Diferansiyel Denklemler · 3. Ünite: Yüksek Mertebeden Lineer Diferansiyel Denklemler

Sabit Katsayılı Homojen Denklemler

Yay–kütle sisteminden RLC devresine, binaların depremde sallanmasından amortisör tasarımına kadar pek çok sistem $ay'' + by' + cy = 0$ biçiminde modellenir. Bu denklemin çözümü bir integral hilesine değil, tek bir cebirsel denkleme, karakteristik denkleme dayanır: üstel bir çözüm denemek diferansiyel denklemi bir polinoma çevirir. Konunun sonunda köklerin türüne bakarak (ayrık reel, katlı, karmaşık) genel çözümü yazabilecek, başlangıç koşullarından sabitleri bulabilecek, aynı yöntemi $n$. mertebeye taşıyabilecek ve köklerin işaretinden çözümün uzun vadeli davranışını okuyabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Neden Üstel Fonksiyon Deneriz?

  2. Karakteristik Denklem

  3. Durum 1: Ayrık Reel Kökler

  4. Durum 2: Katlı Kök ve Neden $te^{rt}$?

  5. Durum 3: Karmaşık Kökler ve Euler Formülü

  6. Başlangıç Değer Problemi

  7. Yüksek Mertebeden Denklemler

  8. Kararlılık: Köklerin İşareti ve Davranış

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Karakteristik denklem (characteristic equation)
$y = e^{rt}$ denemesinden çıkan cebirsel denklem; $ay'' + by' + cy = 0$ için $ar^2 + br + c = 0$. Kökleri çözümlerin üstellerini belirler.
Ayırt edici (discriminant)
$\Delta = b^2 - 4ac$; işareti köklerin ayrık reel ($\Delta > 0$), katlı ($\Delta = 0$) ya da karmaşık eşlenik ($\Delta < 0$) olduğunu söyler.
Temel çözüm kümesi (fundamental set)
Wronskian'ı sıfırdan farklı, bağımsız çözümler kümesi; $n$. mertebe denklemde tam $n$ çözümden oluşur ve genel çözüm bunların lineer birleşimidir.
Katlı kök (repeated root)
Karakteristik polinomun birden fazla kez tekrarlanan kökü; $m$ katlı $r$ kökü $e^{rt}, te^{rt}, \dots, t^{m-1}e^{rt}$ çözümlerini verir.
Mertebe indirgeme (reduction of order)
Bilinen bir çözüm $y_1$ varken $y = v(t)y_1$ yazarak ikinci bağımsız çözümü bulma yöntemi; katlı kökte $v'' = 0$ ve $v = c_1 + c_2t$ çıkar.
Euler formülü (Euler's formula)
$e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$; karmaşık üstelin reel ve sanal kısımlarını kosinüs ve sinüs olarak ayırarak reel çözüm üretir.
Başlangıç değer problemi (IVP)
Denklem ile birlikte $y(t_0)$ ve $y'(t_0)$ değerlerinin verildiği problem; sabit katsayılı lineer denklemde tek çözümü vardır.
Sönüm ve salınım
Sönüm kök reel kısmının negatif olmasına ($\lambda < 0$), salınım ise sanal kısmın sıfırdan farklı olmasına ($\mu \neq 0$) bağlıdır; ikisi birbirinden bağımsızdır.
Asimptotik kararlılık (asymptotic stability)
Tüm karakteristik köklerin reel kısmı negatifse her çözümün $t \to \infty$'da sıfıra gitmesi.

Örnek soru

$2y'' + 3y' - 2y = 0$ denkleminin genel çözümü aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $c_1e^{2t} + c_2e^{-t/2}$
  2. $c_1e^{t/2} + c_2e^{-2t}$
  3. $c_1e^{t/2} + c_2te^{-2t}$
  4. $c_1e^{-t/2} + c_2e^{-2t}$
  5. $c_1e^{t/2} + c_2e^{2t}$

Doğru cevap: B

Çözüm

1. $y = e^{rt}$ koyunca karakteristik denklem $2r^2 + 3r - 2 = 0$ olur (baş katsayı $a = 2$ korunur).
2. $2r^2 + 3r - 2 = (2r - 1)(r + 2) = 0$, kökler $r_1 = \tfrac{1}{2}$ ve $r_2 = -2$.
3. Ayırt edici $\Delta = 9 + 16 = 25 > 0$: iki ayrık reel kök, dolayısıyla $y = c_1e^{t/2} + c_2e^{-2t}$.
Cevap: B. Kök, üssün kendisidir; işareti ters çevirmek (A) ya da $a$'ya bölmeyi unutup $r^2 + 3r - 2$ ile çalışmak yanlış sonuç verir. C seçeneğindeki $te^{-2t}$ yalnızca katlı kökte görünür.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular