Diferansiyel Denklemler · 1. Ünite: Birinci Mertebeden Diferansiyel Denklemler

Temel Kavramlar ve Sınıflandırma

Bir sıvının soğuması, bir sarkacın salınımı, bir popülasyonun büyümesi gibi olayların ortak yönü, bilinmeyen bir fonksiyonun kendisini değil değişim hızını bir kuralla vermeleridir. Böyle bir kural bir diferansiyel denklemdir ve "çözmek" bu kurala uyan fonksiyonları bulmak demektir. Bu konuyu bitirdiğinde bir denklemi mertebesine, lineerliğine ve türüne göre sınıflandırabilir, bir fonksiyonun çözüm olup olmadığını doğrulayabilir, başlangıç değer problemini kurabilir ve varlık–teklik teoreminin neyi garanti edip neyi etmediğini yorumlayabilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Hızın Kuralı Verildiğinde Fonksiyonu Bulmak

  2. Tanım: Diferansiyel Denklem, Mertebe ve Tür

  3. Çözüm, Genel Çözüm ve Başlangıç Değer Problemi

  4. Eğim Alanı: Çözümü Çözmeden Görmek

  5. Varlık ve Teklik Teoremi

  6. Çözümlü Örnek 1: Sınıflandırma

  7. Çözümlü Örnek 2: Çözümü Doğrulama ve IVP

  8. Çözümün Tanım Aralığı: Başlangıç Koşuluna Bağlı ve Sonlu Olabilir

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Simülasyona Bağlantı

Anahtar terimler

Diferansiyel denklem (differential equation)
Bilinmeyen bir fonksiyon ile türevleri arasındaki bağıntı.
Mertebe (order)
Denklemde görünen en yüksek türevin mertebesi; derece (degree) ile karıştırılmamalıdır.
Lineer denklem (linear equation)
y ve türevlerinin yalnızca birinci kuvvette, çarpımsız ve katsayıları x'e bağlı olarak göründüğü denklem.
Genel / özel çözüm (general / particular solution)
Keyfi sabit içeren çözüm ailesi / sabite değer verilerek seçilen tek çözüm.
Örtük çözüm (implicit solution)
y'ye göre çözülmemiş bir Φ(x, y) = 0 bağıntısı; türevlenebilir bir y(x) tanımladığında çözümdür.
Başlangıç değer problemi (initial value problem)
Bir denklem ile x₀ noktasındaki koşul(lar)ın birlikte verildiği problem; keyfi sabitleri belirler.
Eğim alanı (direction field)
Her (x, y) noktasında y′ = f(x, y) eğimini gösteren çizgi parçaları; çözüm eğrileri bunlara teğettir.
Sabit (denge) çözüm (constant / equilibrium solution)
y′ = g(y) için g(c) = 0 olduğunda y = c doğrusu; eğim alanında yatay çizgiler.
Varlık–teklik teoremi (existence–uniqueness theorem)
f ve ∂f/∂y sürekliyse IVP'nin yerel olarak bir ve yalnız bir çözümü olduğunu söyleyen teorem.
Tanım aralığı (interval of validity)
Başlangıç noktasını içeren ve çözümün türevlenebilir olduğu en geniş açık aralık.

Örnek soru

$(y'')^3 + y' = x$ denkleminin mertebesi ve derecesi sırasıyla nedir?

  1. Mertebe $3$, derece $2$
  2. Mertebe $2$, derece $1$
  3. Mertebe $3$, derece $1$
  4. Mertebe $1$, derece $3$
  5. Mertebe $2$, derece $3$

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Mertebe, denklemde görünen en yüksek türevin mertebesidir: en yüksek türev $y''$ olduğundan mertebe $2$.
2. Derece, bu en yüksek türevin kuvvetidir: $(y'')^3$ olduğundan derece $3$.
3. Sonuç: mertebe $2$, derece $3$ (E şıkkı). Denklem ayrıca lineer değildir, çünkü türevin küpü vardır.
4. En güçlü çeldirici D şıkkıdır: kuvveti mertebe sanmak ve mertebe ile dereceyi yer değiştirmek. A ve C şıkları ise $3$'ü mertebe olarak okur.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular