Diferansiyel Denklemler · 8. Ünite: Kısmi Diferansiyel Denklemler ve Fourier Serileri

Değişkenlerine Ayırma Yöntemi

Bir çubuktaki sıcaklık, gerilmiş bir telin titreşimi ve bir plakadaki kararlı sıcaklık dağılımı birer kısmi diferansiyel denklem (partial differential equation, PDE) ile modellenir. Değişkenlerine ayırma yöntemi, bu denklemleri iki ya da daha fazla adi diferansiyel denkleme (ADD) bölerek çözer: $u(x,t) = X(x)\,T(t)$ denemesi PDE'yi bir özdeğer problemine ve bir zaman (ya da ikinci uzay) denklemine ayırır. Konunun sonunda ayırma sabitini kurar, sınır koşullarına göre özdeğerleri ($\lambda_n$) ve özfonksiyonları ($X_n$) bulur, $\lambda = 0$ durumunu atlamadan durum analizi yapar, çözümleri süperpozisyonla toplayıp başlangıç koşulundan Fourier katsayılarını hesaplar ve yöntemin hangi problemlere uygulanabileceğini söyleyebilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Neden Değişkenleri Ayırırız?

  2. Lineer Homojen PDE ve Sınır Koşulları

  3. Ayırma: Isı, Dalga ve Laplace Denklemleri

  4. Özdeğer Problemi ve Durum Analizi

  5. Sınır Koşullarına Göre Özdeğerler

  6. Süperpozisyon, Ortogonallik ve Katsayılar

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Yöntemin Uygulanabilirliği ve Homojen Olmayan Koşullar

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Simülasyonda Dene

Anahtar terimler

Değişkenlerine ayırma (separation of variables)
Çözümü $u = X(x)T(t)$ gibi tek değişkenli çarpanların çarpımı olarak arayıp PDE'yi adi diferansiyel denklemlere bölme yöntemi.
Süperpozisyon ilkesi (superposition principle)
Lineer homojen PDE ve homojen sınır koşullarında çözümlerin lineer birleşimlerinin de çözüm olması.
Ayırma sabiti (separation constant)
Her iki tarafı farklı değişkenlere bağlı denklemin ortak sabiti; burada $-\lambda$ ile yazılır ve özdeğer parametresi olur.
Özdeğer ve özfonksiyon (eigenvalue, eigenfunction)
Sınır koşullarıyla birlikte $X'' + \lambda X = 0$ probleminin sıfırdan farklı çözüm verdiği $\lambda_n$ ve karşılık gelen $X_n$.
Sturm–Liouville problemi
Özdeğerleri reel, özfonksiyonları ağırlıkla ortogonal olan sınır değer problemleri sınıfı; $X'' + \lambda X = 0$ en basit örneğidir.
Dirichlet ve Neumann koşulu
Sınırda fonksiyonun değerinin ($u = 0$) ya da türevinin ($u_x = 0$, yalıtım) belirtilmesi.
Durum analizi (case analysis)
$\lambda < 0$, $\lambda = 0$ ve $\lambda > 0$ durumlarının ayrı ayrı incelenerek özdeğerlerin belirlenmesi.
Ortogonallik (orthogonality)
Farklı özdeğerlere ait özfonksiyonların $\int_0^L X_mX_n\,dx = 0$ sağlaması; Fourier katsayılarını bulmayı sağlar.
Kararlı hâl çözümü (steady-state)
Zamandan bağımsız çözüm; homojen olmayan sınır koşullarında $u = w(x) + v$ ayrımında $w$ olarak çıkarılır.

Örnek soru

$u_t = 3u_{xx}$ denkleminde $u = X(x)T(t)$ denemesi yapılıp ayırma sabiti $-\lambda$ seçiliyor. Elde edilen adi diferansiyel denklemler hangisidir?

  1. $X'' + \lambda X = 0,\quad T' + \lambda T = 0$
  2. $X'' + 3\lambda X = 0,\quad T' + \lambda T = 0$
  3. $X'' + \lambda X = 0,\quad T' + 3\lambda T = 0$
  4. $X'' + \lambda X = 0,\quad T' - 3\lambda T = 0$
  5. $X'' + \lambda X = 0,\quad T'' + 3\lambda T = 0$

Doğru cevap: C

Çözüm

1. $u = XT$ yerine konursa $XT' = 3X''T$ olur.
2. Her iki yanı $3XT$ ile bölersek $\dfrac{T'}{3T} = \dfrac{X''}{X} = -\lambda$ bulunur.
3. Soldaki eşitlik $T' = -3\lambda T$, yani $T' + 3\lambda T = 0$; sağdaki eşitlik $X'' + \lambda X = 0$ verir.
Doğru yanıt: $X'' + \lambda X = 0,\ T' + 3\lambda T = 0$.
Çeldiriciler: katsayı $3$'ün unutulması (birinci seçenek), $3$'ün yanlış tarafa yazılması (ikinci), zaman denkleminde işaret hatası (dördüncü: $T' = +3\lambda T$ ile $X'' = -\lambda X$ aynı sabite karşılık gelmez), $T$'nin mertebesinin dalga denklemiyle karıştırılması (beşinci).

Diferansiyel Denklemler: tüm konular