Çalışma Soruları –2 1/18 Diferansiyel Denklemler I
Çalışma Soruları –2 29.10.2014
A. Aşağıda istenilenleri elde ediniz!
1. (xey+x dy). +(ey+ky dx). = denkleminin tam diferansiyel denklem olabilmesi için 0 uygun k sayısını belirleyiniz. Bu k sayısı için tam diferansiyel denklemin genel çözümünü bulunuz.
2. a nın hangi değeri için m =
(
x2+y2)
a: xdy-(x2+y2+y dx). = denkleminin (tam 0 diferansiyel hale getiren) bir integrasyon çarpanı olur? belirleyiniz, bu çarpanı kullanarak denklemin çözümünü bulunuz.B. Aşağıda verilen denklemlerin; “hangi tip denklem olduklarını (nedenleri ile belirterek) belirleyiniz! “tüm çözümlerini (genel çözüm ve varsa tekil çözümlerini) çözümün geçerli olduğu değişkenlerin tanım aralıklarını da vererek” bulunuz.
1. 2 1 . 2 .
(xy )dx (x y ny dy) 0
+x + - =
2. y¢ +ycotx=sin 2x
3. dy+(y-sin ) cosx x dx. = 0 4. ( cosx y-sin2 y dy). -siny dx. = 0
5. y
x y ny
y
+ =
¢
6. (y-5 )x dx. + -(x 5 )y dy. = 0
7. 2 1
tan 1
cos
y y
y x
¢ - =
8. cos
y y
x y
¢ = - +
9. 1.. .
(y x )dx (x y dy) 0
- +x + + =
10. (
0 ) .
) . (
(x n xy xy dy) (y n xy xy dx)
x y x y
- + - =
+ +
Çalışma Soruları –2 2/18 Not: Çözümler-Yol göstermeler kontrol amaçlıdır, yazım hatası - eksiklikler vs.. olabilir..
kendi çözümlerinizle mutlaka karşılaştırınız..
Çözümler…
(son güncelleme : 29.10.2014)
………
Önbilgi .1 (Bazı Diferansiyeller)
Tablo
d u. x u.
u d y
x dy
¶ ¶
= +
¶ ¶ , u=u( , )x y
1 d( )xy =y d. x+x.dy
2 d(x2y2)=2
(
x.dxy.dy)
3
. .
( )y x d 2
x
y y d
d x
- x
=
4
. .
2 2
(arctan ) x d y d
d x
y y
x y
x
= - +
………
Çalışma Soruları –2 3/18
………
Önbilgi .2 (İntegrasyon Çarpan Araştırması)
Tablo
.d N. 0
M x+ dy= Denk. için m İntegrasyon Çarpanı Araştırması
Koşullar integrasyon çarpanı Açıklamalar
1 ( )
N x M
y x
N j
¶ ¶
¶ - ¶ = m=m( )x =eòj( )x.dx
( )x j (yalnızca x-e bağlı)
bir fonksiyon
2 ( )
N x M
y y
M j
¶ -¶
¶ ¶ =
-
.
( )y e j( )y dy
m=m = ò
( )y j (yalnızca y-ye bağlı)
bir fonksiyon
3 ( )w
w N
x N x
M y
M w y
j
¶ -¶
¶ ¶ =
¶ - ¶
¶ ¶
.
( )w e j( )w dw
m=m = ò
( , ) w=w x y
(hem x-e hem y-ye bağlı), ( )w
j
(yalnızca w-ya bağlı) bir fonksiyon
Not.
1.durum: yalnızca x-e bağlı;
2.durum: yalnızca y-ye bağlı;
3.durum: hem x-e hem y-ye bağlı
üïïï ï ïï
: integrasyon çarpanı araştırmalarında kullanılacaktır!
………
Çalışma Soruları –2 4/18 A1. (xey+x dy). +(ey+ky dx). = için 0 M dx. +N dy. = yazımından: 0
M =ey+ky N=xey+ x
üïï ï
ï
M y
y e k
¶ = +
¶ , N y 1
x e
¶ = +
¶
Denklemin Tam Dif.Denk. olabilmesi için M N x y
¶ ¶
¶ = ¶ şartı sağlanmalıdır:
ey+ =k ey+ 1 k=1 bulunur.
Şimdi (xey+x dy). +(ey+y dx). = 0 Tam Dif. Denk. in çözümünü bulalım:
. x .
d u u
u d y
x dy
¶ ¶
= +
¶ ¶
u=
ò
..M.dx+ f y( ) =ò
..(ey+y dx). + f y( )=xey+xy+ f y( ) …(A1-i)
u=
ò
..N.dy+g x( )=
ò
..(xey+x dy). +g x( ) =xey+xy+g x( ) …(A1-ii)(A1-i) ve (A2-ii) den: ( )g x = , ( )0 f y = bulunur. 0 u=xey+xy olur. Genel Çözüm u=c idi.
xey+xy=c [Genel Çözüm] I : -¥ < < ¥ x
Çalışma Soruları –2 5/18 A2. a yı belirlemek için iki yol izleyebiliriz:
I.yol: m =
(
x2+y2)
a yani m=m(x2+y2) formunda bir integrasyon çarpanı araştırması ile.II.yol: Denklemin her iki tarafını m =
(
x2+y2)
a ile çarpıp M N x y¶ =¶
¶ ¶ eşitliğinden.
I.yoldan yapalım! (İntegrasyon Çarpanı ile Tam Diferansiyel hale getirilebilen denklem)
.
2 2
( ) 0
xdy- x +y +y dx= için M dx. +N dy. = yazımından: 0
2 2
x y y
M = - - - N= x
üïï ï
ï
y 2 1 1 xN
M y
¶ = - - ¹ =¶
¶ ¶
Denklem: Tam Dif. DEĞİL!
2 2
w=x +y
ìïï ïí ïï ïî
w 2 x x
¶ =
¶ w 2 y y
¶ =
¶
Hem x-e hem y-ye bağlı integrasyon çarpanı, genel formda w=w( , )x y için aşağıdaki şekilde araştırılıyor idi:
2 2 2 2 2 2
2 1 1 2 2
(2 ) ( )
. . (2 ) 2( ) 2 ( )
M y
M N
y y
x x x y y y x
x
N y
w y x
w y
x y
¶ -¶
- - - - -
¶ ¶ = =
¶ - ¶ + + + + + +
¶ ¶
2 22 2 2 1 2 1 ( )(2 2)
. ( )
y
x y y x y w
- -
= = - = -
+ + + (y ¹ - ) 1
yukarıdaki eşitlik sonucu, yalnızca w-ya bağlı bir fonksiyon elde edildi.
O halde Önbilgi2-Tablo: 3 den
Çalışma Soruları –2 6/18
1.
2 2
.
1 1
( ) wdw nw
d N
x M
y M y w w N x
w e
w e x
e y
m - - w
¶ -¶
¶ ¶
¶ - ¶
¶ ¶ ò
= = = = =
+
ò
intergrasyon çarpanı: 2 1 2
x y
m = + .
………..,,…….
II.yol: Denklemin
(
2 2)
( 2 2 ).(
2 2)
0x x +y ady- x +y +y x +y adx=
M = - -
(
x2 y2-y)(
x2+y2)
a , N=x x(
2+y2)
a ìïïïï ïïïí ïïïï ïïïî
(
2y 1) (
x2 y2)
2 y(
x2 y2 y)(
2 2)
1M
y a x y a
a -
¶ = - - + + - - - +
¶
(
x2 y2)
2 x x2(
2 y2)
1N x
a a
a -
¶ = + + +
¶
M N
y x
¶ =¶
¶ ¶ den her iki tarafı
(
x2+y2)
a-1 e bölelim (
-2y-1) (
x2+y2)
+2ay(
- -x2 y2-y)
=x2+y2+2ax2 -2
(
y+ay+ +a 1)
x2-2(
y+ay+ +a 1)
y2= 0 y+ay+ + = a 1 0 a= - 1………..,,…….
Şimdi denklemin her iki tarafını 2 1 2
x y
m=
+ ( y¹ ) ile çarpalım ve denklemin Tam Dif. x Denk. haline geldiğini kontrol edip, çözelim.
2 x 2 (1 2 y 2). 0
dy dx
x y - +x y =
+ +
Bu son denklem için M dx. +N dy. = yazımından: 0
Çalışma Soruları –2 7/18
2 2
1 y
M y
= - -x +
2 2
N x
x y
= +
üïï ïï
ïï ïï
22 2 22...( )
x y
x y
N M
y x
¶ - + ¶
= =
¶ + ¶
Denklem: Tam Dif.
. x .
d u u
u d y
x dy
¶ ¶
= +
¶ ¶
u=
ò
..M.dx+ f y( )..
1
2 .
2 ( )
I
x y dx f y
x y
=
= - - +
ò
+
arctan x ( )
x f y
- y+
=- …(A2-i)
u=
ò
..N.dy+g x( ) .. .. 2
2 2 ( )
I
x dy g x
x y
=
= +
ò
+
arctanx ( ) y g x
- +
= …(A2-ii)
I1 için 1 .. 2 2 .. 1
2
1 1
( )
a 1
arct n
y dx y dx k
x y x y
y
I x
= - = y = +
+ +
ò ò
- ,I2 için benzer şekilde I2 arctan y 2 x k
= + bulunur, “ 1
arctan arctan k 2
k
+ =p ” özelliğinden
3
2 3
diyelim
2 arctan arct
2 ( an
( ) )
k
x x
I k k
y y
p
=
= - + + =- +
yazılabilir.
(A2-i) ve (A2-ii) den: ( )g x = - , ( ) 0x f y = bulunur.
arctanx
x y
u= - - olur. Genel Çözüm u= -c idi.
0
y = , y¹ için çözüm araştırması: x
arctanx
x c
+ y= [Genel Çözüm]
I : y ¹ , y0 ¹ x
Çalışma Soruları –2 8/18 0
y = denklemi sağlamaz dolayısıyla çözüm değildir. y¹ denklemin çözümleridir. x Genel çözüme dikkat edilirse, bu çözümler denklemin birer Tekil-Çözümü olduğu görülür (gözlemleyiniz!).
B1. (Tam Diferansiyel denklem)
. .
2 1 2
(xy )dx (x y ny dy) 0
+x + - = için M dx. +N dy. = yazımından: 0
2 1
M xy
= + x
x y2 y N= -n
üïï ï ï
M 2xy Ny x
¶ ¶
= =
¶ ¶
Denklem: Tam Dif.
. x .
d u u
u d y
x dy
¶ ¶
= +
¶ ¶
u=
ò
..M.dx+ f y( ) .. 2 1 .(xy )dx f y( )
=
ò
+x +2 2 . . . ( ) 2
x y n x f y
= + + …(B1-i)
u=
ò
..N.dy+g x( )=
ò
..(x y2 -ny dy). +g x( ).. .
.1
2 2
2 ( )
I
x y ny dy g x
=
= +
ò
+2 2
2 ( )
x y -y ny + +y g x
= …(B1-ii)
(I1 için kısmi integrasyon ile: I1=y ny - + bulunur (inceleyiniz!).) y k1
(A1-i) ve (A1-ii) den: g x( )=n x. . . , f y( )= -y y ny bulunur.
2 2 .. . 2
x y n y
u= + x + -y ny olur. Genel Çözüm u=c idi.
. . .
2 2
2
x y +n x + -y y ny = c [Genel Çözüm]
I : x ¹0, 0y >
Çalışma Soruları –2 9/18 B2. (Lineer Diferansiyel denklem)
cot sin 2
y¢ +y x= x , y¢ +p( )x y=q( )x p x( )=co xt , si 2q(x)= n x
I.yol: y=uv dönüşümü yaparak:
y=uv, u=u x( ), v=v x( ) cot sin 2 y¢ +y x= x
y¢=u v uv¢ + ¢
üïï ï ï
0
cot . ( (cot ). ) sin2
uv uv x uv v u x u uv x
=
¢ + ¢+ = ¢+ + ¢=
cotu¢ + x u. = 0
( ). cot . (sin ) 1
sin
dx x
p x dx n x
u=e-ò =e-ò =e- = x (dikkat, integral sabiti 0 seçiliyor)
uv¢=sin 2x v¢=sin sin 2x x . .
.1
sin sin 2
I
x x d
v x
=
=
ò
I1 integralini hesaplayalım:
. . .
1 2sin2xcos
I =
ò
x dx sin x=t dönüşümü uygulanırsa . 1 dx cos dt
x
æ ö÷
ç = ÷
ç ÷
çè ø :
. .
2 3 3
1 3. s
2 2 32 n
t i
t dt c x c
I =
ò
= + = + 2 3
3sin
v= x+c ( v nin tespitinde: c integral sabitini eklemeyi UNUTMAYINIZ! )
genel çözüm: y uv= den 1 . 3 .
in n
s
2si
3 x
y= xæçççè +cö÷ø÷÷
idi y uv=
2 2
3sin sin
y x c
= + x [Genel Çözüm]
I : x¹np ,n=0, 1,...
Çalışma Soruları –2 10/18 II.yol: v=eò p x( ).dx şeklinde integrasyon çarpanı bularak:
cot
. . (si
( )x dx xdx n ) sin
p n x
v=eò =eò =e = x bulunur.
Şimdi denklemin her iki tarafını v=sinx ile çarpalım:
( ) (sin . ) oldugu görülür!
sin . cos . sin s n 2i
x y vy
x y x y x x
= ¢= ¢
¢ + =
(
sinx y.)
¢ =sin sin 2x xŞimdi son denklemin her iki tarafının integralini alalım:
sin x y. =
ò
.sin sinx 2x dx. , I1 den 2 3
3sin
sinx.y= x+c
1 .2 3 .
sin 3sin
y x c
x
æ ö÷
= çççè + ÷÷ø
B3. (İntegrasyon Çarpanı ile Tam Diferansiyel hale getirilebilen denklem) ( sin ) cos . 0
dy+ y- x x dx= için M dx. +N dy. = yazımından: 0
idi y uv=
2 2
3sin sin
y x c
= + x [Genel Çözüm]
I : ,x¹np n=0, 1,...
Çalışma Soruları –2 11/18 cos sin cos
y x x x
M = -
1 N=
üïï ï
ï
cosx 0M N
x y
¶ = ¹ =¶
¶ ¶
Denklem: Tam Dif. DEĞİL!
Ancak denklem, “integrasyon çarpanı “ ile Tam Dif. denklem haline getirilebilir mi?
inceleyelim!
cos 0
1 cos M
y x
x N
x N
¶ -¶
¶ ¶ = - =
yalnızca x-e bağlı bir fonksiyon elde edildi. O halde Önbilgi2-Tablo:1 den
. cos . sin
( )
N x x M
d x
y
N dx x
e e
x e
m
¶ ¶
¶ -¶
ò ò
= = =
intergrasyon çarpanı: m( )x =esinx.
Şimdi denklemin her iki tarafını m( )x =esinx ile çarpalım ve denklemin Tam Dif. Denk.
haline geldiğini kontrol edip, çözelim.
esinxdy+ -(y sin ) cosx x e. sinx.dx= 0
Bu son denklem için M dx. +N dy. = yazımından: 0
(y sin ) cx osx e. sinx
M = -
sin x
N =e
üïï ï
ï
s . sin
co x e x N M
y x
¶ ¶
= =
¶ ¶
Denklem: Tam Dif.
Çalışma Soruları –2 12/18
. x .
d u u
u d y
x dy
¶ ¶
= +
¶ ¶
u=
ò
..M.dx+ f y( ).. .
.1
( sin ) cos . sinx ( )
I
y x x e dx f y
=
=
ò
- +.
sinx ( 1 sin ) sinx ( ) ye + - + x e + f y
= …(B3-i)
u=
ò
..N.dy+g x( ) =ò
..esinx.dy+g x( ) =yesinx+g x( ) …(B3-ii)(I1 için sin x=t dönüşünü yapılarak;
1
.. . . .. . .. .
int
1 ( )
kısmi egrasyo t
n
t t
y t e dt y e d
I =
ò
- =ò
t+ò
te dt şeklinde bulunur (inceleyiniz!).)(B3-i) ve (B3-ii) den: g x( )= - +( 1 sin )x e. sinx, ( )f y = bulunur. 0
u=yesinx+ - +( 1 sin )x e. sinx=(y- +1 sin )x e. sinx olur. Genel Çözüm u=c idi.
B4. (İntegrasyon Çarpanı ile Tam Diferansiyel hale getirilebilen denklem)
.
( cosx y-sin2 y dy) -siny dx. = için 0 M dx. +N dy. = yazımından: 0
sin M = - y
cos sin2
x y y
N= -
üïï ï
ï
cosy cosN x
y y
¶M = - ¹ =¶
¶ ¶
Denklem: Tam Dif. DEĞİL!
Ancak denklem, “integrasyon çarpanı “ ile Tam Dif. denklem haline getirilebilir mi?
inceleyelim!
(y- +1 sin )x e. sinx =c [Genel Çözüm] I : -¥ < < ¥ x
Çalışma Soruları –2 13/18 cos cos 2cos
sin sin 2cot
y y y
y y N
M
y x
M y
¶ -¶
- -
¶ ¶ = = - = -
-
yalnızca y-ye bağlı bir fonksiyon elde edildi. O halde Önbilgi2-Tablo:2 den
2cot 2 (si
2
. n )
. 1
( ) sin
d y
M
y y
M dy
N x
n y
y e e e
m y
¶ -¶
¶ ¶
- -
ò - ò
= = = =
intergrasyon çarpanı: ( ) 12 sin y
m y = .
Şimdi denklemin her iki tarafını ( )m y ile çarpalım ve denklemin Tam Dif. Denk. haline geldiğini kontrol edip, çözelim:
cos2 . 1
( 1)
i . 0
s n sin
x y
dy dx
y - - y = ( sin y ¹ ) 0
Bu son denklem için M dx. +N dy. = yazımından: 0
1 M sin
= - y
2
cos 1 sin
N x y
= y -
üïï ï ï
cos2sin
M y
y N
y x
¶ = =¶
¶ ¶
Denklem: Tam Dif.
. x .
d u u
u d y
x dy
¶ ¶
= +
¶ ¶
Çalışma Soruları –2 14/18
u=
ò
..M.dx+ f y( ) .. 1 .sin dx f y( )
= -
ò
y + ( )sin
x f y
y+
=- …(B4-i)
u=
ò
..N.dy+g x( ).. cos2 1. ( ) (xsin y )dy g x
=
ò
y - +.. .
1
2 .
cos ( )
sin
I
y x y dy g x
y
=
- +
= +
ò
( ) sin
y x g x
- - y+
= …(B4-ii)
(I1 için sin y= dönüşünü yapılarak; sonuçta t 1 1 1
sin k
I = - y+ bulunur (inceleyiniz!).)
(B4-i) ve (B4-ii) den: g x = , ( )( ) 0 f y = - bulunur. y
sin x
u= - -y y olur. Genel Çözüm u= -c idi.
y=np için çözüm araştırması:
Denklemi sağlar (gözlemleyiniz!) dolayısıyla denklemin bir çözümüdür. Genel çözüme dikkat edilirse, Tekil-Çözümü olduğu görülür (gözlemleyiniz!).
B5. ( x-e göre Lineer Diferansiyel denklem) x y ny y
y
+ =
¢
1
dx x ny
dy-y = dx p y( ) ( )
y x q y
d + = ( ) 1
p y = - , y q y( )= ny
integrasyon çarpanı bulma metodu ile çözelim:
sin
y x c
+ y= [Genel Çözüm]
I : ,y¹np n=0, 1,...
Çalışma Soruları –2 15/18
1
( ).dy y.dy ny 1
e p y e e
v y
-ò -
= ò = = = bulunur.
Şimdi lineer denklemin her iki tarafını 1
v= y ile çarpalım: ( dx x¢ =dy )
( )
2
1 oldugu görülür!
1 1
yx vx
x x ny
y y y
æ ö÷¢ ç ÷
= ¢=çççè ø÷÷
¢- =
(y ¹ ) 0
1 ny
yx y
æ ö÷¢
ç ÷ =
ç ÷
ç ÷
çè ø
Şimdi son denklemin her iki tarafının integralini alalım:
. .
.1
1 1
I
ny d
yx y
y
=
=
ò
I hesaplanırsa: 1 1 1 2 1
2 n 2
I = y+ c bulunur (inceleyip, ara işlemleri yapınız!).
1 2
2
1x n y c
y = +
B6.
I. yol : Homojen denklemden çözüm bulunabilir!
II.yol : B1 deki yapılanlara benzer şekilde Tam Dif. denklemden çözüm bulunabilir!
III.yol : Gruplandırma: Önbilgi1-Tablo: 1 ve 2 den yararlanarak
x=yæçèçç.12n y c2 + ÷..ö÷ø÷ [Genel Çözüm]
I : y > 0
Çalışma Soruları –2 16/18
. .
(y-5 )x dx+ -(x 5 )y dy= 0
2 2
1 ( )
( ) 2
5 ( ) 0
d x y d xy
ydx xdy xdx ydy
= =
+
+
- + =
5 2 2
( ) ( ) 0
d xy -2d x +y = 5 2 2
( ) 0
( 2 )
d xy- x +y =
B7. (Özel formda Lineer Denklem haline getirilebilen)
Bu denklem, aşağıdaki dönüşüm ile lineer hale daha getirilebilir:
2
1 tan
os 1
c
y 1
x y
y ¢- =
tan y= , z z=z x( )
( )
2
1 cos
1 tan2 y
y y z
=
+ ¢= ¢
1 1
z z
¢-x = (lineer denklem) elde edilir.
( ) ( ) y¢ +p x y=q x
( ) 1
p x = - , x q x( )= 1
Şimdi lineer denklemi, z=uv dönüşümü ile çözelim :
z=uv, ( )u=u x , ( )v=v x
1 1
z z
¢-x = z¢=u v uv¢ + ¢
üïï ïï
ïï ïï
0
1 1
1
. ( . )
v v v
u uv u u u uv
x x
=
¢ + ¢- = ¢- + ¢=
1. 0
u u
¢-x =
( ). .
1xdx x
p x dx n
e e e
u= -ò = ò = =x
(dikkat, integral sabiti 0 seçiliyor)
5 2 2
( )
xy-2 x +y = c [Genel Çözüm] I : -¥ < < ¥ x
Çalışma Soruları –2 17/18
uv¢= 1 1
v¢= x .1. x dx v=
ò
v=n x. . +c ( v nin tespitinde: c integral sabitini eklemeyi UNUTMAYINIZ! )
genel çözüm: z=uv den z=x
(
n.x.+c)
(2 1) / 2
y= n- p için çözüm araştırması: diferansiyel denklemi sağlamadığı için çözüm değildir.
B8. Gruplandırma: Önbilgi1-Tablo: 1 den yararlanarak
cos y y
x y
¢ = -
+ .
( )
5
cos0
d xy
ydx xdy
y dy=
+ + =
ò
.d xy( )= -ò
..cosy dy.B9.
I. yol : B1 deki yapılanlara benzer şekilde Tam Dif. denklemden çözüm bulunabilir!
II.yol : Gruplandırma: Önbilgi1-Tablo: 1 ve 2 den yararlanarak
. . .
(y x 1)dx (x y dy) 0
- +x + + =
2 2 . .
1 ( ) ( )
( ) 2 .
1 0
( )
d xy d x y d n x
ydx xdy xdx ydy dx x
- =
= =
-
+ + - + + =
tan idi
z= y
tany=x n x
(
. . .+ c)
[Genel Çözüm]I : x ¹0,y¹(2n-1) / 2 ,p n=0, 1,...
xy=-siny c+ [Genel Çözüm] I : y¹arccos(- x)
Çalışma Soruları –2 18/18
1 2 2
( ) ( ) ( ) 0
d xy -2d x -y +d nx = 1 2 2 .. .
( ) 0
d xyç -æçèç 2 x -y +n xö÷÷÷ø=
B10. Gruplandırma:
( ) . 0
) . (
(x n xy xy dy) (y n xy xy dx)
x y x y
- + - =
+ +
n xy( )
[
xdy ydx]
xydx xydyx y
+ = +
+
[ ] [ ]
( ) ( )
( )
d xy d x y
n xy xdy ydx xy dx dy x y
= = +
+ = +
+
) ( ) ( ) )
( (
n xy d xy x y d x y xy
= + +
şimdi her iki tarafın integrali alınırsa, 2 1
. nu. n u2
du k
u
= +
ò
(inceleyip, ara işlemleriyapınız!) ve
2
. . 2
2 wdw=w +k
ò
bilgilerinden;2 ( )2
2 2 2
( )
n xy x y c
+
= + bulunur.
1 2 2 . . .
( )
xy-2 x -y +n x = c [Genel Çözüm]
I : x ¹0
n xy2( )=(x+y)2+c [Genel Çözüm]
I : y¹ - , x xy > 0