edilir.

bir sonraki deneme değerinin tayin edilmesi için fonksiyonun X e göre türevi kullanılır. Aşağıdaki şekil X e karşı f(x) i göstermektedir.

Gözlemlerin Referans Elipsoid Yüzüne İndirgenmesi

DİFERANSİYEL DENKLEMLER-2

STATİK. Ders_9. Doç.Dr. İbrahim Serkan MISIR DEÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü. Ders notları için: GÜZ

İleri Diferansiyel Denklemler

İÇİNDEKİLER KISIM 1: BİRİNCİ MERTEBE ADİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER

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

İleri Diferansiyel Denklemler

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

Yüksek basamaktan tek adım Sonlu Fark Yöntemleri

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Yrd.Doç.Dr.Esra Tunç Görmüş. 1.Hafta

MATLAB DA SAYISAL ANALİZ DOÇ. DR. ERSAN KABALCI

Akışkan Kinematiği 1

fonksiyonu için in aralığındaki bütün değerleri için sürekli olsun. in bu aralıktaki olsun. Fonksiyonda meydana gelen artma miktarı

Runge-Kutta Metodu. Runge-Kutta metodu

DÜZCE ÜN IVERS ITES I FEN-EDEB IYAT FAKÜLTES I

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

6. HAFTA DERS NOTLARI İKTİSADİ MATEMATİK MİKRO EKONOMİK YAKLAŞIM. Yazan SAYIN SAN

BÖLÜM 1: MADDESEL NOKTANIN KİNEMATİĞİ

TÜREV VE UYGULAMALARI

Birden Fazla RDnin Bileşik Olasılık Fonksiyonları

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

UYGULAMALI DİFERANSİYEL DENKLEMLER

TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI

Öğr. Elemanı: Dr. Mustafa Cumhur AKBULUT

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

TÜREV VE UYGULAMALARI

Yapı Sistemlerinin Hesabı İçin. Matris Metotları. Prof.Dr. Engin ORAKDÖĞEN Doç.Dr. Ercan YÜKSEL Bahar Yarıyılı

5. Boyut Analizi. 3) Bir deneysel tasarımda değişken sayısının azaltılması 4) Model tasarım prensiplerini belirlemek

Elektrik Mühendisliği Elektrik Makinaları Güç Sistemleri (Elektrik Tesisleri) Kontrol Sistemleri

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

1. Hafta Uygulama Soruları

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

13. Olasılık Dağılımlar

3.2. Euler Yüksek Mertebeden Değişken Katsayılı Diferansiyel Denklemi

olduğundan A ve B sabitleri sınır koşullarından

Sınav süresi 75 dakika. Student ID # / Öğrenci Numarası

İÇİNDEKİLER. Ön Söz...2. Adi Diferansiyel Denklemler...3. Birinci Mertebeden ve Birinci Dereceden. Diferansiyel Denklemler...9

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Sayısal Çözümleme

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

2(1+ 5 ) b = LYS MATEMATİK DENEMESİ. işleminin sonucu kaçtır? A)2 5 B)3 5 C)2+ 5 D)3+ 5 E) işleminin sonucu kaçtır?

Şekil 6.1 Basit sarkaç

5. Boyut Analizi. 3) Bir deneysel tasarımda değişken sayısının azaltılması 4) Model tasarım prensiplerini belirlemek

Elastisite Teorisi Düzlem Problemleri için Sonuç 1

LİNEER DALGA TEORİSİ. Page 1


DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

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

YTÜ Makine Mühendisliği Bölümü Mekanik Anabilim Dalı Genel Laboratuvar Dersi Eğilme Deneyi Çalışma Notu

SÜREKLİ OLASILIK DAĞILIŞLARI

SÜREKLİ RASSAL DEĞİŞKENLER

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

BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR

Bir Doğrusal Programlama Modelinin Genel Yapısı

İki Boyutlu Eliptik Tipi Diferansiyel Sınır Değer Problemleri İçin MathCAD Kullanılımı

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

(z z 0 ) n. n=1. Z f (z) dz = 2ib 1

ÖĞRENME ALANI TEMEL MATEMATİK BÖLÜM TÜREV. ALT ÖĞRENME ALANLARI 1) Türev 2) Türev Uygulamaları TÜREV

EŞİTLİK KISITLI TÜREVLİ YÖNTEMLER

DERS ÖĞRETİM PROGRAMI FORMU

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

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

Y = f(x) denklemi ile verilen fonksiyonun diferansiyeli dy = f '(x). dx tir.

TEMEL ELEKTROT SİSTEMLERİ Eş Merkezli Küresel Elektrot Sistemi

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM

İleri Diferansiyel Denklemler

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Transkript:

MAK 10 SAYISAL ANALİZ BÖLÜM 9-DİFERANSİYEL DENKLEMLERİN SAYISAL ÇÖZÜMÜ 1

GİRİŞ Diferansiyel denklemler, mühendislikte fiziksel olayların modellenmesinde sık karşılaşılan denklemlerdendir. Dolayısıyla bu denklemlerin sayısal veya analitik çözümünün bulunması çok önemlidir. Bir diferansiyel denklemin analitik çözümü ile, aranan f(x 1, x, ) fonksiyonu, çözüm alanının her noktasında (bağımısız değişkenlerin her değeri için) değer verecek şekilde elde edilmiş olur. Ancak bu her zaman mümkün değildir. Diferansiyel denklemin non-lineer olması, analitik çözümün zor veya imkansız olması durumlarında sayısal çözüm yöntemlerinden biri kullanılabilir. Sayısal çözüm, f fonksiyonunun sürekli değil, ayrık noktalarda yani bağımsız değişkenlerin sadece belli değerleri için hesaplanması esasına dayanır.

dy dx y = e x çözülürse y = + c şeklinde analitik bir ifade bulunur. y y y 3 y y 1 y 0 h x x 0 x 1 x Analitik çözüm Sayısal çözüm Başlangıç noktası (x 0, y 0 ) 3

Başlangıç ve Sınır Değerleri Diferansiyel denklemlerin analitik çözümünde ortaya çıkan integrasyon sabitlerinin bulunmasında kullanılan sınır veya başlangıç şartları sayısal çözümün yapılabilmesinde de gereklidir. Diferansiyel denklemin mertebesi adedince verilmesi gereken sınır veya başlangıç şartları bu bakımdan önemlidir. Sınır veya başlangıç şartlarının veriliş şekli denklemin ifade ettiği problemin tipine bağlıdır. Bir fiziksel olay için oluşturulan diferansiyel denklemin karakterine göre problemleri iki ana gruba ayırmak mümkündür. 4

Başlangıç Değer Problemi Belli bir noktadan başlayıp aranan fonksiyonun çözüm alanında adım adım bulunabildiği problemlerdir. Başlangıç değer problemini ifade eden n. Mertebeden bir denklemin çözümü için gerekli bütün şartlar bağımsız değişkenin tek bir değerinde (başlangıç noktası) verilir. Örnek 9.1: f(t) fonksiyonunu içeren üçüncü mertebeden bir diferansiyel denklemde başlangıç şartları t = t 0 f t 0 = y 0 f t 0 = y 0 f t 0 = y 0 olarak verilmiş ise bu bir başlangıç değer problemidir. 5

Bu tür problemin sayısal çözümünde başlangıç değerinden başlayarak adım adım bağımsız değişkenin diğer değerleri için fonksiyonun alacağı değerler hesaplanır. Tek boyutlu ısı iletimi ve dalga denklemleri, adi diferansiyel denklemlerin bir kısmı bu tiptendir. Sınır Değer Problemi Çözümü kapalı bir alanda aranan problemdir. Bu tip problemlerde sabitlerin bulunması için gerekli şartlar bağımsız değişkenin birkaç değeri için, bir başka ifadeyle çözüm alanının sınırlarında verilir. 6

Örnek 9.: Bir sınır değer problemine ait dördüncü mertebeden bir diferansiyel denklemde sınır şartları x = x 0 da f x 0 = y 0 f x 0 = y 0 x = x L de f x L = y L f x l = y L şeklinde olabilir. Örneğin potansiyel akış denklemi ve adi diferansiyel denklemlerin bir kısmı bu tip denklemlerdir. 7

BİRİNCİ MERTEBEDEN ADİ DİFERANSİYEL DENKLEMLER Birinci mertebeden adi bir diferansiyel denklem ve çözümü için başlangıç şartı dy dx = f x, y (x = x 0 için y = y 0 ) olarak ifade edilebilir. Böyle bir denklemin sayısal çözümü için değişik yöntemler kullanılabilir. Çözüm Yöntemleri Tek Adımlı Yöntemler: Taylor serisi yöntemi Euler yöntemi Düzeltilmiş Euler yöntemi Runger Kutta yöntemleri Çok Adımlı Yöntemler: Adams yöntemi Milne yöntemi Adams-Moulton yöntemi 8

Taylor serisi yöntemi dy dx = f x, y x = x 0 için y = y 0 (9.) şeklinde verilmiş olsun. Burada f(x, y) fonksiyonu lineer veya non-lineer olabilir. Burada aranan y fonksiyonu olup sayısal çözümde bu fonksiyon nokta nokta elde edilecektir. Aranan y(x) fonksiyonu x 0 noktası civarında Taylor serisini açılırsa y x = y x 0 + y x 0 1! x x 0 + y x 0! (x x 0 ) + y x 0! (x x 0 ) 3 + veya x = x 0 + h ise 9

y x = y x 0 + h = y x 0 + y x 0 1! h + y x 0! h + y x 0 3! h 3 + yazılabilir. Bu ifadenin sağ tarafı hesaplanabilir. Zira sağ taraftaki birinci terim, y x 0, başlangıç şartından, ikinci terim denk. (9.) de başlangıç şartının konulmasıyla, diğer terimler ise denk. (9.) nin tekrar türevleri alınıp başlangıç şartının konulmasıyla hesaplanabilir. Böylece aranan fonksiyona ait ikinci bir nokta y 1 = y(x 0 + h) elde edilmiş olur. Aynı işlemlere devam ederek aranan y fonksiyonuna ait diğer noktalar bulunursa fonksiyon Şekil 9.1 de görüldüğü gibi ortaya çıkmış olur. Bu işlemlere devam ederken son bulunan y i ve buna karşılık gelen x i değeri 10

başlangıç değeri gibi düşünülerek adım adım eğri ortaya çıkmış olur. y h x 0 x 1 x x Şekil 9.1. Bir diferansiyel denklemin adım adım sayısal çözümü Yapılan hata h adımına ve Taylor serisinde alınan terim sayısına bağlıdır. Örnek olarak seride dördüncü türevden sonrası atılıyorsa oluşan hata mertebesi 0(h 5 ) olacaktır. Zira seride n. Türev ve sonrası atılıyorsa oluşan hata 11

e = hn n! y n (x s ) olup hata mertebesi 0(h n ) dir. Ancak burada [x 0, x 1 ] aralığındaki x s bilinmediğinden hata tam hesaplanamaz. Pratikte, son terimin katkısı ihmal edilebilecek düzeyde ise veya belli bir tolerans değerinden küçük ise daha fazla terim alınmaz. Taylor serisi yöntemi alınan terim sayısı artırılarak hassasiyeti artmakla beraber, türev almayı gerektirdiğinden programlamaya elverişli değildir. 1

Örnek 9.3: Aşağıdaki diferansiyel denklemi verilen başlangıç şartı altında çözerek y 1 ve y değerlerini bulunuz h = 0.. dy dx = x y (Başlangıç şartı: x 0 = 1, y 0 = ) Çözüm: Yöntemin gerektirdiği türevleri alalım: y x 0 = dy dx = x y = x 0 y 0 = 1 x 0 x 0 y x 0 = d y = 1 y = 1 ( 1) = dx x 0 x 0 13

y x 0 y iv x 0 = d3 y dx 3 = y = x 0 x 0 = d4 y dx 4 = y = x 0 x 0 daha fazla terim almayıp bulunan değerler Taylor serisinde yazılırsa x = x 1 için y 1 = y x 0 + h = y x 0 + y x 0 1! h + y x 0! h + y x 0 3! h 3 + yiv x 0 4! h 4 = 1 0. + 0. 0.3 6 + 0.4 4 = 0. + 0.04 0.0073 + 0.000133 = 1.83747 14

elde edilir. Görüldüğü gibi sağ taraftaki değerler gittikçe azalmakta ve son terimin katkısı ihmal edilebilecek seviyeye düşmektedir. Aynı integral analitik olarak alınırsa gerçek değerin y 1 = 1.83746 olduğu görülür. İkinci noktanın hesabı için x 1 ve y 1 değerleri başlangıç değer gibi düşünülerek aynı işlemler tekrarlanacağı gibi x 0, y 0 başlangıç değerleri ve adımı h alarak benzer işlemler tekrarlanabilir. Burada birinci yol izlenirse x 1 = 1. ve y 1 = 1.83747 y x 1 = dy dx = x y = x 1 y 1 = 0.63747 x 1 x 1 y x 1 = d y = 1 y = 1.63747 dx x 1 x 1 15

y x 1 y iv x 1 = d3 y dx 3 = y = 1.63747 x 1 x 1 = d4 y dx 4 = y = 1.63747 x 1 x 1 değerleriyle y = 1.74065 bulunur. 16

Euler Yöntemi: Taylor serisi yönteminin kolay programlanabilir hale getirilmiş özel bir formudur. Taylor serisinde birinci türevden sonrası atılarak hesaplamaların gerçekleştirilmesi Euler yöntemi olarak bilinir. Bu yöntemde ilave türevler gerekmediğinden oldukça basittir. Ancak hassas sonuç elde edilebilmesi için x = h adımı küçük olmalıdır. Çünkü yöntemde yüksek mertebeden türev terimleri atılmıştır. Verilen dy dx = f(x, y) (x = x 0, y = y 0 ) denkleminde y fonksiyonu x 0 civarında açılır birinci türevden sonrası ihmal edilirse 17

y(x) = y x 0 + h = y x 0 + y x 0 1! h + y x 0! h veya kısaca hata terimi de atılırsa y x = y x 0 + h = y 1 = y x 0 + y 0 h + 0(h ) y 1 y 0 + h. y 0 yaklaşık değeri elde edilir. 18

y y 1 y 1r e Gerçek eğri y 0 h x 0 x 1 x x n x Şekil 9. Euler yönteminin grafik üzerinde gösterimi Bu değer gerçek eğrinin x 1 e karşılık vereceği y 1r değerinden farklıdır. Aradaki fark olan mutlak hatanın (e = y 1 y 1r ) küçük olması adımın küçüklüğüne ve fonksiyonunun eğimine bağlı olacaktır (Şekil 9.). 19

Aranan y fonksiyonuna ait diğer değerler adım adım hesaplanır. Yani x için y y 1 + h. y 1 x 3 için y 3 y + h. y...... ve genel olarak y n+1 y n + h. y n iterasyon denklemi yazılabilir. Bu şekilde ardışık hesaplamalarda herhangi bir y değeri, bir önceki y değerine bağlı olarak hesaplandığından hataların birikmesi söz konusudur. Dolayısıyla Euler yönteminde toplam hata mertebesi 0(h) olacaktır. 0

Düzeltilmiş Euler Yöntemi: Hatayı azaltmak üzere Euler yönteminin iyileştirilmiş halidir. Euler yönteminde iterasyon denklemi adım başındaki türevi kullanır. Türev yerine adım başı ve adım sonu türevlerin ortalaması konulursa hatanın azalacağı gösterilebilir. Yani düzeltilmiş Euler yönteminin genel iterasyon denklemi y n+1 y n + h. y n + y n+1 şeklinde ifade edilebilir. Ancak burada adım sonu türev, y n+1 başlangıçta belli olmadığından iki aşamalı hesap yapma zorunluluğu vardır. Birinci aşamada bilinen Euler yöntemi kullanılarak ilk tahmin değeri y n+1,p hesaplanır. Bu değer kullanılarak 1

verilen diferansiyel denklemden y n+1 elde edilerek düzeltilmiş değer y n+1 = y n+1,c hesaplanır. Bu iki aşamada yapılacak işlemler aşağıda sıralanmıştır. y y n+1,p y n+1,c y n+1r y n Eğim: y n h Eğim: (y n + y n+1 )/ e Gerçek eğri Eğim: y n+1 x n x n+1 x Şekil 9.3 Düzeltilmiş Euler yönteminin geometrik izahı

x n = x 0 + nh ve bir önceki adımdan bilinen y n ile y n = f(x n, y n ) hesaplanarak Euler yöntemine göre tahmini değer y n+1,p = y n + h. y n hesaplanır (Şekil 9.3). x n+1 = x n + h ile adım sonu türev 3

y n+1 = dy dx = f(x n+1, y n+1,p ) x 1 İfadesinden bulunabilir. Buna göre düzeltilmiş değer y n+1,c y n + h. y n + y n+1 + 0(h 3 ) ile hesaplanır. Şekil 9.3 ten de anlaşılabileceği gibi bu ifadeyle bulunan y değeri gerçek değere daha yakın olmaktadır. Dolayısıyla oluşan hata (e) Euler yöntemine göre çok daha küçük olabilmektedir. Düzeltilmiş Euler yönteminin lokal hata mertebesi 0(h 3 ) iken ardışık hesaplamalarda toplam hata mertebesi 0(h ) olacaktır. 4

Runge-Kutta Yöntemleri: Taylor serisinde olduğu gibi yüksek mertebeden türevlere ihtiyaç göstermeyen, programlanması kolay olan bu yöntemler y n+1 = y n + hφ(x n, y n, h) genel formunda yazılabilirler. Burada artım fonksiyonu φ ağırlıklı ortalamalar içermekte olup genel olarak, a i ler sabit olmak üzere φ = a 1 k 1 + a k + + a i k i şeklinde yazılabilir. Bir seri Runge-Kutta yöntemi mevcuttur. Euler yöntemleriyle mukayese edilirse φ, aralıktaki eğimlerin ağırlıklı ortalamaları olduğu görülür. 5

Örneğin düzeltilmiş Euler yöntemi ele alınırsa y n+1 = y n + h. y n + y n+1 = y n + h k 1 + k olup k 1 = y n = f(x n, y n ) k = y n+1 = f x n+1, y n+1 = f x n + h, y n + hy n = f(x n + h, y n + hk 1 ) Benzer bir yöntem aralığın ortasındaki eğimden yararlanarak y n+1 değerini hesaplayan yöntemdir. Orta nokta yöntemi denilen bu yöntemde önce ara değer 6

y n+ 1 = y n + h. y n ve bu noktadaki eğim y n+ 1 = f(x n+ 1, y n+ 1 ) kullanılarak aranan değer y n+1 = y n + h. y n+ 1 veya kısaca y n+1 = y n + hk 7

ifadesinden bulunur. Burada k = y n+ 1 = f(x n + h, y n + h k 1) k 1 = y n = f(x n, y n ) yazılabilir. Görüldüğü gibi y n+1 değerini hesaplamak için değişik eğimler kullanılabilmektedir. Bu alternatifleri kullanan Runge-Kutta yöntemlerinden yaygın olanları burada verilecektir. 8

4. Mertebe Runge-Kutta Yöntemleri: Özellikle non-lineer diferansiyel denklemlerin sayısal çözümünde çok yaygın olarak kullanılan ve hassasiyeti yüksek olan bu yöntem, türevin tahmini için dört değerin ağırlıklı ortalamasına dayanır. Verilen bir diferansiyel denklemin adım adım sayısal çözümünün n. adımındaki katsayılar k 1 = f(x n, y n ) k = f(x n + 1 h, y n + 1 hk 1) k 3 = f(x n + 1 h, y n + 1 hk ) k 4 = f(x n + h, y n + hk 3 ) 9

olmak üzere 4. mertebe Runge-Kutta yönteminin genel iterasyon denklemi ise y n+1 = y n + h 6 k 1 + k + k 3 + k 4 + 0(h 5 ) olarak yazılabilir. Bu yöntemin lokal hata mertebesi 0(h 5 ) iken ardışık hesaplamalarda hataların birikmesi sonucu hata mertebesi azalarak 0(h 4 ) olmaktadır. Yine bu yöntem de f fonksiyonunun sadece x e bağlı olması halinde Simpson 1/3 kuralına denk olduğu görülebilir. Zira bu durumda k = k 3 ve adım h olmaktadır. 30

Örnek 9.4: Aşağıdaki diferansiyel denklemi x = 0. den x = 0.6 a kadar çözerek (h = 0.) x değerlerine karşılık gelen y değerlerini bulunuz. dy dx = 1 x + y (Başlangıç şartı: x = 0 için y = ) Çözüm: Genel iterasyon ifadesi y n+1 = y n + h 6 k 1 + k + k 3 + k 4 olan 4. mertebe Runge-Kutta yöntemi kullanılarak çözüm için x 0 = 0, y 0 = değerleriyle gerekli büyüklükler sırayla hesaplanır. n = 0 için: 31

k 1 = f x 0, y 0 = 1 0 + = 0.5 k = f x 0 + 1 h, y 0 + 1 hk 1 = 1 0.1 + + 0.05 = 0.465 k 3 = f x 0 + 1 h, y 0 + 1 hk = 0.466 k 4 = f x 0 + h, y 0 + hk 3 = 1 0. + + hk 3 = 0.436 değerleriyle y n+1 = y n + h 6 k 1 + k + k 3 + k 4 =.0933 3

elde edilir. n = 1 için x 1 = 0., y 1 =.0933 alarak ve sonra da n = için benzer işlemler yapılarak aşağıdaki tablo hazırlanmıştır. n x n y n k 1 k k 3 k 4 0 0.00.0000 0.500 0.465 0.466 0.436 1 0.0.0933 0.436 0.410 0.411 0.388 0.40.1755 0.388 0.368 0.369 0.351 3 0.60.493 33

YÜKSEK MERTEBEDEN ADİ DİFERANSİYEL DENKLEMLER Bu ana kadar birinci mertebeden adi diferansiyel denklem sistemlerinin çözüm yöntemleri üzerinde duruldu. Bu yöntemler açık olarak her adım değerinin bir hesapla veya tahmini ve düzeltici aşamalardan oluşan iki hesapla bulunması esasına dayanan yöntemlerdir. Ancak mühendislik uygulamalarında genellikle ikinci mertebeden denklemlerle karşılaşılır. İki veya daha yüksek mertebeden adi diferansiyel denklem içeren başlangıç değer problemlerinin ve birden fazla birinci mertebeden adi diferansiyel denklem içeren denklem sistemlerinin nasıl çözüleceği bu bölümde verilecektir. 34

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklem Sistemleri Bazı uygulamalarda karşımıza birden fazla birinci mertebeden adi diferansiyel denklemler çıkabilir. Bu denklemler birbirine bağlı ise yani bireysel olarak çözülemiyorsa eş zamanlı olarak çözülmeleri gerekir. Bu tip denklem sistemlerinde birden fazla bağımlı değişken olacaktır. Böyle bir denklem sistemi genel olarak y i = f i (t, y 1, y,, y m ) (i = 1,,, m) y i 0 = y i0 şeklinde m tane başlangıç şartı ile beraber yazılabilir. Burada t bağımsız 35

değişkeni y i ise bağımlı değişkenleri göstermektedir. Bu tip denklem sistemini çözmek için yukarıda verilen herhangi bir yöntem kullanılabilir. Uygun bir yöntem seçilerek her adımda sıra ile bütün denklemlere uygulanır. Bu yapılırken seçilen adım büyüklüğü bütün denklemlere uygulanır. Bu bir örnekle aşağıda açıklanmıştır. 36

Örnek 9.5: dx dt dy dt = xy + t = x t x 0 = 0, y 0 = 1 Yukarıda verilen simultane diferansiyel denklem takımı düzeltilmiş Euler yöntemi ile t = 0. alarak çözünüz ve t = 0. 0.6 arasındaki t değerleri için x ve y değerlerini elde ediniz. Virgülden sonra üç haneden sonrasını yuvarlatınız. 37

Çözüm: t = 0 daki değerler: x (0) = x 0 = 0 y (0) = y 0 = 1 t = 0. deki x 1 ve y 1 değerlerini bulmak için önce tahmini değerleri bulalım. x 1,p = x 0 + t. x 0 x 0 = dx dt = 0.1 + 0 = 0 x 1,p = 0 + 0..0 = 0 x 1 = (dx dt) t1 = 0.1 + 0. = 0. x ort = x 0 + x 1 = 0.1 y 1,p = y 0 + t. y 0 y 0 = dy dt = 0 0 = 0 y 1,p = 1 + 0..0 = 1 y 1 = (dy dt) = 0 0. = 0. y ort = y 0 + y 1 = 0.1 38

Buna göre düzeltilmiş değerler: x 1,c = x 0 + t. x ort = 0 + 0.. 0.1 x 1,c = 0.0 y 1,c = y 0 + t. y ort = 1 + 0.. 0.1 y 1,c = 0.98 aynı işlemler tekrar edilerek t = 0.4 ve t = 0.6 daki x ve y değerleri bulunur. Çözüm esnasında elde edilen değerler tablo halinde verilmiştir. 39

x n x n t. x n x n+1 x n+1 x ort t. x ort t n y n y n t. y n y n+1 y n+1 y ort t. y ort 0 0 0 0 0 0. 0.1 0.0 1 0 0 1-0. -0.1-0.0 0. 0.0 0.196 0.044 0.064 0.46 0.34 0.068 0.98-0.18-0.036 0.944-0.366-0.58-0.05 0.4 0.088 0.98 40

Yüksek Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler n. mertebeden adi diferansiyel denklem y (n) = f(x, y, y, y n,, y (n 1) şeklinde yazılabilir. Denklemin sağ tarafındaki argümanlar lineer terimler halinde ise bu denkleme lineer diferansiyel denklem denir. Bu ana kadar birinci mertebe diferansiyel denklemler için kullanılan yöntemlerden bahsedildi. Yüksek mertebeden bir diferansiyel denklemin çözümünde izlenebilecek bir yol verilen denklemi birinci mertebeden diferansiyel denklemlere dönüştürmektir. Verilen başlangıç değer problemine ait n. mertebeden bir adi diferansiyel denklem, yeni değişkenler tanımlanarak 41

n tane birinci mertebeden adi diferansiyel denkleme dönüştürüldükten sonra yukarıda verilen yöntemlerden biri kullanılarak eşzamanlı olarak çözülebilir. Bu çözümün yapılabilmesi için n tane de başlangıç şartının verilmesi gerektiği açıktır. 4

Örnek 9.4: İki adet başlangıç şartı ile verilen aşağıdaki diferansiyel denklemi birinci mertebeden diferansiyel denklemlere dönüştürünüz. d x dt = f dx x, t, dt x t 0 = x 0, x t 0 = x 0 Çözüm: dx dt = y (1) d x dt = dy dt = f x, t, y () Başlangıç şartları: t 0 = 0 da x = x 0 y = y 0 = x 0 43

Örnek 9.5: Bir kirişte eğilme momenti M(x) ise EI y 1 + y 3 = M(x) burada y tarafsız eksenin yer değiştirmesidir. Başlangıç değerleri y 0 = y 0 = 0 olduğuna göre denklemi 1. mertebeden iki adi diferansiyel denklem olarak ifade ediniz. Çözüm: Verilen y = M(x) EI 1 + y 3 44

denkleminde fonksiyonun birinci türevine yeni bir değişken adı verirsek dy dx = u birinci denklem olur. Bu denklemin başlangıç şartı y 0 = 0 olur. Bu tanımı kullanarak ikinci denklem ve başlangıç şartı d y dx = du dx = M(x) EI 1 + y 3 du dx = M(x) EI 1 + y 3 u 0 = 0 elde edilir. 45

Örnek 9.6: U şeklinde bir borunun içine doldurulan suyun sürtünmeli salınım hareketinde su yüzeyinin denge durumundan itibaren ölçülen z konumunun zamanla değişimi için d z dt + g L z = f d dz dt denklemi verilmiştir. Burada su ile dolu toplam boru boyu L = 6 m, borunun çapı d = 0.5 m, g = 9.81 m s ve sürtünme katsayısı f = 0.03 tür. t = 0 anında su denge konumundan 0.5 m ayrılarak ilk hızsız olarak salınıma terk edildiğine göre; su seviyesinin konumunu (z) ve hızını (dz dt) a) t = 0.5 s de Taylor serisini kullanarak bulunuz. b) t = 1 s de Düzeltilmiş Euler yöntemi ile hesaplayınız. 46

c) Merkezi fark türev formüllerinden yararlanarak t = 0.5 s de z ve z türevlerini hesaplayınız. Çözüm: 0.5 s) a) t = 0 da z 0 = 0.5 ve z 0 = 0 başlangıç şartları ile Taylor serisi ( t = z 1 = z 0 + t. z 0 + t! z 0 + t3 3! z 0 + t4 4! z 0 + olup gerekli terimler: z 0 = 0 47

z 0 = f d z 0 g L z 0 = 1.635 z 0 = f d (z 0)(z 0) g L z 0 = 0 z 0 = f d z 0. z 0 + f d z 0 g L z 0 = 5.667 olarak bulunur. Bu değerleri ile z 1 = 0.5 + 0.5 1.635 + 0 + 0.54 4! 5.667 = 0.31 m elde edilir. Bu anda hız 48

dz dt t 1 = z 1 = z 1 z 0 t = 0.380 m s b) Düzeltilmiş Euler için denklemi iki tane denkleme indirgeyelim: dz dt = u (1) du dt = f d u g L z () soruyu iki şekilde çözmek mümkündür: t 0, z 0, z 0 ve t = 1 s alarak veya t 1 anındaki z 1 ve z 1 değerlerini başlangıç değeri gibi düşünüp t = 0.5 s alarak. Burada ikinci yol izlenecektir. 49

dz dt = u t 1 = 0.5 s, z 1 = 0.31 du dt = f d u g L z (u 1 = 0.38) z,p = z 1 + t. z 1 z,p = 0.31 + 0.5 0.38 = 0.1 z,c = z 1 + t z 1 + z z,c = 0.31 + 0.5 0.38 0.88 z,c = 5.6x10 3 m u,p = u 1 + t. u 1 u,p = 0.88 u,c = u 1 + t u 1 + u u = f d u,p u,c = 0.615 g L z,c = 0.065 50

c) t = 0.5 s de merkezi fark ifadelerine göre z 1 = z z 1 + z 0 t = 0.50 z 1 = z z 0 t = 0.506 elde edilir. Diğer taraftan, ikinci türev verilen denklem kullanılarak z 1 = f d z 1 g L z 1 = 0.998 şeklinde hesaplanabilir. 51

Örnek 9.7: Düşey doğrultuda atılan m kütlesine sahip bir merminin hareket denklemi m d y = m. g C. V. V dt olup burada m = 10 kg, hava direnç katsayısı C = 0.1, mermi hızı V = dy dt dir. Başlangıç şartları t = 0 da y = 0 ve ilk hız y = V 0 = 500 m s olduğuna göre; a) Problemi iki adet birinci mertebeden diferansiyel denklemle ifade ediniz. b) Bu denklemleri verilen başlangıç şartlarını kullanarak düzeltilmiş euler yöntemiyle (h = 0. s) çözünüz. Çözümü üç adım ilerletiniz. 5

Çözüm: Verilen denklemler, başlangıç şartları altında eş zamanlı çözülmelidir. Düzeltilmiş Euler yöntemi ile; dv dt = g C V V m (V 0 = 500 m s) dy dt = V (y 0 = 0) önce Euler yöntemine göre tahmini değerler: V 1,p = V 0 + t. V 0 = 500 + 0. 509.8 = 509.8 = 1.96 m s y 1,p = y 0 + t y 0 = 0 + 0. 500 = 100 m V 0 = 9.81 0.1 500 10 53

Düzeltilmiş değerler: V 1 = 9.81 0.1 V 1,p m = 9.77 V 1,c = V 0 + t V 0 + V 1 V 1,p y 1,c = y 0 + t y 0 + y 1 = 0 + 0. 500 + 48 = 500 + 0. = 48 m s 509.8 9.77 = 74.8 m Böylece birinci adım değerleri bulunmuş olur. 54

İkinci adım değerleri benzer şekilde aşağıdaki gibi hesaplanır: V,p = V 1 + 0.. V 1 V 1 = 9.81 CV 1. V 1 m = 64.85 V,p = 48 + 0.. V 1 = 13.03 m s V = 9.81 C V m = 161.1 y,p = y 1 + t y 1 = 74.8 + 0. 48 = 14.4 m y,c = y 1 + t y 1 + y 1 V,c = V + t V 1 + V = 74.8 + 0. 48 + 169.39 = 169.39 m s = 116.5 m 55

Üçüncü adım değerleri benzer şekilde aşağıdaki gibi hesaplanır: V 3,p = V + 0.. V V = 9.81 CV. V m = 96.7 V 3,p = 169.39 + 0.. V = 110.04 m s y 3,p = y + t y = 116.5 + 0. 169.39 = 150.4 m V 3 = 9.81 C 110.04 m = 130.9 V 3,c = V + t V + V 3 = 16.63 m s y 3,c = 116.5 + 0. 96.0 = 146.1 m 56

Örnek 9.8: Bir Diesel motoru yakıt püskürtme enjektöründe, enjektör iğnesinin yüksek yakıt basıncı ve yay kuvveti etkisi altındaki hareket denklemi d x dx dt 800 dt 4x106 x = 8400cos (0.01t) olarak elde edilmiştir. İğne t 0 = 0 anında ilk hızsız olarak harekete başladığına göre t 1 = 1. 10 4 ve t =. 10 4 anlarında iğne konumunu (x) ve hızını dx dt hesaplayınız. 57

Çözüm: Verilen denklem iki adet birinci mertebeden diferansiyel denklem olarak dx dt = V dv dt = 800V + 4x106 x + 8400Cos(0.01t) yazılabilir. Başlangıç şartları: x 0 = 0, x 0 = V 0 = 0 ve V 0 = 8400 m s bulunur. Düzeltilmiş Euler yöntemi ile çözüm: 58

dx dt = V dv dt = 800V + 4x106 x + 8400Cos(0.01t) x 1,p = x 0 + h. x 0 x 1,p = 0 + h. x 0 = 0 x 1 = V 1 = 0.84 x 1,c = x 0 + h x 0 + x 1 0 + 0.84 = 0 + 10 4 x 1,c = 0.4x10 4 m V 1,p = V 0 + h. V 0 V 1,p = 0 + h. V 0 = 10 4 8400 = 0.84 V 1 = 0.84 800 + 4x10 6 x0.4x10 4 V 1 = 1090 +8400. cos (0.01x10 4 ) V 1,c = V 0 + h V 0 + V 1 V 1,c = 0.966 m s 59

Bu değerleri kullanarak benzer işlemler tekrarlanırsa: x,c = 1.95x10 4 m V,c =.8 m s olarak bulunur. O halde t 1 = 1x10 4 s için x 1 = 0.4x10 4 m V 1 = 0.966 m s t = x10 4 s için x 1 = 1.95x10 4 m V =.8 m s olarak bulunur. 60

P.9.: Yaylı bir subabın basınç altında açılmasın ait hareket denklemi aşağıdaki gibi bulunmuştur: d x dt + 4 dx dt + 4x = 8 Başlangıç şartları ise t = 0 iken x = 0 ve x = 0 olarak verilmektedir. Supabın yaklaşık 0.4 birim açılması için geçecek zamanı düzeltilmiş Euler metodu ile bulunuz. Bu anda supabın hızı nedir? (Zaman arttırımını h=0. olarak alınız.) 61

Çözüm: Taylor serisi ile: x 1 = x 0 + h. x 0 + h! x 0 + h3 3! x 0 + h4 4! x 0 + O(h 5 ) x 1 = 0 + 0.. 0 + 0.! x 1 = 0.13 8 + 0.3 3! ( 3) + h4 4! 96 x 0 = 8 4x 0 4x 0 = 8 4 0 4 0 = 8 x 0 = 4x 0 4x 0 = 4 8 4 0 = 3 x 0 = 4x 0 4x 0 = 4 3 4 8 = 96 6

x = x 1 + h. x 1 + h! x 1 + h3 3! x 1 + h4 4! x 1 + O(h 5 ) x 1 = x 1 x 0 t 1 t 0 = 0.13 0 0. 0 = 0.65 x 1 = 8 4x 1 4x 1 = 8 4 0.65 4 0.13 = 4.88 x 1 = 4x 1 4x 1 = 4 4.88 4 0.65 =.1 x 1 = 4x 1 4x 1 = 4.1 4 4.88 = 68.96 x = 0.13 + (0.). (0.65) + 0.! x = 0.33 4.88 + 0.3 3! (.1) + 0.4 4! 68.96 63

Çözüm: Düzeltilmiş Euler ile: t = 0, x = 0, u = x = 0 Başlangıç şartları dx dt = u du dt = 8 4(u + x) x 1,p = x 0 + h. x 0 x 1,p = 0 + 0. 0 = 0 x 1,c = x 0 + h. x 0 + x 1 x 1,c = 0 + 0.. 0 + 1.6 x 1,c = 0. 16 t = 0. s deki konum ve hız u 1,p = u 0 + h. u 0 u 1,p = 0 + 0.. 8 = 1.6 = x 1 u 0 = 8 4 0 + 0 = 8 u 1,c = u 0 + h. u 0 + u 1 u 1,c = 0 + 0.. 8 + 0.96 = 0. 896 u 1 = 8 4 1.6 + 0.16 = 0.96 64

x,p = x 1 + h. x 1 x,p = 0.16 + 0. 1.6 = 0.66 x,c = x 1 + h. x 1 + x 1.6 + 1.088 x,c = 0.16 + 0.. x,c = 0. 4 t = 0.4 s deki konum ve hız u,p = u 1 + h. u 1 u,p = 0.896 + 0.. (0.96) = 1.088 = x u,c = u 1 + h. u 1 + u = 1. 19 u = 8 4 1.088 + 0.4 = 1.93 65

P.9.3: dy = x y diferansiyel denklemini 4. mertebe Runge Kutta dx yönyemi ile çözünüz. x 0 = 0, y 0 = 1 h = 0.1 x = 0. y =? Çözüm: y n+1 = y n + h 6 (k 1 + k + k 3 + k 4 ) k 1 = f x 0, y 0 = 0 1 = 1 k = f(x 0 + h, y 0 + h. k 1) k = f 0 + 0.1, 1 + 0.1. 1 = f(0.05, 0.95) 66

k = 0.05 0.95 = 0.85 k 3 = f x 0 + h, y 0 + h. k = 0.86 k 4 = f x 0 + h, y 0 + h. k 3 = 0.71 y 1 = 1 + 0.1 1 + 0.85 + 0.86 + 0.71 6 y 1 = 0.9 x 1 = 0.1 (h kadar arttırdık) k 1 = f x 1, y 1 = 0.7 k = f x 0 + h, y 0 + h. k 1 = 0.57 67

k 3 = f x 0 + h, y 0 + h. k = 0.57 k 4 = f x 0 + h, y 0 + h. k 3 = 0.44 y = 0.9 + 0.1 0.7 + 0.57 + 0.57 + 0.44 6 y 1 = 0.84 68

P9.4: Başlangıçta 300 0 C de olan ince çelik bir malzeme 0 0 C deki su banyosuna daldırılıyor. Çeliğin su içinde zamanla soğuması aşağıdaki denklemle ifade edilebilmektedir. dt dt T 0 60 0.09 T Başlangıç şartı t:0 da T=T 0 :300 0 C. Burada t(s) zaman T( 0 C) ise sıcaklıktır. Çeliğin sıcaklığının 100 0 C ye düşmesi için geçmesi gereken süreyi düzeltilmiş Euler ile hesaplayınz. (h= t:0.0 s). Gerekirse interpolasyon yapınız. 69

Çözüm: T 1,p = T 0 + h. T 0 300 0 T 0 = 60 300 0.09 = 10054.7 T 1,p = 300 + 0.0. 10054.7 = 98.9 T 1,c = T 0 + h. T 0 + T 1 98.9 0 T 1 = 60 98.9 0.09 = 3131.1 T 1,c = 300 + 0.0. 10054.7 3131.1 = 168.1 t = 0.0 sn. sonra 70

T,p = T 1 + h. T 1 T,p = 168.1 + 0.0. 3131.1 = 105.478 T,c = T 1 + h. T 1 + T 105.47 0 T = 60 105.47 0.09 = 337.8 T,c = 168.1 + 0.0. 3131.1 337.8 = 103 t = 0.04 sn. sonra 71

T 3,p = T + h. T T 3,p = 103 + 0.0. 337.8 = 35.55 T 3,c = T + h. T + T 3 35.55 0 T 3 = 60 35.55 0.09 = 676.75 T 3,c = 103 + 0.0. 337.8 676.75 = 6.5 t = 0.06 sn. sonra 7