8. SAYISAL TÜREV ve İNTEGRAL =Değişimin matematiği Mühendisler değişen sistemler ve süreçlerle sürekli olarak uğraşmak zorunda oldukları için türev ve integral kavramları mesleğimizin temel araçları arasındadır. t x Bağımlı değişkenin / bağımsız değişken X t Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 1 Türev Tanımı: (matematikte), fark (difference) yaklaşımı idi • Diferansiyel, farkları belirlemek, ayırmak anlamına gelir f ( xi x) f ( xi ) f x x f ( xi x) f ( xi ) f ( x) f ' ( x) lim x x x 0 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 2 Mühendislikte türev •Mühendislikte bir çok yasa ve genelleştirme, fiziksel dünyada karşılıkları olan değişimlerin tahmin edilmesi esasına dayanmaktadır. •Newton’un ikinci yasası temel bir örnek olup, bir cismin konumuyla değil, konumunun zamana göre değişimiyle ilgilenmektedir v= dX/dt •Isı geçişleri, sıcaklık farkına bağlı olarak, akım yasası potansiyel farkına bağlı olarak ifade edilir. • Benzer şekilde, L,C elemanlarının uç denklemleri; dvc d iL VL=L , ic=C dt dt Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 3 İntegral Tanımı Yüksek matematikte diferansiyelin ters işlemi; integraldir Birleştirme, biraraya getirme, toplama(sum) f(x) f(xi)dx Sum [ f(x)dx dilimleri ] S 200 f (x)dx f(xi)dx 0 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 4 Mühendislikte integral: (fonksiyonuneğrinin altında kalan alan) (a) (b) Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 (c) 5 8.1) Sayısal Türev 8.1.1. İki noktalı basit türev yaklaşımları a) Geri Fark Yaklaşımı f ' ( xi ) f(xi ) f(xi -h) f ( xi ) f ( xi h) f x h (8.4) Geri Fark Formülü h= x xi -h xi Şekil.8.2. Geri Fark Yaklaşımı Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 6 8.1.1. İki noktalı basit türev yaklaşımları a) İleri Fark Yaklaşımı f ' ( xi ) f(xi +h) f(xi ) f ( xi h) f ( xi ) f x h (8.5) İleri Fark Formülü h= x xi xi+h Şekil.8.3. İleri Fark Yaklaşımı b) Merkez Fark Yaklaşımı x 2h f(xi +h) f(xi ) f(xi -h) f ' ( xi ) h xi-h (8.6) Merkez Fark Formülü h xi f ( xi h) f ( xi h) f x 2h xi+h Şekil.8.4. Merkez Fark Yaklaşımı Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 7 Örnek: y=x2 işlevinin x=2’deki türevini h=0.1 kullanarak her üç yöntemle yaklaşık olarak bulunuz. a) İleri fark yöntemiyle 2 f (2 0.1) f (2) 2.1 2 2 f ' 2 4.1 0.1 0.1 b) Geri fark yöntemiyle 2 2 f (2) f (2 0.1) 2 1.9 f ' 2 3.9 0.1 0.1 c) Merkez fark yöntemiyle 2 f (2 0.1) f (2 0.1) 2.1 1.9 2 f ' 2 4 0.2 0.2 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 8 8.1.2. Taylor Serisi yardımıyla çok noktalı türev yaklaşımları İki noktalı türev yaklaşımları h1 f ' ( xi ) h 2 f ' ' ( xi ) h n f n ( xi ) f ( x i h) f ( x i ) ................................. 1! 2! n! -4 + h1 f ' ( xi ) h 2 f ' ' ( xi ) f ( x i h) f ( x i ) 1! 2! f ( x i 2h) 1 2 2h f ' ( x) 2h f ' ' ( x) f (x ) i 1! Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 2! 9 İki noktalı türev yaklaşımları : Taylor serisi için ileri fark yöntemi + h 2 f ' ' ( xi ) 4 f ( xi h) 4 f ( xi ) 4hf ' ( xi ) 4 2 4h 2 f ' ' ( x ) f ( xi 2h) f ( xi ) 2hf ' ( xi ) 2 1 f ' ( xi ) = 3 f ( xi ) 4 f ( xi h) f ( xi 2h) 2h veya kısaca 1 f i' = 3 f i 4 f i 1 f i 2 2h Taylor serisi için ileri fark formülü Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 10 b) Aynı işlemler, geriye (xi-1 noktasına ) doğru yapılırsa fi+2 fi+1 fi fi-1 fi-2 h xi-2 xi-1 h xi xi+1 xi+2 Şekil.8.5. Taylor Serisi yardımıyla iki noktalı türev yaklaşımları Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 11 İki noktalı türev yaklaşımları : Taylor serisi için geri fark yöntemi h f ' ( x i ) h 1 f (x i h) f (x i ) f ( x i 2h) 1! f ' ' (x i ) 2! 1 2 2h f ' ( x) 2h f ' ' ( x) f (x ) i 1! 1 fi = 3 f i 4 f i 1 f i 2 2h ' 2 2! Taylor serisi için geri fark formülü Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 12 Üç noktalı türev yaklaşımları Taylor serileri 3. dereceden kuvvetlerine kadar açılarak ve yine taraf tarafa yok etme işlemleri kullanılarak 1. 2. ve 3. dereceden türevleri yaklaşık olarak bulunabilir. Buradan f i' = 1 11 f i 18 f i 1 9 f i 2 2 f i 3 6h f i '' = 1 2 f i 5 f i 1 4 f i 2 f i 3 h2 f i ''' = 1 f i 3 f i 1 3 f i 2 f i 3 h3 (8.15) (8.16) (8.17) Ödev: Taylor serisine açarak bu denklemleri ispatlayın Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 13 Örnek: f(x)=ex-2 işlevinin x=2 noktasındaki yaklaşık türevini gördüğümüz yöntemlerle bulunuz. ( h=0,1 Analitik çözüm: f ' (2) e 22 1 ) Çözüm: İki noktalı ileri farkla çözüm f i f 2 e 22 1 f i 1 f 2 0,1 e 2.12 e 0.1 1.105179 , f i' = f i 2 f 2 0,2 e 2.22 e 0.2 1.22140 1 1 3 *1 4 *1,105179 1.22140 =0.9964 3 f i 4 f i 1 f i 2 olduğundan, f i ' = 2h 2 * 0.1 Basit ileri farkla çözüm; f (2,1) f (2) e 0.1 e 0 f i 2 = 1,0517 h 0.1 ' Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 14 Örnek (devam) İki noktalı geri farkla çözüm f i f 2 e 22 1 f i 1 f 2 0,1 e1.92 e 0.1 0,90483 , f i' = 1 3 f i 4 f i 1 f i 2 2h f i 2 f 2 0,2 e1.82 e 0.2 0.81873 olduğundan, f i ' = 1 3 *1 4 * 0,90483 0.81873 =0.99705 2 * 0.1 Basit geri farkla çözüm; f (2) f (1,9) e 0 e 0.1 1 0,90483 f i 2 = 0,9516 0. 1 h 0.1 ' Merkez farkla çözüm; f (2,1) f (1,9) e 0,1 e 0.1 1,10517 0,90483 f i 2 = 1,001 0.2 h 0.2 ' Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 15 8.2) Sayısal İntegral f(x)=T x= t Şekil.8.6. Bir sisteme ait 1’er dakika aralıklarla alınmış ayrık sıcaklık verileri Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 16 2 Örnek: 0 2 cos 1 x 3/ 2 1 0.5 sin x e 0.5 x dx f(x) x 0.25 0.75 1.25 1.75 f(x) 2.599 2.414 1.945 1.993 x 0 0.25 0.75 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 1.25 1.75 17 8.2.1. Basit İntegral Yaklaşımları Alt Değer Yaklaşımı f (x) f (xi+h) f(xi) xi h f x dx I A f xi h xi xi xi+h x Şekil.8.8. Alt Değer Yaklaşımı Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 18 Üst Değer Yaklaşımı Orta Nokta Yaklaşımı f (x) f (x) f (xi+h) f(xi) xi xi h xi f(xi ) xi+h x f x dx I Ü f xi h h xi f(xi+h/2 ) xi+h/2 f (xi +h) xi +h h I Ü f xi h 2 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 19 x 8.2.2. Newton-Cotes Formülleri b b a a f n x =ao+a1x+........anxn I f x dx f n x dx 8.2.2.1. Trapez (Yamuk) Kuralı b,f(b) f1(x) doğrusal interpolasyon a, f(a) b I= [f(a)+ f (b) f (a ) ( x a )]dx ba f1 x = f(a)+ f (b) f (a ) ( x a) ba I=(b-a)* f (b) f ( a ) 2 a Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 20 Trapez (Yamuk) Kuralı f (x) f (b) f(a) I=Taban * ortalama yükseklik I=(b-a)* f (b) f ( a ) a Taban b x Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 2 21 Trapez kuralı’nın tekli uygulaması Örnek: f(x) = 0.2+25x-200x2+675x3-900x4+400x5 işlevinin x=0’dan 0.8’e kadar trapez kuralı ile integralini alın. (İntegralin analitik çözümü:1.640533) f(x) - Çözüm: İşlevin verilen noktalardaki değerleri; 2.0f(0)=0.2, f(0.8)=0.232 bulunur . Eşitlikte yerine koyulursa 0 I=(b-a)* f (b) f (a) 0.8 0.2 0.232 0.1728 bulunur. 2 Hata 2 - Hata Et=1.640533-0.1728=1.467733 . 0.8 x İntegral Tahmini Sonuç %89.5 bağıl hatayla bulunmuştur. Şekil.8.12. Aralığın büyük seçilmesi sonucu integral hatası(Chapra S.,Canale,R., 2003) Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 22 Trapez kuralı’nın çoklu uygulaması fn fn-1 h I1= ( f o f 1 ) , 2 f2 h I2= ( f 1 f 2 ) 2 f1 f0 I1 x0 I2 x1 I=I1+I2+................In Burada h 1980’lerde Türkçemize giren deyim; “toplanıp Voltranı oluşturmak” x2....... xn-1 xn Şekil.8.13. Çoklu uygulamalarda trapez kuralı h I= ( f o f1 f1 f 2 f 2 f 3 ............... f n 2 f n 1 f n 1 f n ) 2 n 1 h I= ( f o f n 2 f k ) 2 k 1 Trapez kuralının çoklu uygulaması için genelleştirilmiş formül Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 23 Örnek: Kalbin pompaladığı kan debisini ölçmek için kullanılan standart teknik, Hamilton tarafından geliştirilen indikatör seyrelmesidir. Küçük bir sondanın bir ucu radyal bir atardamara sokulur ve diğer ucu kan içindeki boyanın (indikatör) derişikliğini otomatik olarak kaydedebilen bir yoğunluk ölçere bağlanır. Bilinen miktarda boya (5.6 mg) hızlı bir şekilde enjekte edilir ve Tablo’daki veriler alınır. M C= * 60 , Burada C kalp debisi [L/dakika], A M=enjekte edilen boya miktarı (mg), 60=dakikayı saniyeye çeviren katsayı (s/dakika) ve A= eğrinin (Analistler tarafından düzeltilmiş haliyle!) altında kalan alandır ((mg/L)*s). Derişim Boya seyrelmesinde elde edilen bu sonuçların grafiği Şekil’de görülmektedir. Derişim 15 sn civarında en yüksek değere ulaşmakta, daha sonra düşmektedir ve bu düşüşü yeniden dolaşan boya nedeniyle bir artış izlemektedir. Yeniden dolaşımın etkisini gözardı etmek için analistler derişim eğrisini düz bir doğru şeklinde 10 fD(t) uzatırlar. Bu durumda derişim ( fD(t) ): t=23. 9 saniyede 1.1, t=25. saniyede 0.9, t=27. saniyede 8 0.45 ve t=29. saniyede 0 olmaktadır. Daha 7 sonra kalp çıktısı (cardiac output) şöyle 6 5 hesaplanabilmektedir; 4 3 2 1 0 -1 0 5 10 15 20 25 30 35 Enjeksiyon Sonrası Zaman (s) Şekil. t1=5. ile t13=29. saniyeler arasında, 2s adım büyüklüğüyle, trapez kuralınının çoklu uygulamasını kullanarak bu hastanın kalp debisini hesaplayın. n 1 h (Trapez formülü : I= (f 1 f n 2 f k ) ) 2 Serhat YILMAZ, Elektronik ve k 2 Hab,Kocaeli Ün.,2007 24 40 Çözüm:adım büyüklüğü h=2 sn n 1 h f k ) idi. I= (f 1 f n 2 2 k 2 f1= f(5)=0, f2= f(7)=0.1, f3= f(9)=0.11, f4= f(11)=0.4, f5= f(13)=4, f6=f(15)=9, f7=f(17)=7.9, f8=f(19)=4.1, f9=f(21)=2.2, f10=f(23)=1.1, f11=f(25)=0.9, f12=f(27)=0.45, fn= f13=f(29)=0 29 12 2 fk ) 5 f D (t)dt A I 2 (f1 f13 2 k 2 = 0+0+2*(0.1+0.11+0.4+4+9+7.9+4.1+2.2+1.1+0.9+0.45) =60.52 mg/L 5.6 mg M Debi : C * 60 * 60 s / dakika 5.55188 L/dk A 60.52 (mg / L) * s Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 25 Soru:a) Aynı veriler ve yöntemi kullanarak kalp debisini hesaplayacak bir bilgisayar algoritması oluşturun. a) İlk Değerleri Ata b) ve programını yazın M, n,h, Toplam Yoğunlukölçerden alınıp düzeltilen tüm verileri gir f1……..fn Toplam=Toplam+f(k) E k=2 k (n 1) ? k=k+1 H b) ( n 1) f k = Toplam k2 h A f1 f n 2 * 2 ( n 1) f k2 k C=(M/A)*60 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 26 8.2.2.2.Simpson Kuralları f(x) f(x) x Şekil.8.14. 2. dereceden polinom x Şekil.8.15. 3. dereceden polinom Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 27 Simpson’un 1/3 Kuralı b b a a I f x dx f 2 x dx x2, f(x2) x3, f(x3) x1, f(x1) a=x0, b=x2’dir. x1 ise a ve b’nin ortasındaki nokta f 2 x 2. Dereceden Lagrange İnterpolasyon Polinomu x x1 x x 2 x x0 x x2 x x0 x x1 I f ( x0 ) f ( x1 ) f ( x 2 )dx x0 x1 x0 x2 x1 x0 x1 x2 x2 x0 x2 x1 xo x2 h I f x0 4 f ( x1 ) f ( x 2 ) 3 ba h= 2 I (b a ) Taban f x0 4 f ( x1 ) f ( x2 ) 6 Ortalama yükseklik Simpson’un 1/3 Kuralı (İkinci Newton Cotes İntegral Formülü) Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 28 Simpson’un 1/3 Kuralının Tekli Uygulaması: Örnek: f(x)=0.2+25x-200x2+675x3-900x4+400x5 işlevini a=0’dan b=0.8’e kadar Simpson’un 1/3 kuralıyla sayısal olarak integre edin. (İntegralin tam değeri:1.640533 idi) Çözüm: f(0)=0.2, I 0.8 f(0.4)=2.456, f(0.8)=0.232 ‘dir. Integral değeri 0.2 4(2.456) 0.232) 1.367467 6 Bu değer yamuk yöntemiyle çözüme göre daha doğru bir sonuç bulmuştur. Et=1.640533-1.367467=0.2730667, yüzde bağıl hatası %16.6’dır. Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 29 Simpson’un 1/3 Kuralının Çoklu Uygulaması: h= ba n I=I1+I2+................In h I= ( f o 4 f1 f 2 ) ( f 2 4 f 3 f 4 ) ...............( f n 2 4 f n 1 f n ) 3 ( n2) / 2 n/2 f 0 f n 4 f 2i 1 2 f 2i i 1 i 1 I= b a 3n I (b a ) Taban f x0 4 f ( x1 ) f ( x2 ) 6 Ortalama yükseklik Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 30 Örnek: : f(x) = 0.2+25x-200x2+675x3-900x4+400x5 işlevinin a=0’dan b=0.8’e kadar Simpson’un 1/3 kuralını kullanarak n=4 aralık için integre edin. (İntegralin tam değeri:1.640533 idi) Çözüm: n=4, h=(0.8-0)/4=0.2 f(0)=0.2 f(0.2)=1.288 f(0.4)=2.456 f(0.6)=3.464 f(0.8)=0.232 x0=0, x1=0.2, x2=0.4, x3=0.6, x4=0.8 0.2 0.232 4(1.288 3.464) 2(2.456) I 0.8 1.623467 12 Et=1.640533-1.623467=0.017067. Bağıl yüzde hatası %1.04 bulunur. Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 31 İlk Değerleri Ata n, b, a, h, ToplamTekler=0, ToplamÇiftler=0, f0 Program Algoritması h=0.2 aralıklarla tüm noktalarda sırayla fonksiyonun aldığı değerler bulunur f1, f2.........fn= f(0.2)........f(0.8) E i=1 i n? i=i+1 H Tek x sayıları için fonksiyonların aldığı değerlerin toplamını bul ToplamTekler=ToplamTekler+f(i) E i n / 2? i=1 i=i+1 H n/2 f 2 i 1 =Toplam Tek Sayılar i 1 Çift x sayıları için fonksiyonların aldığı değerlerin toplamını bul ToplamCiftler=ToplamCiftler+f(i) E i ( n 2) / 2 ? i=1 i=i+1 H (n2) / 2 i 1 Simpson’un 1/3 kuralının çoklu uygulaması için örnek algoritma f 2i = Toplam Çift Sayılar ( n 2) / 2 n/2 f 0 f n 4 f 2i 1 2 f 2i i 1 i 1 I b a 3n Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 32 Program Kodları Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 33 Simpson’un 3/8 Kuralı Diğer iki yöntemin türetilmesine benzer şekilde, üçüncü dereceden bir Lagrange polinomu dört noktadan geçirilebilir ve integrali alınacak f(x) işlevi yerine kullanılabilir. b b a a I f x dx f 3 x dx Üçüncü dereceden Lagrange polinomunun integrali; 3h f 0 3 f1 3 f 2 f 3 8 veya I Simpson’un 3/8 kuralı (3. Newton Cotes integral formülü): f 3 f1 3 f 2 f 3 I b a 0 8 Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 34 Sayısal Türev ve İntegralin Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde Uygulamaları Bir periyot boyunca salınan bir elektrik akımının ortalama değeri sıfır olabilir. Örneğin akımın basit bir sinüsle tanımlandığını varsayalım: i(t)=sin(2 /T). Burada T periyottur. Bu işlevin ortalama değeri aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir. 2 sin 0 T dt cos(2 ) cos 0 0 i= = T T 0 T Burada net sonucun sıfır olması gerçeğine karşın, bu akım bir iş yapabilir ve ısı üretebilir. Ortalama değeri sıfır olsa da bu tür etkilerinden dolayı etkili veya etkin akım değeri olarak adlandırılır. Bu nedenle elektik mühendisleri bu tür bir akımı genellikle aşağıdaki eşitlikle tanımlarlar. (RMS: Roots of mean square:karesel ortalamanın karekökü) : T 1 2 IRMS= i (t ) dt T 0 Burada i(t): t anındaki anlık akımdır. Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 35 Ödev: T=1sn için şekilde görülen dalganın etkin akımını trapez ve Simpson 1/3 kurallarıyla 4 ~ aa aralık için bulun. Bağıl yüzde hatayı bulun. (Gerçek değer 15.41261, % r ) a i 0 0 t T / 2 için t i(t)=10e-t/Tsin 2 , T T /2<t T için i(t)=0. T/4 T/2 t Şekil.8.18. Yarım periyot için sinüzoidal akım işareti Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 36 Ödev.2. Şekilde değişimi verilen akımın etkin değerini Simpson’un 1/3 integral formülünü kullanarak h= / 6 adımı ile hesaplayınız. Burada akım; şekilden de görüldüğü gibi / 3 ve katlarında periyodik olarak başlayan (iletime geçen), genliği 1.45A, periyodu T 2 olan sinüzoidal bir işarettir. Dolayısıyla taralı bölgeler simetrik ve alanları eşittir. n 2 / 2 n/2 f 0 f n 4 f 2i 1 2 f 2i i 1 i 1 A=(b-a) 3n T 1 2 ietkin= i ( x ) dx , T0 ba ,h= , Radyan= Derece* ) n 180 i(x) 1.45 0 4 / 3 /3 2 x (rad) -1.45 Soruyu çözecek a) algoritmayı oluşturun b) programı yazın. Serhat YILMAZ, Elektronik ve Hab,Kocaeli Ün.,2007 Kaynaklar • Müh. İçin Say. Yöntemler, CAPRA,S ve diğ., Literatür Yayınları • Sayısal Çözümleme,Aktaş Z., ODTÜ Yayınları • Applied Num. Analysis, Gerald,C.F. ve diğ. Addison Wesley Pub. • Sayısal Çözümleme Ders Notları, Bilgin, M.Z., Kocaeli Ün., Elektrik Müh. Bölümü 37