Diferansiyel Denklemler · 1. Ünite: Birinci Mertebeden Diferansiyel Denklemler

Tam (Exact) Diferansiyel Denklemler

Bir harita üzerinde aynı yükseklikteki noktaları birleştiren eş-yükselti eğrilerini düşün: eğri boyunca yükseklik değişmez. Tam diferansiyel denklemler tam olarak bu fikirdir; çözüm eğrileri, bir potansiyel fonksiyonun $\psi(x,y) = C$ eş-yükselti eğrileridir. Bu konuyu bitirdiğinde $M\,dx + N\,dy = 0$ denkleminin tam olup olmadığını $M_y = N_x$ testiyle sınayabilir, potansiyel fonksiyonunu adım adım kurabilir, tam olmayan denklemleri uygun bir integral çarpanıyla tamlaştırabilir ve bu yöntemlerin nerede çalışmadığını açıklayabilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Eş-Yükselti Eğrileri ve Korunan Büyüklük

  2. Tanım: Tam Diferansiyel ve Potansiyel Fonksiyonu

  3. Tamlık Testi: $M_y = N_x$ Teoremi ve İspatı

  4. $\psi$'yi Bulma Algoritması

  5. Çözümlü Örnek 1: Tam Denklem ve Başlangıç Koşulu

  6. Çözümlü Örnek 2: Eyer Eş-Yükseltileri ve Çarpım Kuralının Tersi

  7. Tam Olmayan Denklem ve İntegral Çarpanı

  8. Çözümlü Örnek 3: $\mu(x)$ ile Tamlaştırma

  9. Çözümlü Örnek 4: $\mu(y)$ ile Tamlaştırma

  10. Sınır Durumları: $\mu(x,y)$ ve Bölge Koşulu

  11. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  12. Özet ve Simülasyonda Dene

Anahtar terimler

Tam diferansiyel denklem (exact equation)
$M\,dx + N\,dy = 0$ ifadesinin sol tarafı bir $\psi(x,y)$ fonksiyonunun diferansiyeli ise denklem tamdır; genel çözüm $\psi(x,y) = C$.
Potansiyel fonksiyonu (potential function)
$\psi_x = M$ ve $\psi_y = N$ koşullarını sağlayan $\psi(x,y)$; çözüm eğrilerinin eş-yükselti eğrileri olduğu fonksiyon.
Tamlık testi
$M$, $N$, $M_y$, $N_x$ sürekli ve bölge basit bağlantılı iken $M\,dx + N\,dy$'nin tam olması için gerek ve yeter koşul $M_y = N_x$.
Eş-yükselti eğrisi (level curve)
$\psi(x,y) = C$ ile verilen eğri; $\psi$ bu eğri boyunca sabittir ve tam denklemin bir çözümüdür.
İntegral çarpanı (integrating factor)
Tam olmayan bir denklemi çarpınca tam yapan $\mu(x,y) \ne 0$ fonksiyonu; $(\mu M)_y = (\mu N)_x$ koşulunu sağlar.
Tek değişkenli çarpan sınaması
$(M_y - N_x)/N$ yalnızca $x$'e bağlıysa $\mu(x)$, $(N_x - M_y)/M$ yalnızca $y$'ye bağlıysa $\mu(y)$ vardır ve $\mu'/\mu$ bu ifadeye eşittir.
$h(y)$ terimi
$\psi_x = M$'yi $x$'e göre integre ederken ortaya çıkan, $y$'nin keyfi fonksiyonu olan integral sabiti; $\psi_y = N$ ile belirlenir.
Basit bağlantılı bölge (simply connected region)
İçinde delik bulunmayan bölge; tamlık teoremi ve Poincaré lemması bu bölgelerde $M_y = N_x$'ten global potansiyel çıkarır.

Örnek soru

Aşağıdaki diferansiyel denklemlerden hangisi tamdır (exact)?

  1. $(2x + y)\,dx + (x + 2y)\,dy = 0$
  2. $y\,dx - x\,dy = 0$
  3. $2xy\,dx + y^2\,dy = 0$
  4. $y^2\,dx + x^2\,dy = 0$
  5. $x\cos y\,dx - x^2\sin y\,dy = 0$

Doğru cevap: A

Çözüm

1. Tamlık testi $M_y = N_x$'tir.
2. A şıkkında $M = 2x + y$, $N = x + 2y$; $M_y = 1 = N_x$. A şıkkı tamdır ($\psi = x^2 + xy + y^2$).
3. B: $M_y = 1$, $N_x = -1$. C: $M_y = 2x$, $N_x = 0$. D: $M_y = 2y$, $N_x = 2x$. E: $M_y = -x\sin y$, $N_x = -2x\sin y$. Hiçbiri eşit değildir.
4. D en güçlü çeldiricidir: iki türev de "benzer" görünür ama $2y \ne 2x$ olduğundan denklem tam değildir.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular