Diferansiyel Denklemler · 5. Ünite: Laplace Dönüşümleri

Dirac Delta Fonksiyonu ve Konvolüsyon Teoremi

Bir sisteme çok kısa süren, çok şiddetli bir kuvvet uygulandığında (çekiç vuruşu, ani bir akım darbesi) darbenin ayrıntısı değil yalnızca toplam etkisi (itki) önem taşır. Bu etkiyi matematiksel olarak modelleyen nesne Dirac delta (impulse) dağılımıdır ve Laplace dönüşümü onu e^{−cs} gibi çok basit bir çarpana çevirir. Konvolüsyon teoremi ise "girdi × sistem tepkisi" çarpımını zamanda bir integrale bağlar. Bu konunun sonunda δ(t−c) içeren denklemleri çözebilir, impuls yanıtını bulabilir ve herhangi bir girdi için y(t) = ∫ h(t−τ)g(τ)dτ çözümünü kurabilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Çok Kısa, Çok Şiddetli Kuvvetler

  2. Dirac Delta Dağılımı: Tanım ve Kayma Özelliği

  3. Laplace Dönüşümü ve Kuvvet Darbesi Olarak Yorum

  4. İmpuls Yanıtı

  5. Konvolüsyon ve Özellikleri

  6. Konvolüsyon Teoremi ve İspat Fikri

  7. Genel Girdi İçin Çözüm: Duhamel İntegrali

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Sınır Durumları

  10. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  11. Özet

Anahtar terimler

Dirac delta (δ)
Birim alanlı dar darbelerin limiti olarak düşünülen dağılım; ∫f(t)δ(t−c)dt = f(c).
Kayma (elek) özelliği
δ ile çarpılıp integre edilen sürekli fonksiyonun yalnızca t = c değerini veren özellik.
İtki (impulse)
Kuvvetin zamana göre integrali ∫F dt; momentum değişimine eşittir.
İmpuls yanıtı h(t)
Durgun sisteme birim delta uygulandığında ortaya çıkan yanıt, h = L⁻¹{1/(as²+bs+c)}.
Transfer fonksiyonu H(s)
Durgun başlangıçlı sistemde Y(s)/G(s) oranı; impuls yanıtının Laplace dönüşümü.
Konvolüsyon
(f*g)(t) = ∫₀ᵗ f(τ)g(t−τ)dτ; değişmeli ve birleşmeli bir işlem.
Konvolüsyon teoremi
L{f*g} = F(s)G(s).
Duhamel integrali
Durgun başlangıçlı sistemde y(t) = ∫₀ᵗ h(t−τ)g(τ)dτ ile genel girdi çözümü.
Basamak yanıtı
Birim basamak girdisinin yanıtı; impuls yanıtının integraline eşittir.

Örnek soru

$\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}(t^2+1)\,\delta(t-3)\,dt$ integralinin değeri nedir?

  1. $1$
  2. $6$
  3. $9$
  4. $10$
  5. $30$

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Kayma (elek) özelliği: $\int f(t)\delta(t-c)dt = f(c)$.
2. $f(t) = t^2 + 1$, $c = 3$ olduğundan $f(3) = 9 + 1 = \mathbf{10}$.
Çeldiriciler: $1$ yanlışlıkla $f(0)$ almak; $6$ türev $f'(3)$; $9$ sabit terimi unutmak; $30$ ise $f(3)$'ü $c$ ile çarpmaktır. Delta yalnızca $f$'nin değerini eler, başka bir çarpan eklemez.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular