Thomas Calculus Ders Kitabı

THOMAS CALCULUS O N B ‹ R ‹ N C ‹ B George B.Thomas, Jr. Massachusetts Institute of Technology Maurice D.Weir Naval Postgraduate School Joel Hass University of California, Davis Frank R. Giordano Naval Postgraduate School Çeviren: Recep Korkmaz A S K I 2 Yayın No : 2346 Teknik Dizisi : 145 11. Baskıdan çeviri 1. Baskı - Aralık 2010 - İSTANBUL ISBN 978 - 605 - 377 - 369 - 6 Authorized translation from the English language edition, entitled THOMAS’ CALCULUS, 11th Edition by THOMAS, GEORGE B.; WEIR, MAURICE D.; HASS, JOEL; GIORDANO, FRANK R., published by Pearson Education, Inc, publishing as Addison-Wesley, Copyright © 2005 TURKISH language edition published by BETA BASIM YAYIM DAĞITIM A.Ş. Copyright © 2010 All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. Copyright© 2010 Bu kitabın Türkiye’deki yayın hakları BETA Basım Yayım Dağıtım A.Ş.’ye aittir. Her hakkı saklıdır. Hiçbir bölümü ve paragrafı kısmen veya tamamen ya da özet halinde, fotokopi, faksimile, taranarak, internet ortamında elektronik posta ile herhangi bir şekilde çoğaltılamaz, dağıtılamaz. Normal ölçüyü aşan iktibaslar yapılamaz. Normal ve kanunî iktibaslarda kaynak gösterilmesi zorunludur. Dizgi : Beta Basım A.Ş. Sayfa Düzenleme : Gülgonca Çarpık Baskı - Cilt : Kahraman Neşriyat Ofset San. Tic. Ltd. Şti. (Sertifika No: 12084) Yüzyıl Mah. Matbaacılar Cad. Atahan No: 34 K: 4 Bağcılar/İstanbul (0-212) 629 00 01 Beta BASIM YAYIM DAĞITIM A.Ş. Narlıbahçe Sok. Damga Binası No: 11 Cağaloğlu - İSTANBUL Tel : (0-212) 511 54 32 - 519 01 77 Fax: (0-212) 511 36 50 www.betayayincilik.com İÇİNDEKİLER Önsöz 11 ix Konik Kesitler ve Kutupsal Koordinatlar 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 12 Diziler 747 Sonsuz Seriler 761 İntegral Testi 772 Karşılaştırma Testleri 777 Oran ve Kök Testleri 781 Alterne Seriler, Mutlak ve Koşullu Yakınsaklık 787 Kuvvet Serileri 794 Taylor ve Maclaurin Serileri 805 Taylor Serisinin Yakınsaklığı; Hata Tahmini 811 Kuvvet Serilerinin Uygulamaları 822 Fourier Serileri 833 TEKRAR SORULARI 839 PROBLEMLER 840 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 843 Vectörler ve Uzayda Geometri 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 746 848 Üç Boyutlu Koordinat Sistemleri 848 Vektörler 853 Nokta Çarpımı (Skaler Çarpım) 862 Vektörel Çarpım 873 Uzayda Doğrular ve Düzlemler 880 Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler 889 TEKRAR SORULARI 899 PROBLEMLER 900 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 902 iii iv ‹çindekiler 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 14 Vektör Fonksiyonlar 906 Atış Hareketini Modellemek 920 Yay Uzunluğu ve Birim Teğet Vektör T 931 Eğrilik ve Birim Normal Vektör N 936 Burulma ve Birim Binormal Vektör B 943 Gezegen Hareketi ve Uydular 950 TEKRAR SORULARI 959 PROBLEMLER 960 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 962 965 K›smi Türevler 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 15 906 Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Çok Değişkenli Fonksiyonlar 965 Yüksek Boyutlarda Limitler ve Süreklilik 976 Kısmi Türevler 984 Zincir Kuralı 996 Doğrultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler 1005 Teğet Düzlemler ve Diferansiyeller 1015 Ekstremum Değerler ve Eyer Noktaları 1027 Lagrange Çarpanları 1038 Kısıtlanmış Değişkenlerle Kısmi Türevler 1049 İki Değişken İçin Taylor Formülü 1054 TEKRAR SORULARI 1059 PROBLEMLER 1060 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 1063 1067 Katl› ‹ntegraller 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 İki Katlı İntegraller 1067 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri 1081 Kutupsal Formda İki Katlı İntegraller 1092 Kartezyen Koordinatlarda Üç Katlı İntegraller 1098 Üç Boyutta Kütle ve Momentler 1109 Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç katlı İntegraller Çok Katlı İntegrallerde Değişken Dönüşümü 1128 TEKRAR SORULARI 1137 PROBLEMLER 1138 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 1140 1114 v ‹çindekiler 16 Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 Eğrisel İntegraller 1143 Vektör Alanları, İş, Dolaşım ve Akı 1149 Yoldan Bağımsızlık, Potansiyel Fonksiyonları ve Korunmalı Alanlar Düzlemde Green Teoremi 1169 Yüzey Alanı ve Yüzey İntegralleri 1182 Parametrize Yüzeyler 1192 Stokes Teoremi 1201 Diverjans Teoremi ve Bir Birleştirilmiş Teori 1211 1222 TEKRAR SORULARI PROBLEMLER 1223 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 1226 1143 1160 EK-1 Ekler A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 A.7 A.8 A.9 Matematik İndüksiyon EK-1 Limit Teoremlerinin İspatları EK-4 Sık Karşılaşılan Limitler EK-7 Reel Sayıların Teorisi EK-9 Kompleks Sayılar EK-12 Vectörel Çarpım İçin Dağılma Kuralları EK-22 Karışık Türev Teoremi ve Artma Teoremi EK-23 Bir Paralelkenarın Bir Düzlem Üzerine İzdüşümünün Alanı EK-28 Temel Cebir, Geometri, ve Trigonometri Formülleri EK-29 Cevaplar C-1 ‹ndeks ‹-1 K›sa Bir ‹ntegral Tablosu T-1 vi ‹çindekiler CALCULUS 1. K‹TAP 1 Önbilgiler 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2 Limitler ve Süreklilik 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 Reel Sayılar ve Reel Doğru 1 Doğrular, Çemberler ve Paraboller 9 Fonksiyonlar ve Grafikleri 19 Fonksiyonları Tanımlamak; Matematik Modeller 28 Fonksiyonları Birleştirmek; Grafikleri Kaydırmak ve Ölçeklemek Trigonometrik Fonksiyonlar 48 Hesap Makinesi ve Bilgisayarla Grafik Çizmek 59 68 TEKRAR SORULARI PROBLEMLER 69 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 71 Değişim Oranları ve Limitler 73 Limit Kurallarını Kullanarak Limitler Hesaplamak Bir Limitin Kesin Tanımı 91 Tek Taraflı Limitler ve Sonsuzda Limitler 102 Sonsuz Limitler ve Dikey Asimptotlar 115 Süreklilik 124 Teğetler ve Türevler 134 TEKRAR SORULARI 141 PROBLEMLER 142 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 144 Türev 38 73 84 147 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Bir Fonksiyon Olarak Türev 147 Türev Alma Kuralları 159 Bir Değişim Oranı Olarak Türev 171 Trigonometrik Fonksiyonların Türevleri 183 Zincir Kuralı ve Parametrik Denklemler 190 Kapalı Türetme 205 İlişkili Oranlar 213 Lineerizasyon ve Diferansiyeller 221 TEKRAR SORULARI 235 PROBLEMLER 235 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 240 ‹çindekiler 4 5 325 Sonlu Toplamlarla Tahminde Bulunmak 325 Toplam Notasyonu ve Sonlu Toplamların Limitleri 335 Belirli İntegral 343 Analizin Temel Teoremi 356 Belirsiz İntegraller ve Dönüşüm Kuralı 368 Değişken Dönüşümü ve Eğriler Arasındaki Alan 376 TEKRAR SORULARI 387 PROBLEMLER 388 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 391 396 Belirli ‹ntegrallerin Uygulamalar› 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 7 Fonksiyonların Ekstremum Değerleri 244 Ortalama Değer Teoremi 255 Monon Fonksiyonlar ve Birinci Türev Testi 262 Konkavlık ve Eğri Çizimi 267 Uygulamalı Optimizasyon Problemleri 278 Belirsiz Şekiller ve L’Hôpital Kuralı 292 Newton Yöntemi 299 Ters Türevler 307 318 TEKRAR SORULARI PROBLEMLER 318 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 322 ‹ntegrasyon 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6 244 Türev Uygulamalar› 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 vii Dilimleyerek Hacim Bulmak ve Bir Eksen Etrafında Dönme Silindirik Kabuklarla Hacim Bulmak 409 Düzlem Eğrilerin Uzunlukları 416 Momentler ve Kütle Merkezleri 424 Dönel Yüzey Alanları ve Pappus Teoremleri 436 İş 447 Akışkan Basınçları ve Kuvvetleri 456 TEKRAR SORULARI 461 PROBLEMLER 461 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 464 Transandant Fonksiyonlar 7.1 7.2 7.3 7.4 Ters Fonksiyonlar ve Türevleri Doğal Logaritmalar 476 Üstel Fonksiyon 486 a x ve loga x 495 396 466 466 viii ‹çindekiler 7.5 7.6 7.7 7.8 8 Temel İntegrasyon Formülleri 553 Kısmi İntegrasyon 561 Rasyonel Fonksiyonların Kısmi Kesirlerle İntegrasyonu Trigonometrik İntegraller 581 Trigonometrik Dönüşümler 586 Integral Tabloları ve Bilgisayar Cebir Sistemleri 593 Sayısal İntegrasyon 603 Genelleştirilmiş İntegraller 619 TEKRAR SORULARI 633 PROBLEMLER 634 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 638 570 642 Integrasyonun Di¤er Uygulamalar› 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 10 553 ‹ntegrasyon Teknikleri 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 9 Üstel Büyüme ve Bozunma 502 Bağıl Büyüme Oranları 511 Ters Trigonometrik Fonksiyonlar 517 Hiperbolik Fonksiyonlar 535 546 TEKRAR SORULARI PROBLEMLER 547 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 550 Eğim Alanları ve Ayrılabilir Diferansiyel Denklemler 642 Birinci Mertebe Lineer Diferansiyel Denklemler 650 Euler Yöntemi 659 Otonom Diferansiyel Denklemlerin Grafik Çözümleri 665 Birinci Mertebe Diferansiyel Denklemlerin Uygulamaları 673 TEKRAR SORULARI 682 PROBLEMLER 682 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 683 685 Konik Kesitler ve Kutupsal Koordinatler 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 Konik Kesitler ve Kuadratik Denklemler 685 Konik Kesitleri Dışmerkezliklerine Göre Sınıflandırmak Kuadratik Denklemler ve Dönmeler 702 Konikler ve Parametrik Denklemler; Sikloid 709 Kutupsal Koordinatlar 714 Kutupsal Koordinatlarda Grafik Çizmek 719 Kutupsal Koordinatlarda Alanlar ve Uzunluklar 725 Kutupsal Koordinatlarda Konik Kesitler 732 TEKRAR SORULARI 739 PROBLEMLER 739 EK VE İLERİ ALIŞTIRMALAR 742 697 Önsöz G‹R‹fi Thomas Calculus’un 11.basımının hazırlanmasında önceki basımların tarzını ve gücünü yakalamaya çalıştık. Amacımız, birçok kullanıcımızı ve eleştirmenimizi dikkatlice dinleyerek Thomas Calculus’un klasik basımlarının en iyi özelliklerini tekrar ziyeret etmek oldu. Aklımızdaki bu yüksek standartlarla, alıştırmaları yeniden kurduk ve bazı zor konuları aydınlattık. George Thomas’ın sözleri ile ‘‘Kitabı, olabileceği kadar açık ve kesin olarak yazmaya çalıştık’’. Ek olarak, daha mantıklı ve standart müfredat programı ile aynı hizada olması için içeriği yeniden yapılandırdık. Geriye bakmakla, mühendisler ve bilim adamları için kullanışlı ve çekici bir calculus metni hazırlamakta bize yardımcı olacak çok şey öğrendik. On birinci basımda metin, öğrenciye sadece calculus’un yöntemlerini ve uygulamalarını değil ayrıca bir matematiksel düşünme yolu da tanıtır. Alıştırmalardan örneklere kavramları geliştiren ve teoriyi okunabilir bir lisanla açığa çıkaran anlatıma, bu kitap matematiksel fikirleri düşünme ve iletme hakkındadır. Calculus, matematiğin anahtar örneklerinden bir çoğunu içerir ve fiziksel ve matematiksel konular hakkında doğru ve mantıklı bir yolla nasıl düşünüleceğinin gerçek başlangıçlarını işaret eder Materyale hakim olmaları ve gücünü kullanmak için gerekli matematiksel olgunluğa ulaşmaları için öğrencilere yardım etmeyi deniyoruz. Derin bir bilgiden gelen kavrayışlar gayrete değerdir. Bu kitabı tamamlayan öğrencilerin , bilimde ve mühendislikte bir çok uygulamaya calculus kavramlarını uygulamak için ihtiyaç duyulan, matematiksel lisan konusunda oldukça bilgi edinmiş olmaları gerekir. Ayrıca, diferansiyel denklemler, lineer cebir ve ileri analiz derslerine iyi bir şekilde hazırlanmış olmaları gerekir. Onbirinci Bas›mdaki De¤ifliklikler ALIfiTIRMALAR Alıştırmalar ve örnekler calculus öğrenmede çok önemli bir rol oynarlar. Thomas Calculus’un önceki basımlarında yer alan ve o basımların muazzam gücünü oluştan alıştırmalardan bir çoğunu bu yeni basıma dahil ettik. Her bölümde, hesaplamalı problemlerden uygulamalı ve teorik problemlere ilerleyen alıştırmaları konulara göre düzenledik ve grupladık. Bu düzenleme öğrencilere, calculus yöntemlerini kullanma becerilerini geliştirme ve değerlendirmelerini derinleştirmenin yanında calculus uygulamalarını ve mantıklı matematiksel yapılarını anlamaları fırsatını verir. ÖZEN Özen seviyesi, önceki basımlarla karşılaştırıldığında baştan sona daha tutarlıdır. İkisi arasındaki farkı ortaya koymak için hem biçimsel ve hem de biçimsel olmayan tartışmaları verdik. Ayrıca, kesin tanımları ve öğrencilerin anlayabileceği ispatları dahil ettik. Metin, materiyalin gayri resmi olarak anlaşılabileceği şekilde düzenlenmiştir. Bu, öğret- ix x Önsöz mene önemli derecede bir esneklik sağlar. Örneğin, kapalı ve sınırlı bir aralıkta sürekli olan bir fonksiyonun bu aralıkta bir maksimumunun bulunduğunu ispat etmediğimiz halde bu teoremi çok dikkatli bir şekilde ifade ettik ve takip eden çeşitli sonuçları ispat etmek için bunu kullandık. Bundan başka, limitlerle ilgili bölüm, açıklığa ve kesinliğe karşı büyük bir dikkatle önemli ölçüde yeniden düzenlenmiştir. Önceki basımlarda olduğu gibi limit kavramı yine bir eğriye üzerindeki bir noktada teğet olan doğrunun eğimini elde etme fikri ile motive edilmektedir. ‹ÇER‹K Bu basımın hazırlığı sırasında, Thomas Calculus’un önceki basımlarının kullanıcıları ve eleştirmenlerimizin önerilerine ve yorumlarına önemli ölçüde dikkat sarf ettik. Bu, bazı bölümlerde büyük revizyonlara ve değişikliklere yol açtı. • Önbilgiler • • • • • • • • • Bölüm 1’i, temel fonksiyonların kısa bir incelemesi olarak tekrar yazdık. Bir çok eğitimcinin bu bölümü atlamayı seçebilecek olmasına rağmen, bölüm öğrenciye kolay bir referans ve inceleme olanağı sunar, notasyonu standart hale getirir ve altyapı materyali olarak nelerin kabul edildiğine işaret eder. Ayrıca birçok öğrencinin, bir hesap makinesine veya bilgisayara bir fonksiyonun grafiğini vermesi konusunda tam olarak güvenmedeki tuzaklar gibi, görmemiş olabileceği bazı yardımcı materyal içerir. Limitler Bölüm 2’de içerilenler, limitlerin epsilon-delta tanımları, birçok teoremin ispatı, sonsuzda limitler ve sonsuz limitlerdir (ve bunların bir grafiğin asimptotları ile ilişkileri). Ters türevler Türev ve önemli uygulamalarını, bütünlüğü sağlayan ters türev kavramı ile sonuçlanan Bölüm3 ve Bölüm 4’te verdik. İntegrasyon Çeşitli sonlu toplam örneklerini tartıştıktan sonra Bölüm 5’te, eğrinin altındaki alan, geleneksel çerçevesi içinde belirli integrali tanıttık. Türevleri ve ters türevleri birbirine bağlayan Analizin Temel Teoremini işledikten sonra, integrasyon için Değişken Dönüşümü’nün yanında belirsiz integrali tanıttık. Bunları, belirli integralin uygulamaları hakkındaki alışılmış bölüm takip eder. İntegrasyon Teknikleri İntegrasyonun, sayısal integrasyonu da içeren temel teknikleri Bölüm 8’de verilmektedir. Bunlar, bir integral olarak doğal logaitmayı ve onun tersi olarak üstel fonksiyonu tanımladığımız transandant fonksiyonların tanıtımını takip etmektedirler. Diferansiyel denklemler Temel diferansiyel denklemlerin çözümleri hakkındaki materiyalin önemli kısmı, şimdi tek bir bölümde, Bölüm 9’da düzenlenmiştir. Bu düzenleme, bu konuların kavranması açısından eğitimcilere önemli ölçüde esneklik sağlar. Konikler Birçok kullanıcının isteği üzerine, konik kesitler hakkındaki Bölüm 10 tamamen yenilendi. Bu bölüm ayrıca, parabollerin, hiperbollerin ve sicloidlerin parametrizasyonlarını vererek parametrik denklemler hakkındaki materyali tamamlar. Seriler Bölüm 11’de, dokuzuncu basımda gözüken, serilerin yakınsaklık testlerinin daha bütün bir gelişimini yeniden düzenledik. Ayrıca, bölümün sonuna (atlanabilecek olan) Fourier serilerini tanıtan kısa bir bölüm ekledik. Vektörler Temel cebirsel ve geometrik fikirlerin tekrarından kaçınmak için, iki ve üç boyutlu vektörlerin işlenmesini tek bir bölümde Bölüm 12’de birleştirdik. Bu tanıtımı, düzlemde ve uzayda vektör-değerli fonksiyonlar hakkındaki bir bölüm takip etti. Reel sayılar Calculus’a uyglanmasından dolayı Reel sayılar teorisi hakkında kısa ve yeni bir ek yazdık Önsöz xi SANAT Şekillerin ve resimlerin calculus öğrenmede kritik bileşenler olduklarını fark ettik. Bu nedenle kitaptaki bütün şekillere yeni bir bakışı ele aldık. Var olan şekilleri düzenlerken ve yenilerini oluştururken, şekillerin resmettiği, ilişkilendirildikleri kavramların berraklığını geliştirmeye çalıştık. Bu, özellikle derinliği, katmanları ve döndürmeleri daha iyi belirtmeyi başarabildiğimiz üç-boyutlu grafiklerde çok açıktır (aşağıdaki şekillere bakın). Ayrıca, renklerin tutarlı ve pedagojik bir kullanımını sağlamayı denedik ve tamamlanmış parçaların düzeltilmesine kendini adamış bir ekip bir araya getirdik. y fiEK‹L 6.11, sayfa 402 (a) bölgesinin y-ekseni etrafında döndürülmesi ile üretilen cismin hacminin bulunması 4 x ⫽ 2y y 1 R(y) ⫽ 2y 0 x 2 (a) y 4 x ⫽ 2y ⎛ 2 , y⎛ ⎝y ⎝ y 1 R(y) ⫽ 2y 0 2 x (b) y y (x, R(x)) y fiEK‹L 6.13, sayfa 403 Burada üretilen dönel cismin dik-kesiteri diskler değil pullardır. (x, r(x)) 0 y ⫽ R(x) 0 a y ⫽ r(x) x b 0 x x x x x Pullar Bölüm 11 SONSUZ DİZİLER VE SERİLER G‹R‹fi İki hatta birkaç sayının nasıl toplanacağını herkes bildiği halde sonsuz tane sayının nasıl toplanacağı o kadar açık değildir. Bu bölümde sonsuz seriler teorisinin konusu olan bu gibi soruları çalışacağız. Sonsuz serilerin toplamları bazen 1 1 1 1 + + + + Á = 1. 2 4 8 16 toplamında olduğu gibi sonludur. Bu toplam geometrik olarak aşağıda gösterildiği gibi birim karenin daima ikiye bölünmesiyle elde edilen alanlarla temsil edilir. Küçük dikdörtgenlerin alanlarının toplamı içini doldurmuş oldukları birim karenin alanını verir. Toplanan terim sayısını arttırdıkça toplam alana daha çok yaklaşılır. 1/8 1/16 1/2 1/4 Bazı sonsuz serilerin toplamları ise 1+2+3+4+5+… toplamında olduğu gibi sonlu değildir. İlk birkaç terimin toplamı terim sayısı arttıkça giderek çoğalır. Yeteri kadar terim toplamakla önceden belirlenmiş herhangi bir sabit sayı aşılır. Bazı serilerde ise, 1 1 1 1 1 1 + + + + + + Á 5 2 3 4 6 harmonik serisinde olduğu gibi toplamın sonlu olup olmadığı açık değildir. Toplanan terim sayısını arttırdıkça sonlu bir değere yaklaşılıp yaklaşılmadığı veya sınırsız olarak büyüyen bir toplam elde edilip edilmediği açık değildir. Sonsuz diziler ve seriler teorisini geliştirirken, önemli bir uygulama türetilebilir bir ƒ(x) fonksiyonunu x’in kuvvetlerinin bir sonsuz toplamı olarak temsil etme metodu verir. Bu metotla polinomların nasıl hesaplandığı, türetildiği ve integre edildiği hakkındaki bilgilerimizi polinomlardan çok daha genel olan bir fonksiyonlar sınıfına genişletebiliriz. Ayrıca bir fonksiyonu sinüs ve cosinüs fonksiyonlarının sonsuz bir toplamı olarak temsil etmenin bir yöntemini inceleyeceğiz. Bu yöntem fonksiyonları incelemek için güçlü bir araç verecektir. 746 11.1 11.1 TARİHSEL DENEME Diziler 747 Diziler Bir dizi verilen bir sıra ile a1, a2, a3, … an, … Diziler ve Seriler gibi bir sayılar listesidir. a1, a2, a3, vs. her biri bir sayıyı temsil eder. Bunlar dizinin terimleri dir. Örneğin, 2, 4, 6, 8, 10, 12, … , 2n, … dizisinin ilk terimi a1 = 2, ikinci terimi a2 = 4 ve n.terimi an = 2n dir. n tamsayısına an'nin indisi denir ve an'nin listenin neresinde bulunduğunu gösterir. Genelde a1, a2, a3, … an, … dizisini 1'i a1'e, 2'yi a2'ye, 3'ü a3'e ve genel olarak pozitif n tamsayısını n.terim an'ye gönderen bir fonksiyon olarak düşünebiliriz. Bu, bir dizinin aşağıdaki formel tanımına yol açar. Sonsuz Dizi TANIM Bir sonsuz sayı dizisi tanım kümesi pozitif tamsayılar kümesi olan bir fonksiyondur. Örneğin 2, 4, 6, 8, 10, 12, … , 2n, … dizisi ile eşlenen fonksiyon 1'i davranışı a1 = 2'ye 2'yi a2 = 4'e vs. gönderir. Bu dizinin genel an = 2n formülü ile tanımlanır. Tanım kümesini verilen bir n0 sayısından büyük tamsayılar olarak da alabilir ve bu tipte diziler de düşünebiliriz. 12, 14, 16, 18, 20, 22 … dizisi an = 10 + 2n formülü ile tanımlanır. Bu dizi ayrıca n indisi 6 dan başlayıp artmak üzere daha basit olan bn = 2n formülü ile de tanımlanabilir. Böyle basit formüller elde edebilmek için dizinin ilk indisini herhangi bir sayı olarak alabiliriz. Yukarıdaki {an} dizisi a1 ile başlarken {bn} dizisi b6 ile başlamaktadır. Sıra önemlidir. Zira 1, 2, 3, 4… dizisi 1, 2, 3, 4 … dizisi ile aynı değildir. Diziler an = 2n, 1 bn = s -1dn + 1 n , cn = n - 1 n , dn = s -1dn + 1 gibi terimlerini belirten kuralları yazarak veya 748 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 5an6 = E 21, 22, 23, Á , 2n, Á F 1 1 1 1 5bn6 = e 1, - , , - , Á , s -1dn + 1 n , Á f 2 3 4 n - 1 1 2 3 4 5cn6 = e 0, , , , , Á , n , Á f 2 3 4 5 5dn6 = 51, -1, 1, -1, 1, -1, Á , s -1dn + 1, Á 6. şeklinde listelenerek tanımlanabilirler. Bazen 5an6 = E 2n F n = 1. . q da yazarız. Şekil 11.1, dizileri grafik olarak temsil etmenin iki yolunu göstermektedir. İlki, a1, a2, a3, … an, … terimlerinden ilk birkaçını reel eksen üzerinde işaretler. İkinci yöntem diziyi tanımlayan fonksiyonun grafiğini gösterir. Fonksiyon sadece tamsayılarda tanımlıdır ve grafik xy-düzleminde, (1, a1), (2, a2),… (n, an), … noktalarına işaretlenmiş bazı noktalardan oluşur. an Iraksar a1 0 a2 a3 a4 a5 1 2 an n a3 a2 0 0’a yakınsar 1 1 1 an n 0 1 2 an a2 a4 a5 a3 0 n 1 2 3 4 5 an a1 0 3 2 1 a1 1 an (1)n1 1n 3 4 5 n 0’a yakınsar 1 0 n fiEK‹L 11.1 Diziler, reel eksen üzerinde noktalar veya yatay n-ekseni terimin indis sayısı, düşey an ekseni de terimin değeri olmak üzere xy-düzleminde noktalar olarak temsil edilebilirler. Yak›nsakl›k ve Iraksakl›k Bazen bir dizideki sayılar, n indisi arttıkça, tek bir değere yaklaşır. n arttıkça terimleri 0’a yaklaşan 1 1 1 1 e 1, , , , Á , n , Á f 2 3 4 dizisinde ve terimleri 1’e yaklaşan 1 2 3 4 1 e 0, , , , , Á , 1 - n , Á f 2 3 4 5 11.1 Diziler 749 dizisinde durum böyledir. Diğer taraftan E 21, 22, 23, Á , 2n, Á F gibi dizilerde n indisi arttıkça herhangi bir sayıdan daha büyük olan terimler vardır. Ayrıca 51, -1, 1, -1, 1, -1, Á , s -1dn + 1, Á 6 L 0 a2 a3 aN a1 L L an an L (n, an) L L gibi diziler asla tek bir değere yaklaşmadan 1 ve –1 arasında ileri geri sıçrar. Aşağıdaki tanım bir dizinin bir limit değere yakınsamasının anlamını açıklamaktadır. Tanım şunu söylemektedir: bir dizide n indisini bir N sayısından büyük alarak dizinin terimleri üzerinde yeteri kadar ilerlersek an ile dizinin limiti arasındaki fark önceden belirlenmiş herhangi bir 0 sayısından küçük kalır. TANIMLAR Yak›nsakl›k, Iraksakl›k, Limit Her pozitif sayısına (N, aN) 0 1 2 3 N n fiEK‹L 11.2 y = L, {(n, an)} noktalar dizisinin yatay asimptotu ise an → L dir. Yukarıdaki şekilde aN’den sonraki bütün an’ler L’nin e civarındadır. TARİHSEL BİYOGRAFİ Nicole Oresme (1320–1382 dolaylarında) n 7 N n Q ƒ an - L ƒ 6 P. {an} dizisi L sayısına yakınsar. Böyle bir L sayısı mevcut değilse, {an} ıraksar deriz. {an} dizisi L’ye yakınsıyorsa, limn→∞ an = L veya kısaca an → L yazar ve L’ye dizinin limiti deriz (Şekil 11.2). Tanım, x sonsuza giderken bir ƒ(x) fonksiyonunun limiti tanımına çok benzerdir (Bölüm 2.4’te limx→∞ ƒ(x)). Dizilerin limitlerini hesaplamak için bu bağıntıyı kullanacağız. ÖRNEK 1 Tan›m› Uygulamak 1 (a) lim n = 0 n: q (b) lim k = k n: q sany constant (k herhangi birkdsabit) olduğunu gösterin. Çözüm (a) 0 verilmiş olsun. n 7 N Q 1 ` n - 0 ` 6 P. gerektirmesi sağlanacak şekilde bir N tamsayısının var olduğunu göstermemiz gerekir. Yukarıdaki gerektirme, (1@n) veya n 1@ ise geçerli olacaktır. N, 1@’dan daha büyük bir tamsayı ise gerektirme her n N için geçerli olur. Bu, limn→∞ (1@n) = 0 olduğunu ispatlar. (b) 0 verilmiş olsun. n 7 N Q ƒ k - k ƒ 6 P. gerektirmesi sağlanacak şekilde bir N tamsayısının var olduğunu göstermemiz gerekir. k – k = 0 olduğundan, herhangi bir pozitif N sayısı kullanırsak gerektirme geçerli olacaktır. Bu herhangi bir k sabiti için limn→∞ k = k olduğunu ispatlar. 750 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ÖRNEK 2 Iraksak Bir Dizi 51, -1, 1, -1, 1, -1, Á , s -1dn + 1, Á 6 dizisinin ıraksadığını gösterin. Dizinin bir L sayısına yakınsadığını varsayın. Limit tanımında = 1@2 seçerek, n indisi bir N sayısından büyük olan bütün an dizi terimleri L’nin = 1@2 civarında bulunmaları gerekir. Dizinin diğer her terimi gibi 1 terimi tekrarlı olarak gözüktüğünden 1 sayısı L’nin = 1@2 civarında bulunmalıdır. Bundan dolayı u L – 1 u 1@2 veya buna denk olarak 1@2 L 3@2 olmalıdır. Benzer şekilde –1 sayısı da keyfi büyük indislerle tekrarlı olarak dizide gözükür. Dolayısıyla, u L – (–1) u 1@2 veya buna denk olarak –3@2 L –1@2 eşitsizlikleri de ayrıca sağlanmalıdır. Fakat bu aralıklar örtüşmediklerinden L sayısı (1@2, 3@2) ve (–3@2, –1@2) ve aralıklarının ikisinde birden bulunamaz. Bu nedenle böyle bir L limiti yoktur ve dolayısıyla dizi ıraksar. Şuna dikkat edin aynı düşünce sadece 1@2 için değil 1’den küçük herhangi bir pozitif sayısı için de geçerlidir. {1n} dizisi de ıraksar fakat nedeni farklıdır. n indisinin artmasıyla birlikte terimleri herhangi bir sabit sayıdan daha büyük olur. Bu dizinin davranışını Çözüm lim 2n = q . n: q yazarak tanımlarız. Bir dizinin limitini sonsuz olarak yazmakla, n arttıkça an ile q arasındaki farkın azaldığını söylemiyoruz. Dizinin yakınsadığı bir sonsuz sayısının var olduğunu da söylemiyoruz. Sadece n arttıkça, an’nin sayısal olarak büyüdüğünü ve nihayetinde herhangi sabit bir sayıdan büyük kaldığını açıklayan bir notasyon kullanıyoruz. Sonsuza Iraksama TANIM Her M sayısına karşılık, N’den büyük her n için an M olacak şekilde bir N tamsayısı varsa 5an6 dizisi sonsuza ıraksar deriz. Bu şart sağlanırsa lim an = q n: q or veya ana: . n →qq yazarız. Benzer şekilde, her m sayısına karşılık, her n N için an m olacak şekilde bir N tamsayısı varsa 5an6 dizisi eksi sonsuza ıraksar deriz ve lim an = - q n: q or veya aann: → -– q . yazarız. Bir dizi sonsuza veya eksi sonsuza ıraksamadan da ıraksak olabilir. Bunu Örnek 2’de gördük. Ayrıca 51, -2, 3, -4, 5, -6, 7, -8, Á 6 ve 51, 0, 2, 0, 3, 0, Á 6 dizileri de böyle dizilere örnektir. Dizilerin Limitlerini Hesaplamak Daima dizi limitinin formel tanımını, ’ları ve N’leri hesaplayarak, kullanmak zorunda olsaydık dizilerin limitlerini hesaplamak zahmetli bir iş olurdu. Neyse ki birkaç basit örnek geliştirebilir ve bunları birçok dizinin limitlerinin çabucak incelenmesinde kullanabiliriz. Dizilerin nasıl birleştirilebileceklerini ve nasıl karşılaştırılabileceklerini anlamamız gerekecektir. Diziler, tanım kümeleri pozitif tamsayılar kümesine kısıtlanmış fonksiyonlar olduklarından Bölüm 2’de fonksiyon limitleri hakkındaki teoremlerin diziler için versiyonlarının olması çok şaşırtıcı değildir. 11.1 Diziler 751 TEOREM 1 5an6 ve 5bn6 reel sayı dizileri, A ve B reel sayılar olsun. limn→∞ an = A ve limn→∞ bn = B ise aşağıdaki kurallar geçerlidir. 1. 2. 3. 4. Toplama Kuralı: Fark Kuralı: Çarpım Kuralı: Sabitle Çarpım Kuralı: limn: q san + bn d = A + B limn: q san - bn d = A - B limn: q san # bn d = A # B (Herhangi birkdk) limn: q sk # bn d = k # B sAny number 5. Bölüm Kuralı: limn: q an A = B bn if B ≠Z 00için İspatı Bölüm 2.2’deki Teorem 1’in ispatına benzerdir ve atlanacaktır. ÖRNEK 3 Teorem 1’i Uygulamak Teorem 1’i Örnek 1’deki limitleri birleştirirsek şunları buluruz: 1 1 (a) lim a- n b = -1 # lim n = -1 # 0 = 0 n: q n: q (b) lim a n: q (c) lim Sabitle Çarpım Kuralı ve Örnek 1a n - 1 1 1 lim a1 - n b = lim 1 - lim n = 1 - 0 = 1 n b = n: q n: q n: q 5 n: q n 2 1 1 = 5 # lim n # lim n = 5 # 0 # 0 = 0 n: q n: q s4>n 6 d - 7 0 - 7 4 - 7n 6 = lim = = -7. 1 + 0 n: q n 6 + 3 n: q 1 + s3>n 6 d (d) lim Fark Kuralı ve Örnek 1a Çarpım Kuralı Toplama ve Bölüm Kuralı Teorem 1’i uygularken dikkatli olun. Teorem, örneğin, 5an6 ve 5bn6 dizilerinin 5an + bn6 toplamlarının limiti varsa 5an6 ve 5bn6 dizilerinin her birinin limitinin var olduğunu söylemiyor. Meselâ 5an6 = 51, 2, 3, Á 6 ve 5bn6 = 5-1, -2, -3, Á 6 dizilerinin ikisi de ıraksaktır, fakat toplamları 5an + bn6 = 50, 0, 0, Á 6 açık olarak 0’a yakınsar. Teorem 1’in bir sonucu şudur: ıraksak bir dizinin sıfırdan farklı her katı ıraksar. Tersine, bir c ≠ 0 için 5can6 dizisinin yakınsadığını varsayın. Bu durumda Teorem1’deki Sabitle Çarpım Kuralında k = 1@c alarak 1 e c # can f = 5an6 dizisinin yakınsadığını görürüz. Böylece, 5can6 yakınsamadıkça 5an6 yakınsayamaz. Eğer 5an6 yakınsamazsa 5can6 yakınsamaz. Aşağıdaki teorem Bölüm 2.2’deki Sandviç Teoreminin dizi versiyonudur. Alıştırma 95’te teoremi ispatlamanız istenmektedir. TEOREM 2 Diziler ‹çin Sandviç Teoremi 5an6, 5bn6 ve 5cn6 reel sayı dizileri olsunlar. Belirli bir N indisinden büyük her n için an … bn … cn geçerliyse ve limn→∞ an = limn→∞ cn = L ise, bu durumda limn→∞ bn = L olur. 752 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Teorem 2’nin hemen görülen bir sonucu, ƒ bn ƒ … cn ve cn → 0 ise, –cn bn cn olduğundan bn → 0 olmasıdır. Aşağıdaki örnekte bunu kullanıyoruz. ÖRNEK 4 Sandviç Teoremini Uygulamak 1@n → 0 olduğunda, aşağıdakileri biliyoruz. (a) cos n n :0 1 :0 2n 1 (c) s -1dn n : 0 (b) cos n 1 1 çünkü - n … n … n ; çünkü 0 … çünkü 1 1 … n; 2n 1 1 1 - n … s -1dn n … n . Teorem 1 ve 2’nin uygulanması yakınsak bir diziye sürekli bir fonksiyonun uygulanmasının yakınsak bir dizi oluşturacağını belirten bir teoremle genişletilir. Teoremi ispatsız veriyoruz (Alıştırma 96). y y 2x 2 (1, 2) TEOREM 3 Diziler ‹çin Sürekli Fonksiyon Teoremi 5an6 bir reel sayı dizisi olsun. an : L ve ƒ fonksiyonu L’de sürekli ve bütün an’lerde tanımlı ise, ƒ(an) → ƒ(L) olur. ⎛ 1 , 21/2⎛ ⎝2 ⎝ ⎛ 1 , 21/3⎛ ⎝3 ⎝ 1 ÖRNEK 5 Teorem 3’ü Uygulamak 2sn + 1d>n : 1. olduğunu gösterin. (n + 1)@n → 1 olduğunu biliyoruz. Teorem 3’te ƒsxd = 1x ve L = 1 almak 1sn + 1d>n : 11 = 1. verir. Çözüm 0 1 3 1 2 1 x FIGURE 11.3 n → iken, 1@n → 0 ve 21>n : 20 dır. (Örnek 6). ÖRNEK 6 521>n6 Dizisi 51>n6 dizisi 0’a yakınsar. Teorem 3’te an = 1@n, ƒ(x) = 2x ve L = 0 olarak, 21@n = ƒ(1@n) → ƒ(L) = 20 = 1 olduğunu görürüz. 521>n6 dizisi 1’e yakınsar (Şekil 11.3). l’Hôpital Kural›n› Kullanmak Aşağıdaki teorem bazı dizilerin limitini bulmada l’Hôpital kuralını kullanmamızı sağlar. Teorem, limn→∞ an ile limx→∞ ƒ(x) arasındaki bağıntıyı sağlar. TEOREM 4 ƒ(x)’in her x n0 için tanımlı bir fonksiyon olduğunu ve 5an6’nin her n n0 için an = ƒ(n) olacak şekilde bir reel sayı dizisi olduğunu varsayın. Bu durumda, Q lim ƒsxd = L x: q ‹spat lim an = L. olur. n: q limx→∞ ƒ(x) = L olduğunu varsayın. Her pozitif sayısına karşılık x 7 M Q ƒ ƒsxd - L ƒ 6 P. gerektirmesi gerçeklenecek şekilde bir M sayısı vardır. 11.1 Diziler 753 N tamsayısı M’den büyük ve n0 ’dan büyük veya eşit olsun. Bu durumda nN ÖRNEK 7 ⇒ an = ƒ(n) u an – L u = u ƒ(n) – L u . ve L’Hôpital Kural›n› Uygulamak ln n n = 0. olduğunu gösterin. lim n: q (ln x)@x fonksiyonu her x 1 için tanımlıdır ve pozitif tamsayılarda verilen diziyle uyuşur. Dolayısıyla, Teorem 4’e göre, limn→∞ (ln n)@n, eğer varsa limn→∞ (ln x)@x’e eşit olacaktır. L’Hôpital kuralının bir kere uygulanışı Çözüm 1>x 0 ln x = lim = = 0. x 1 x: q x: q 1 lim olduğunu gösterir. Buradan limn→∞ (ln n)@n = 0 sonucunu çıkarırız. Bir dizinin limitini bulmak için L’Hôpital kuralını kullanırken, genellikle n’ ye sürekli bir reel değişken gibi davranır ve doğrudan n’ye göre türev alırız. Bu bizi Örnek 7’de yaptığımız gibi an formülünü yeniden yazmaktan kurtarır. ÖRNEK 8 L’Hôpital Kural›n› Uygulamak 2n . ’yi bulun. 5n n: q lim Çözüm l’Hôpital kuralına göre (n’ye göre türev alarak) 2n 2n # ln 2 = lim 5 n: q 5n n: q =q lim buluruz. ÖRNEK 9 Yak›nsakl›¤› Belirlemek ‹çin L’Hôpital Kural›n› Uygulamak n. terimi an = a n + 1 b n - 1 n colan dizi yakınsar mı? Yakınsarsa, limn→∞ an’yi bulun. Limit 1∞ belirsiz formuna götürür. Önce an’nin doğal logaritmasını alarak formu ∞ ⋅ 0 haline getirirsek, l’Hôpital kuralını uygulayabiliriz. Çözüm ln an = ln a n + 1 b n - 1 = n ln a n n + 1 b. n - 1 754 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Bu durumda, lim ln an = lim n ln a n: q n: q = lim ln a n: q = lim n + 1 b n - 1 n + 1 b n - 1 1>n q #0 0 0 -2>sn 2 - 1d -1>n 2 2n 2 = lim 2 = 2. n: q n - 1 n: q l’Hôpital Kuralı bulunur. ln an → 2 ve ƒ(x) = ex sürekli olduğundan, Teorem 4 an = e ln an : e 2 . olduğunu söyler. 5an6 dizisi e2’ye yakınsar. S›k Karfl›lafl›lan Limitler Aşağıdaki teorem sık sık karşılaşılan bazı limitleri vermektedir. TEOREM 5 Aşağıdaki altı dizi karşılarında gösterilen limitlere yakınsarlar. 1. 2. 3. 4. lim n: q ln n n = 0 n lim 2n = 1 n: q lim x 1>n = 1 sx 7 0d lim x n = 0 s ƒ x ƒ 6 1d n: q n: q n Faktöriyel Gösterim n! (“n faktöriyel”) 1’den n’ye kadar olan tamsayıların 1 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅⋅⋅ n çarpımı anlamına gelir (n + 1)! = (n + 1) ⋅ n! olduğuna dikkat edin. Yani 4! = 1 # 2 # 3 # 4 = 24 ve 5! = 1 # 2 # 3 # 4 # 5 = 5 # 4! = 120 .’dir. 0!’yi 1 olarak tanımlarız. Faktöriyeller, aşağıdaki tablonun gösterdiği gibi, eksponansiyellerden bile hızlı büyürler. 5. 6. 1 5 10 20 3 148 22,026 4.9 * 10 8 xn = 0 n: q n! lim sany xd (her x için) (her için) sanyx xd ‹spat Birinci limit Örnek 7 de hesaplanmıştı. Sonraki ikisi logaritma alarak ve Teorem 4’ü uygulayarak ispatlanabilir (Alıştırma 93 ve 94 ). Diğer ispatlar Ek 3’te verilmiştir. n! 1 120 3,628,800 2.4 * 10 18 n: q (3)–(6) formüllerinde, n → q iken x sabit kalır. ÖRNEK 10 n e n (yuvarlanmış) x lim a1 + n b = e x (a) Teorem 5’i Uygulamak ln sn 2 d 2 ln n = n :2#0 = 0 n n (b) 2n 2 = n 2>n = sn 1/n d2 : s1d2 = 1 n (c) 23n = 31>nsn 1/n d : 1 # 1 = 1 Formül 1 Formül 2 x = 3 ile Formül 3 ve Formül 2 11.1 n 1 (d) a- b : 0 2 (e) a (f) n x = - Diziler 755 1 ile Formül 4 2 n n - 2 -2 -2 n b = a1 + n b : e 100 n :0 n! x = –2 ile Formül 5 x = 100 ile Formül 6 Tekrarlamal› Tan›mlar Şimdiye kadar, her an’yi doğrudan n’nin değerinden hesapladık. Ama diziler genellikle 1. 2. Başlangıç teriminin veya terimlerinin değer(ler)i ve Sonraki terimleri kendilerinden önce gelen terimlerden hesaplamak için tekrarlama formülü adı verilen bir kural verilerek tanımlanır. ÖRNEK 11 Tekrarlamal› Olarak Tan›mlanan Diziler (a) a1 = 1 ve an = an – 1 + 1 ifadeleri pozitif tamsayılardan oluşan 1, 2, 3, …, n, … dizisini tanımlar. a1 = 1 ile, a2 = a1 + 1 = 2, a3 = a2 + 1 = 3 vs. buluruz. (b) a1 = 1 ve an = n ⋅ an – 1 ifadeleri faktöriyellerden oluşan 1, 2, 6, 24, …, n!, … dizisini tanımlar. a1 = 1 ile, a2 = 2 ⋅ a1 = 2, a3 = 3 ⋅ a2 = 6, a4 = 4 ⋅ a3 = 24 vs. buluruz. (c) a1 = 1, a2 = 1 ve an+1 = an + an–1 ifadeleri Fibonacci sayıları denen 1, 1, 2, 3, 5, … dizisini oluşturur. a1 = 1 ve a2 = 1 ile, a3 = 1 + 1 = 2, a4 = 2 + 1 = 3, a5 = 3 + 2 = 5 vs. elde ederiz. (d) Newton yöntemini uygulayarak görebileceğimiz gibi, x0 = 1 ve xn + 1 = xn - [ssin xn - x n2 d>scos xn - 2xn d] ifadeleri, sin x – x2 = 0 denkleminin bir çözümüne yakınsayan bir dizi tanımlarlar. S›n›rl› Azalmayan Diziler Genel bir dizinin terimleri, bazen büyüyerek bazen de küçülerek, sıçramalar yapabilir. Dizilerin önemli özel bir çeşidi, her bir terimin en az kendisinden önceki kadar büyük olduğu dizilerdir. TANIM Azalmayan Diziler Her n için an … an + 1 özelliğini taşıyan bir 5an6 dizisine azalmayan dizi denir. ÖRNEK 12 Azalmayan Diziler (a) Doğal sayılardan oluşan 1, 2, 3, …, n, … dizisi. (b) n 1 2 3 , , ,Á, , Á dizisi 2 3 4 n + 1 (c) Sabit 536 dizisi 756 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler İki tür azalmayan dizi vardır—terimleri herhangi sonlu bir sınırı aşan diziler ve aşmayanlar. TANIMLAR S›n›rl›, Üst S›n›r, En Küçük Üst S›n›r Her n için an M olacak şekilde bir M sayısı varsa 5an6 dizisi üstten sınırlıdır. M sayısı 5an6 için bir üst sınırdır. M sayısı 5an6 ’nin bir üst sınırı ise ve M’den daha küçük bir sayı 5an6 için bir üst sınır olamıyorsa M sayısı 5an6’nin en küçük üst sınırıdır. ÖRNEK 13 S›n›rl›l›k Tan›m›n› Uygulamak (a) 1, 2, 3, …, n, … dizisinin bir üst sınırı yoktur. (b) y 1’den daha küçük bir sayı dizinin bir üst sınırı olamaz, dolayısıyla 1 en küçük üst sınırdır (Alıştırma 113). yM M yL L (8, a8) (5, a5) (1, a1) 0 1 2 3 4 5 6 n 1 2 3 , , ,Á, , Á dizisi üstten M = 1 ile sınırlıdır. 2 3 4 n + 1 7 8 x fiEK‹L 11.4 Azalmayan bir dizinin terimlerinin bir M üst sınırı varsa, limitleri L M olur. Üstten sınırlı azalmayan bir dizinin her zaman bir en küçük alt sınırı vardır. Bu reel sayıların, Ek 4’te incelenen, tamlık özelliğinin bir sonucudur. L en küçük üst sınırsa, dizinin L’ye yakınsadığını ispatlayacağız. (1, a1), (2, a2), … , (n, an), … noktalarını xy-düzleminde işaretlediğimizi varsayın. M dizinin bir üst sınırı ise bütün bu noktalar y = M doğrusu üstünde veya aşağısında bulunacaklardır (Şekil 11.4). y = L doğrusu bu tip doğruların en altta bulunanıdır. (n, an) noktalarının hiçbiri y = L’nin üzerinde bulunmaz, fakat bazıları, pozitif bir sayı olmak üzere, daha alttaki bir y = L – doğrusunun yukarısında bulunurlar. Dizi L’ye yakınsar, çünkü (a) n’nin bütün değerleri için an L’dir ve (b) 0 ise, aN L – olacak şekilde en azından bir N tamsayısı vardır. 5an6’nin azalmayan bir dizi olması bize ayrıca her n N için an aN L – olduğunu söyler. Yani, N inci sayıdan büyük bütün an sayıları L’nin civarında bulunurlar. Bu da L’nin 5an6 dizisinin limiti olma koşuludur. Azalmayan dizilerin özellikleri aşağıdaki teoremde özetlenmiştir. Artmayan diziler için de benzer bir sonuç geçerlidir (Alıştırma 107). Azalmayan Dizi Teoremi TEOREM 6 Reel sayılardan oluşan azalmayan bir dizi, ancak ve yalnız üstten sınırlı ise yakınsar. Azalmayan bir dizi yakınsıyorsa, en küçük üst sınırına yakınsar. Teorem 6, üstten sınırlı azalmayan bir dizinin yakınsak olmasını gerektirir. Dizi üstten sınırlı değilse sonsuza ıraksar. 11.1 Diziler ALIfiTIRMALAR 11.1 Bir Dizinin Terimlerini Bulmak 1–6 alıştırmalarının her birinde bir 5an6 dizisinin n. terimi an’nin formülü verilmektedir. a1, a2, a3 ve a4’ün değerlerini bulun. 1 - n n2 s -1dn + 1 3. an = 2n - 1 2. an = 1. an = n 2 2n + 1 6. an = 2 - 1 2n 7–12 alıştırmalarının her birinde dizinin ilk terimi veya ilk iki terimi ile birlikte bir tekrarlama formülü verilmektedir. Dizinin ilk on terimini yazın. 7. a1 = 1, 8. a1 = 1, 9. a1 = 2, an + 1 = an + s1>2n d an + 1 = an>sn + 1d an + 1 = s -1dn + 1an>2 an + 1 = nan>sn + 1d 10. a1 = -2, 11. a1 = a2 = 1, 12. a1 = 2, an + 2 = an + 1 + an a2 = -1, an + 2 = an + 1>an 13–22 alıştırmalarındaki dizilerin n. teriminin formülünü bulun. 13. 1, –1, 1, –1, 1, … dizisi Değişen işaretli 1’ler 14. –1, 1, –1, 1, –1, … dizisi Değişen işaretli 1’ler 15. 1, –4, 9, –16, 25, … dizisi Pozitif tamsayıların kareleri, işaretleri değişiyor. 26. an = 27. an = 1 - 5n 4 n 4 + 8n 3 28. an = n + 3 n 2 + 5n + 6 29. an = n 2 - 2n + 1 n - 1 30. an = 1 - n3 70 - 4n 2 1 32. an = s -1dn a1 - n b 33. an = a n + 1 1 b a1 - n b 2n 34. an = a2 - 1 1 b a3 + n b 2n 2 s -1dn + 1 2n - 1 1 36. an = a- b 2 n 35. an = 37. an = 2n An + 1 38. an = p 1 + nb 2 42. an = sin2 n 2n 43. an = n 2n 44. an = 3n n3 46. an = ln n ln 2n 45. a n = ln sn + 1d 2n 17. 0, 3, 8, 15, 24, … dizisi Pozitif tamsayıların karelerinden 1 çıkartılmış 7 49. an = a1 + n b 18. –3, –2, –1, 0, 1, … dizisi –3’ten başlayan tamsayılar 51. an = 210n 19. 1, 5, 9, 13, 17, … dizisi Her ikinci tek tamsayı Sırayla değişen1’ler ve 0’lar Her tamsayının tekrarlanması 22. 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, … dizisi Limit Bulmak 23–81 alıştırmalarındaki 5an6 dizilerinden hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Her yakınsak dizinin limitini bulun. 40. an = np cos snpd sin n n 47. an = 81>n 21. 1, 0, 1, 0, 1, … dizisi 1 s0.9dn 41. an = Pozitif tamsayıların karelerinin tersleri, işaretleri değişiyor. Her ikinci çift tamsayı 2n + 1 1 - 32n 31. an = 1 + s -1dn 1 1 1 1 16. 1, - , , - , , Á dizisi 4 9 16 25 20. 2, 6, 10, 14, 18, … dizisi n + s -1dn n 1 - 2n 1 + 2n 39. an = sin a Bir Dizinin Formülünü Bulmak 24. an = 25. an = 4. an = 2 + s -1dn n 5. an = 1 n! 23. an = 2 + s0.1dn 48. an = s0.03d1>n n 3 53. an = a n b 55. an = n! nn n n 52. an = 2n 2 54. an = sn + 4d1>sn + 4d 56. an = ln n - ln sn + 1d 57. an = 24nn 59. an = 1 50. an = a1 - n b 1>n ln n n 1>n n n n 58. an = 232n + 1 (İpucu: 1> n ile karşılaştırın.) 757 758 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 60. an = s -4dn n! 62. an = n! 2n # 3n 1 64. an = ln a1 + n b 66. an = a n b n + 1 n n 1 b n2 s10>11dn 70. an = s9/10dn + s11/12dn 72. an = sinh sln nd 2n tan-1 n 78. an = 2n + n 82. an = 3n + 1 b 3n - 1 67. an = a xn b 2n + 1 1>n 69. an = xn + 1 = xn , x 7 0 3n # 6n 2-n # n! 71. an = tanh n n2 1 sin n 2n - 1 75. an = tan-1 n n 1 n 80. an = 65. an = a 73. an = 1 74. an = n a1 - cos n b 87. Newton yöntemi Aşağıdaki diziler Newton yönteminin n n 68. an = a1 - 76. an = b. rn = xn@yn kesirleri n arttıkça bir limite yaklaşır. Bu limit nedir? (İpucu: rn2 – 2 = (1@yn)2 olduğunu ve yn’nin n’den küçük olmadığını göstermek için (a) şıkkını kullanın. n! 10 6n 1>sln nd 1 63. an = a n b 61. an = 2 sln nd5 1 1 77. an = a b + 3 22n sln nd200 79. an = n 81. an = n - 2n 2 - n 2n 1 2n 2 - 1 - 2n 2 + n 1 83. an = n n L1 n 1 x dx 1 84. an = p dx, L1 x p 7 1 tekrarlamalı formülünden gelirler. Diziler yakınsar mı? Yakınsarlarsa, hangi değere yakınsarlar? Her durumda, işe diziyi üreten ƒ fonksiyonunu tanımlayarak başlayın. 85. Bir dizinin ilk terimi x1 = 1’dir. Birbirini izleyen her terim kendinden önce gelen terimlerin toplamıdır: x n2 - 2 xn 1 = + xn 2xn 2 tan xn - 1 a. x0 = 1, xn + 1 = xn - b. x0 = 1, xn + 1 = xn - c. x0 = 1, xn + 1 = xn - 1 sec2 xn 88. a. ƒ(x)’in [0, 1] aralığındaki her x için türetilebildiğini ve ƒ(0) = 0 olduğunu varsayın. an = nƒ(1@n) kuralıyla 5an6 dizisini tanımlayın. limn→∞ an = ƒ (0) olduğunu gösterin. (a) şıkkındaki sonucu kullanarak aşağıdaki 5an6 dizilerinin limitlerini bulun. 1 b. an = n tan-1 n c. an = nse 1>n - 1d 2 d. an = n ln a1 + n b 89. Pisagor üçlüleri a2 + b2 = c2 ise, a, b ve c’den oluşan bir pozitif tamsayılar üçlüsüne Pisagor üçlüsü denir. a bir tek tamsayı ve b = j Teori ve Örnekler ƒsxn d . ƒ¿sxn d a2 k 2 and ve c = l a2 m 2 sırasıyla a2@2’nin tamsayı taban ve tavanları olsun. xn + 1 = x1 + x2 + Á + xn . Dizi ilk terimlerinden yeteri kadarını yazarak, xn için n 2 değerlerinde geçerli olacak genel bir formül yazın. 86. Bir rasyonel sayı dizisi aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır: ⎡a2⎡ ⎢ ⎢ ⎢2⎢ ⎢a2 ⎢ ⎢ ⎢ ⎣2⎣ a a + 2b 1 3 7 17 , , , ,Á, , ,Á 1 2 5 12 b a + b Burada paylar bir dizi, paydalar ikinci bir dizi ve bunların oranları üçüncü bir dizi oluşturur. xn ve yn sırasıyla n. kesir rn = xn@yn’nin pay ve paydası olsun. a. x 12 - 2y 12 = -1, x 22 - 2y 22 = +1 ve daha genel olarak, a2 – 2b2 = –1 veya +1 ise sırasıyla sa + 2bd2 - 2sa + bd2 = +1 veya or -1 , olduğunu doğrulayın. u a a. a2 + b2 = c2 olduğunu gösterin (İpucu: a = 2n + 1 alın ve b ile c’yi n cinsinden ifade edin.) 11.1 b. Doğrudan hasaplayarak, veya şekle bakarak, aşağıdaki limiti bulun lim a: q j a2 k 2 l a2 m 2 . 90. n!’in n. kökü a. limn: q s2npd1>s2nd = 1 ve buradan Stirling yaklaşımını kullanarak (Bölüm 8, Ek Alıştırma 50a) n n gösterin. n’nin büyük değerleri için 2n! L e olduğunu for large values of n . T b. (a) şıkkındaki yaklaşımı n = 40, 50, 60, …, hesap makinenizin izin verdiği kadar ilerleyerek hesaplayın. 91. a. c herhangi bir pozitif sabit olmak üzere, limn: q s1>n c d = 0 olduğunu varsayarak ln n lim c = 0 n: q n olduğunu gösterin. b. c pozitif bir sabit ise, limn: q s1>n c d = 0 olduğunu ispatlayın. (İpucu: = 0.001 ve c = 0.04 ise, n N iken u1/nc – 0u olmasını sağlamak için N ne kadar büyük olmalıdır?) 92. Fermuar teoremi Dizileri için “fermuar” teoremini ispatlayın: 5an6 ve 5bn6 ’nin ikisi de L’ye yakınsıyorsa: a1, b1, a2 , b2 , Á , an , bn , Á dizisi de L’ye yakınsar. n 93. limn: q 2n = 1 . olduğunu ispatlayın. 94. limn: q x 1>n = 1, sx 7 0d . olduğunu ispatlayın. 95. Teorem 2’yi ispatlayın. 96. Teorem 3’ü ispatlayın. 97–100 alıştırmalarında, dizinin azalmayan olup olmadığını ve üstten sınırlı olup olmadığını belirleyin. 97. an = 3n + 1 n + 1 2n3n 99. an = n! s2n + 3d! sn + 1d! 2 1 100. an = 2 - n - n 2 98. an = 101–106 alıştırmalarındaki dizilerden hangileri yakınsaktır, hangileri ıraksaktır? Yanıtlarınızı açıklayın. 1 101. an = 1 - n 1 102. an = n - n 2n - 1 103. an = 2n 2n - 1 104. an = 3n 105. an = ss -1dn + 1d a n + 1 n b Diziler 759 106. Bir dizinin ilk terimi x1 = cos(1)’dir. Bunu izleyen terimler, x2 = x1 veya cos(2), hangisi daha büyükse, ve x3 = x2 veya cos(3), hangisi daha büyükse, (sağa doğru bu şekilde devam eder) dir. Genel olarak, xn+1 = max hxn, cos (n + 1)j ile verilir. 107. Artmayan diziler Her n için an an+1 olan bir 5an6 sayı dizisine artmayan dizi denir. Her n için M an olacak şekilde bir M sayısı bulunabiliyorsa, 5an6 dizisi alttan sınırlıdır. Böyle bir M sayısına dizinin alt sınırı denir. Teorem 6’dan alttan sınırlı artmayan bir dizinin yakınsadığını ve alttan sınırlı olmayan artmayan bir dizinin ıraksadığını çıkarın. (Alıştırma 107’nin devamı) Alıştırma 107’nin sonucunu kullanarak, 108–112 alıştırmalarındaki dizilerin hangilerinin yakınsadığını, hangilerinin ıraksadığını belirleyin. 108. an = n + 1 n n 110. an = 1 - 4 2n 112. a1 = 1, 109. an = 1 + 22n 2n + 3n 4 111. an = 4n n+1 an + 1 = 2an - 3 113. hn@(n + 1)jj dizisinin en küşük üst sınırı 1’dir. M 1’den küçük bir sayıysa, hn@(n + 1)j’in terimlerinin eninde sonunda M’yi aşacağını gösterin. Yani, M 1 ise, herhangi bir n N için n@(n + 1) M olacak şekilde bir N tamsayısı vardır. Her n için, n@(n + 1) 1 olduğundan, bu 1’in hn@(n + 1)j için en küçük alt sınır olduğunu ispatlar. 114. En küçük üst sınırların tekliği M1 ve M2 5an6 dizisinin en küçük üst sınırları ise, M1 = M2 olduğunu gösterin. Yani, bir dizinin iki farklı en küçük üst sınırı olamaz. 115. Pozitif sayılardan oluşan bir 5an6 dizisinin, üstten sınırlıysa, yakınsayacağı doğru mudur? Yanıtınızı açıklayın. 116. 5an6 yakınsak bir diziyse, her pozitif sayısına karşılık, m N ve n N ⇒ u am – an u gerektirmesi sağlanacak şekilde bir N tamsayısı bulunabileceğini gösterin. 117. Limitlerin tekliği Dizilerin limitlerinin tek olduğunu ispatlayın. Yani, L1 ve L2, an → L1 ve an → L2 olacak şekilde iki sayı ise L1 = L2 olduğunu gösterin. 118. Limitler ve alt diziler Bir dizinin terimleri verilen sıralarıyla başka bir dizinin içinde yer alıyorlarsa, ilk diziye ikinci dizinin alt dizisi deriz. Bir 5an6 dizisinin iki alt dizisinin farklı L1 L2 limitleri varsa, 5an6’nin ıraksadığını ispatlayın. 119. Bir 5an6 dizisi için, çift indisli terimler a2k, tek indisli terimler a2k+1 ile gösterilmektedir. a2k → L ve a2k+1 → L ise, an → L olduğunu ispatlayın. 120. Bir 5an6 dizisi için ancak ve yalnız 5ƒ an ƒ6 mutlak değerler dizisi 0’a yakınsarsa, dizinin 0’a yakınsayacağını gösterin. 760 T Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler a. 5Sn6 dizisinin 3.5’tan küçük veya ona eşit ilk terimini bulun. Limitlerin Hesap Makinesiyle Araflt›r›lmas› 121–124 alıştırmalarında, eşitsizliğin her n N için geçerli olmasını sağlayacak bir N değeri bulmak için hesap makinesiyle deneyler yapın. Eşitsizliğin limitin formel tanımının bir ifadesi olduğunu varsayarsanız, her durumda hangi dizi ele alınmaktadır ve limiti nedir? n n 121. ƒ 20.5 - 1 ƒ 6 10 -3 122. ƒ 2n - 1 ƒ 6 10 -3 124. 2n>n! 6 10 -7 123. s0.9dn 6 10 -3 125. Newton yöntemiyle üretilen diziler Türetilebilen bir ƒ(x) fonksiyonuna uygulanan Newton yöntemi bir x0 başlangıç değeriyle başlar ve bundan uygun koşullarda ƒ’nin bir sıfırına yakınsayan bir 5xn6 dizisi üretir. Dizinin tekrarlama formülü şöyledir: xn + 1 = xn - ƒsxn d . ƒ¿sxn d T b. ƒ(x) = 7.25(0.94)x’in grafiğini çizin ve Trace kullanarak grafiğin y = 3.5 doğrusunu nerede kestiğini bulun. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI 129-140 alıştırmalarındaki dizilere aşağıdaki adımları uygularken bir BCS kullanın. a. Dizinin ilk yirmibeş terimini hesaplayın ve işaretleyin. Dizinin alttan veya üstten bir sınırı var gibi gözükmekte midir? Size yakınsar gibi mi, yoksa ıraksar gibi mi görünmektedir? Yakınsıyorsa, L limiti nedir? b. Dizi yakınsıyorsa, n N için ƒ an - L ƒ … 0.01 olacak şekilde bir N tamsayısı bulun. Hangi adımdan sonra terimlerle L arasındaki uzaklık 0.0001’den küçük kalır? 0.5 130. an = a1 + n b n a. ƒ(x) = x – a, a 0 için tekrarlama formülünün xn+1 = (xn + a@xn)@2 olarak yazılabileceğini gösterin. 2 b. x0 = 1 ve a = 3 ile başlayarak, sayılar tekrar etmeye başlayıncaya kadar dizinin birbirini izleyen terimlerini hesaplayın. Hangi sayıya yaklaşılmaktadır. Açıklayın. 126. (Alıştırma 125’in devamı.) Alıştırma 125’in (b) şıkkını a = 3 yerine a = 2 alarak tekrarlayın. 127. P/ 2 ’nin tekrarlamalı bir tanımı x1 = 1 ile başlar ve 5xn6’nin birbirini izleyen terimlerini xn = xn–1 + cos xn–1 kuralı ile tanımlarsanız, hızla p@2’ye yakınsayan bir dizi üretirsiniz. a. Deneyin. b. Aşağıdaki şekli kullanarak yakınsamanın neden bu kadar hızlı olduğunu açıklayın. an + 1 = an + 132. a1 = 1, an + 1 = an + s -2dn 1 134. an = n sin n 133. an = sin n sin n n ln n 136. an = n 137. an = s0.9999dn 139. an = 138. an = 1234561>n 8n n! cos xn 1 140. an = n 41 19n r An + 1 = a1 + m bAn + b . xn 1 xn 1 0 1 5n 131. a1 = 1, 135. an = n 141. Bileşik faizler, yatırma ve çekmeler A0 miktarında parayı yılda m kere birleştirilen belirli bir yıllık r faiziyle yatırırsanız ve her birleştirme periyodunun sonunda hesaba sabit bir b miktarı eklenirse (veya b 0 ise çekilirse), n + 1 katma periyodundan sonra elinize geçecek para y 1 129. an = 2n 1 x 128. The Wall Street Journal’ın 15 Aralık 1992 tarihli sayısının kapak makalesine göre, Ford Motor Şirketi, ortalama bir aracın kalıplarını hazırlamak için, 1980’deki tahmini 15 saatten düşük olarak 7 14 iş saati harcamaktadır. Japonlar ise 3 12 saatte bunu yapmaktadırlar. Ford’un 1980’den beri gösterdiği ilerleme yılda ortalama %6’lık bir azalma gösterir. Bu oran sürekli olursa, n yıl sonra Ford ortalama bir aracın kalıpları için yaklaşık Sn = 7.25s0.94dn saat harcayacaktır. Japonların araç başına 3 12 saat harcamaya devam ettiklerini varsayarsak, Ford’un onlara yetişmesi kaç yıl sürer? Bunu iki yolla bulun: (1) olacaktır. a. A0 = 1000, r = 0.02015, m = 12 ve b = 50 ise, ilk 100 (n, An) noktasını hesaplayın ve çizin. 5 yıl sonra hesabınızda ne kadar para olur? 5An6 yakınsar mı? 5An6 sınırlı mıdır? b. (a) şıkkını A0 = 5000, r = 0.0589, m = 12 ve b = –50 ile tekrarlayın. c. Dört ayda bir birleştirilen ve yıllık %4.5 veren bir mevduat hesabına (MH) 5000 dolar yatırır ve MH’ye daha fazla katkıda bulunmazsanız, 20.000 dolarınız olana kadar yaklaşık kaç yıl geçer? Ya, MH yılda %6.25 veriyorsa? d. Herhangi bir k 0 için, (1) denklemiyle tekrarlanarak tanımlanan dizinin k mb mb r Ak = a1 + m b aA0 + r b - r . (2) 11.2 bağıntısını sağladığı gösterilebilir. A0, r, m ve b sabitlerinin (a) şıkkında verilen değerleri için, iki dizinin de ilk 50 teriminin değerlerini karşılaştırarak bunun doğruluğunu gösterin. Sonra, doğrudan yerine koyarak, (2) denklemindeki terimlerin, tekrarlama formülü (1)’i sağladığını gösterin. 142. Lojistik fark denklemi an + 1 = rans1 - an d tekrarlama bağıntısına lojistik fark denklemi denir ve başlangıç değeri a0 verildiğinde, denklem 5an6 lojistik dizisini tanımlar. Bu alıştırmada a0’ı 0 a0 1 aralığında, mesela a0 = 0.3, seçeceğiz. a. r = 3@4 alın. Dizideki ilk 100 terim için (n, an) noktalarını hesaplayıp işaretleyin. Dizi yakınsıyor gibi midir? Sizce limit nedir? Limit a0 seçiminize bağlı mıdır? Sonsuz Seriler 761 d. Sonra r’nin 3.45 r 3.54 ve 3.54 r 3.55 aralıklarının her birinde uç noktalara yakın değerleri için davranışı araştırın. Dizinin ilk 200 terimini işaretleyin. Kendi kelimelerinizle, çizimlerinizde her aralık için gözlediğiniz davranışı tanımlayın. Dizi her aralıkta kaç değer arasında salınmaktadır? r = 3.45 ve r = 3.54 (2 ondalık basamağa yuvarlanmış) değerlerine de çatallanma değerleri denir, çünkü r bu değerleri aşarken dizinin davranışı değişir. e. Durum daha da ilginçleşir. Gerçekte, bir 3 3.45 3.54 … cn cn + 1 … çatallanma değerleri dizisi bulunur, öyle ki cn r < cn + 1 için 5an6 lojistik dizisi çekici 2n-döngüsü adı verilen 2n değerleri arasında salınır. Dahası, 5cn6 çatallanma dizisi yukarıdan 3.57 ile sınırlıdır (yani yakınsar). Bir r 3.57 değeri seçerseniz, bir çeşit 2n-döngüsü gözlersiniz. r = 3.5695 seçin ve 300 nokta işaretleyin. b. 1 r 3 aralığında birkaç r değeri seçerek, (a) şıkkındaki işlemleri tekrarlayın. Aralığın uç noktalarına yakın bazı noktalar seçtiğinizden emin olun. Çizimlerinizde gözlediğiniz dizilerin davranışını tanımlayın. f. r > 3.57 olduğunda neler olacağına bakalım. r = 3.65 seçin ve 5an6’nin ilk 300 terimini hesaplayıp, işaretleyin. Terimlerin nasıl tahmin edilemez, kaotik bir şekilde dolaştığına dikkat edin. an + 1’in değerini an’nin değerinden bulamazsınız. c. Şimdi r’nin 3 r 3.45 aralığının uç noktalarına yakın değerlerinde dizinin hareketini inceleyin. r = 3 değerine çatallanma değeri denir ve dizinin aralıktaki davranışına çekici 2’li-döngü adı verilir. Bunun davranışı neden mantıklı olarak tanımladığını açıklayın. g. r = 3.65 için, birbirine yakın iki a0 başlangıç değeri seçin, örneğin a0 = 0.3 ve a0 = 0.301. Her başlangıç değeriyle belirlenen dizilerin ilk 300 terimini hesaplayıp işaretleyin. Çizimlerinizde gözlediğiniz davranışları karşılaştırın. İki dizide de aynı indisli terimlerin birbirinden uzaklaşması için kaç terim ileri gitmeniz gerekir? Araştırmayı r = 3.75 için tekrarlayın. Çizimlerinizin a0 seçiminize göre nasıl farklılık gösterdiklerini görebiliyor musunuz? Lojistik dizi başlangıç koşulu a0’a duyarlıdır deriz. 11.2 Sonsuz Seriler Bir sonsuz seri a1 + a2 + a3 + Á + an + Á gibi bir sonsuz sayı dizisinin toplamıdır. Bu bölümün amacı böyle bir sonsuz toplamın anlamını kavramak ve bunu hesaplama yöntemleri geliştirmektir. Bir sonsuz seride toplanması gereken sonsuz tane terim bulunduğundan ne elde edildiğini görmek için sadece toplamayı sürdürmekle kalamayız. Bunun yerine, dizinin ilk n terimini toplamak ve orada durmakla ne elde ettiğimize bakarız. İlk n terimin toplamı sn = a1 + a2 + a3 + Á + an 762 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler sıradan sonlu bir toplamdır ve normal toplama ile hesaplanabilir. Buna n. kısmi toplam denir. Bölüm 11.1 de açıklanan, bir dizinin terimlerinin bir limite yaklaşması gibi, n büyüdükçe kısmi toplamların giderek bir limit değere yaklaşmasını bekleriz. Örneğin, 1 + 1 1 1 1 + + + + Á 2 4 8 16 gibi bir ifadeye bir anlam yüklemek için başlangıçtan itibaren her defasında bir terim toplar ve bu kısmi toplamların nasıl büyüdüklerine ilişkin bir kalıp ararız. Kısmi toplam için önerilen ifade Kısmi toplam Birinci: s1 = 1 İkinci: 1 s2 = 1 + 2 Üçüncü: o n.: 2 - 1 1 2 2 1 2 4 o 1 1 + 2 4 o 1 1 1 sn = 1 + + + Á + n - 1 2 4 2 s3 = 1 + 2 - 1 2n - 1 Değer 1 3 2 7 4 o n 2 - 1 2n - 1 Gerçekten de bir kalıp vardır. Kısmi toplamlar n. terimi sn = 2 - 1 . 2n - 1 olan bir dizi oluştururlar. Bu dizi 2’ye yakınsar, çünkü limn→∞(1@2n) = 0’dır. 1+ 1 1 1 + + ⋅ ⋅ ⋅ + n–1 + ⋅ ⋅ ⋅ 2 4 2 sonsuz serisinin toplamı 2’dir deriz. Bu serinin içindeki herhangi bir sonlu toplam 2’ye eşit midir? Hayır. Sonsuz sayıda terimi gerçekten bir bir toplayabilir miyiz? Hayır. Ama yine de toplamlarını n → q iken kısmi toplamlar dizisinin limiti olarak tanımlayabiliriz, bu durumda 2 (Şekil 11.5). Diziler ve limitler hakkındaki bilgilerimiz sonlu toplamlar çerçevesinden dışarıya çıkmamızı sağlar. 1 ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ 1/4 fiEK‹L 11.5 1 1/2 ⎧ ⎨ ⎩ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ 0 1/8 2 1, 12 , 14 , 18 , Á uzunlukları bir bir toplanırken, toplam 2’ye yaklaşır. 11.2 TARİHSEL BİYOGRAFİ Blaise Pascal (1623–1662) Sonsuz Seriler 763 Sonsuz Seriler, n.inci Terim, K›smi Toplam, Yak›nsar, Toplam TANIMLAR Bir 5an6 sayı dizisi verilmiş olsun. a1 + a2 + a3 + Á + an + Á şeklindeki bir ifadeye bir sonsuz seri denir. an sayısı serinin n. terimidir. s1 = a1 s2 = a1 + a2 o n sn = a1 + a2 + Á + an = a ak k=1 o ile tanımlanan 5sn6 dizisine serinin kısmi toplamlar dizisi denir. sn sayısı n. kısmi toplam dır. Kısmi toplamlar dizisi bir L limitine yakınsıyorsa, seri yakınsaktır der ve toplamının L olduğunu söyleriz. Bu durumda, ayrıca q a1 + a2 + Á + an + Á = a an = L. n=1 yazarız. Serinin kısmi toplamlar dizisi yakınsamıyorsa, seri ıraksaktır deriz. Verilen bir a1 + a2 + ⋅⋅⋅ + an + ⋅⋅⋅ serisini incelerken, yakınsadığını veya ıraksadığını bilmeyebiliriz. Her iki durumda da serileri q a an , n=1 1’den q ’a kadar toplam anlaşıldığında yararlı bir kısaltma q a ak , k=1 veya or a an şeklinde yazmak için sigma gösterimini kullanmak uygundur. Geometrik Seriler Geometrik seriler a ve r sabit reel sayılar ve a 0 olmak üzere, q a + ar + ar 2 + Á + ar n - 1 + Á = a ar n - 1 n=1 şeklindeki serilerdir. r oranı, 1 + 1 1 1 + + Á + a b 2 4 2 n-1 + Á, serisindeki gibi pozitif, veya 1 - 1 1 1 + - Á + a- b 3 9 3 n-1 + Á. serisindeki gibi negatif olabilir. r = 1 ise, (1) denklemindeki serinin n. kısmi toplamı sn = a + as1d + as1d2 + Á + as1dn - 1 = na, 764 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler olur ve seri ıraksar, çünkü, a’nın işaretine bağlı olarak, limn→∞ sn = ∞ olur. r = –1 ise, seri ıraksar, çünkü n. kısmi toplamlar a ile 0 arasında değişip dururlar. uru 1 ise, serinin yakınsaklığını veya ıraksaklığını aşağıdaki gibi inceleyebiliriz: sn = a + ar + ar 2 + Á + ar n - 1 rsn = ar + ar 2 + Á + ar n - 1 + ar n n sn - rsn = a - ar sns1 - rd = as1 - r n d sn = as1 - r n d , 1 - r sn’yi r ile çarpın. sn’den rsn’yi çıkarın. Sağdaki terimlerin çoğu birbirini götürür. Çarpanlarına ayırın. r ≠ 1 ise, sn’yi çözebiliriz. sr Z 1d. u ru 1 ise, n → ∞ iken rn → 0 (Bölüm 11.1’deki gibi) ve sn → a@(1 – r) bulunur. ur u 1 ise urn u → ∞ olur ve seri ıraksar. u ru 1 ise, a + ar + ar2 + ⋅⋅⋅ + arn–1 + ⋅⋅⋅ geometrik serisi a@(1 – r)’ye yakınsar. q a ar n=1 n-1 = a , 1 - r ƒ r ƒ 6 1. u ru 1 ise, seri ıraksar. Bir geometrik serinin ne zaman yakınsadığını veya ıraksadığını ve nereye yakınsadığını belirledik. Bundan sonraki birkaç bölümde göreceğimiz gibi çoğunlukla bir serinin nereye yakınsadığını bilmeksizin yakınsak olduğunu belirleyebiliriz. Bir geometrik serinin q toplamını veren a@(1 – r) formülü sadece g n = 1 ar n - 1 ifadesindeki toplama indisi n = 1 q n (veya seriyi g n = 0 ar şeklinde yazarsak n = 0) ile başladığında uygulanabilir. ÖRNEK 1 n = 1 ile Bafllayan ‹ndis a = 1@ 9 ve r = 1@3 ile oluşturulan geometrik seri 1 1 1 1 1 + + + Á = a a b 9 27 81 n=1 9 3 q n-1 = 1>9 1 = . 6 1 - s1>3d şeklindedir. ÖRNEK 2 n = 0 ile Bafllayan ‹ndis s -1dn5 5 5 5 + Á = 5 - + n 4 16 64 4 n=0 q a serisi, a = 5 ve r = –1@4 ile bir geometrik seridir. Bu seri 5 a = = 4. 1 - r 1 + s1>4d değerine yakınsar. ÖRNEK 3 Z›playan Bir Top Bir topu a metre yüksekten düz bir yüzeye bırakıyorsunuz. Top bir h yüksekliğinden düştükten sonra her yüzeye çarptığında, bir rh yüksekliğine zıplıyor. Burada r pozitif, fakat 1’den küçüktür. Topun yukarı ve aşağı aldığı toplam yolu bulun (Şekil 11.6). 11.2 a Çözüm Sonsuz Seriler 765 Toplam mesafe s = a + 2ar + 2ar 2 + 2ar 3 + Á = a + (''''''')'''''''* Bu toplam 2ar@(1 – r). 2ar 1 + r = a . 1 - r 1 - r ar olarak bulunur. Örneğin, a = 6 m ve r = 2@3 ise, toplam mesafe ar2 s = 6 1 + s2>3d 5>3 = 6a b = 30 m. 1>3 1 - s2>3d ar3 olur. ÖRNEK 4 Tekrarlanan Ondal›k Basamaklar Tekrarlanan 5.232323… ondalık basamakları iki tamsayının oranı olarak ifade edin. (a) Çözüm 5.232323 Á = 5 + 23 23 23 + + + Á 100 s100d2 s100d3 2 23 1 1 = 5 + a1 + + a b + Áb 100 100 100 a = 1, r = 1>100 ('''''''')''''''''* 1>s1 - 0.01d = 5 + 23 23 518 1 a b = 5 + = 100 0.99 99 99 Ne yazık ki, yakınsak bir geometrik serininki gibi formüller çok nadirdir ve çoğunlukla bir serinin toplamının bir tahminiyle yetinmek zorunda kalırız (bu konu daha sonra incelenecek). Ancak, aşağıdaki örnek toplamı kesin olarak bulabildiğimiz başka bir durumdur. ÖRNEK 5 Geometrik Olmayan Fakat Teleskopik Olan Seriler q 1 a nsn + 1d . serisinin toplamını bulun. n=1 (b) FIGURE 11.6 (a) Örnek 3, her zıplamanın yüksekliği bir r çarpanı ile azalıyorsa, zıplayan bir topun aldığı toplam yolu hesaplamak için bir geometrik serinin nasıl kullanılacağını göstermektedir. (b) Zıplayan bir topun stroboskobik bir fotoğrafı. Çözüm Kısmi toplamlar dizisinde, sk için bir formül verecek bir kalıp ararız. Anahtar, 1 1 1 = n , n + 1 nsn + 1d kısmi kesirler ayrışımındadır. Buradan, k k n=1 n=1 1 1 1 a nsn + 1d = a a n - n + 1 b ve sk = a 1 1 1 1 1 1 1 1 - b + a - b + a - b + Á + a b. 1 2 2 3 3 4 k k + 1 elde edilir. Parantezleri kaldırıp, zıt işaretli terimleri sadeleştirirsek, sk = 1 buluruz. 1 . k + 1 766 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Artık, k → ∞ iken, sk → 1 olduğunu görüyoruz. Seri yakınsar ve toplamı 1’dir. : q 1 a nsn + 1d = 1. n=1 Iraksak Seriler Bir serinin yakınsak olmamasının bir nedeni terimlerinin giderek küçülmeyişidir. ÖRNEK 6 Her Say›y› Aflan K›smi Toplamlar (a) q 2 Á + n2 + Á an = 1 + 4 + 9 + n=1 serisi ıraksar, çünkü kısmi toplamlar her L sayısından daha büyüktür. n = 1’den sonra, sn = 1 + 4 + 9 + ⋅⋅⋅ + n2 kısmi toplamı n2’den büyük olur. (b) q a n=1 3 n + 1 2 4 Á + n + 1 + Á n = 1 + 2 + 3 + n serisi ıraksar, çünkü kısmi toplamlar önceden belirlenen her sayıyı aşar. Her terim 1’den büyüktür, dolayısıyla, n terimin toplamı n’den büyük olur. Iraksakl›k ‹çin n. Terim Testi g n = 1 an serisi yakınsaksa, limn→∞ an’nin sıfıra eşit olması gerektiğine dikkat edin. Nedenini anlamak için, S serinin toplamını temsil etsin ve sn = a1 + a2 + ⋅⋅⋅ + an de n. kısmi toplam olsun. n büyükken, hem sn hem de sn – 1 S’ye yakındır, dolayısıyla farkları, an sıfıra yakındır. Daha düzgün olarak, q → an = sn – sn – 1 S–S=0 Diziler için Fark Kuralı yazılabilir. Bunlar aşağıdaki teoremi getirir. Dikkat q Teorem 7, an → 0 ise g n = 1 an’nin yakınsayacağını söylemez. an → 0 iken bir serinin ıraksaması mümkündür. TEOREM 7 q a an yakınsıyorsa, an → 0 olur. n=1 Teorem 7, Örnek 6 da ortaya çıkan ıraksaklık çeşidini belirlemek için bir teste yol açar. Iraksaklık için n. Terim Testi q lim an yoksa veya sıfırdan farklıysa, a an ıraksar. n: q n=1 11.2 ÖRNEK 7 Sonsuz Seriler 767 n. terim testini uygulayarak afla¤›dakileri bulabiliriz: q (a) a n 2 ıraksar, çünkü n 2 : q n=1 q (b) a n=1 q n + 1 n + 1 n ıraksar, çünkü n :1 (c) a s -1dn + 1 ıraksar, çünkü limn: q s -1dn + 1 yoktur n=1 q -n -n 1 = - Z 0. dır. (d) a ıraksar, çünkü limn: q 2n + 5 2n + 5 2 n=1 ÖRNEK 8 an : 0, Fakat Seri Iraksar. Terimlerin toplamları 1 olan kümelere gruplandığından, dolayısıyla kısmi toplamlar sınırsız olarak büyüdüğünden 1 + 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + + + + + + Á + n + n + Á + n + Á 2 2 4 4 4 4 2 2 2 (')'* 2 terim ('''')''''* 4 terim (''''')'''''* 2n terim serisi ıraksar. Halbuki serinin terimleri sıfıra yakınsayan bir dizi oluştururlar. Bölüm 11.3’teki Örnek 1, harmonik serinin de aynı biçimde davrandığını gösterir. Serileri Birlefltirmek Elimizde iki yakınsak seri bulunuyorsa, bu serileri terim terim toplayabilir, terim terim çıkarabilir veya bunları sabitlerle çarparak yakınsak yeni seriler elde edebiliriz. TEOREM 8 gan = A ve gbn = B yakınsak serilerse, aşağıdaki kurallar geçerlidir. 1. 2. 3. Toplam Kuralı: Fark Kuralı: Sabitle Çarpım Kuralı: gsan + bn d = gan + gbn = A + B gsan - bn d = gan - gbn = A - B (Herhangi bir k)kd. gkan = kgan = kA sAny number ‹spat Seriler için bu üç kural, diziler için verilen Bölüm 11.1, Teorem 1’deki benzer kurallardan çıkar. Serilerin Toplam Kuralı’nı ispatlamak için, An = a1 + a2 + Á + an , Bn = b1 + b2 + Á + bn . olsun. Bu durumda, gsan + bn d’nin kısmi toplamları sn = sa1 + b1 d + sa2 + b2 d + Á + san + bn d = sa1 + Á + an d + sb1 + Á + bn d = An + Bn . olur. 768 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler An → A ve Bn → B olduğundan, dizilerin Toplam Kuralından sn → A + B elde ederiz. Fark Kuralı’nın ispatı da benzerdir. Serilerin Sabitle Çarpım Kuralını ispatlamak için, gkan’nin kısmi toplamlarının, dizilerin Sabitle Çarpım Kuralından kA’ya yakınsayan sn = ka1 + ka2 + Á + kan = ksa1 + a2 + Á + an d = kAn , serisini oluşturduklarına dikkat edin. Teorem 8’in sonuçları olarak şunları buluruz: Iraksak bir serinin sıfırdan farklı sabit bir katı ıraksar. gan yakınsıyor ve gbn ıraksıyorsa, hem gsan + bn d hem de gsan - bn d ıraksar. 1. 2. İspatları atlıyoruz. D‹KKAT gan ve gbn serilerinin ikiside ıraksak iken gsan + bn d serisinin yakınsayabildiğini hatırlayın. Örneğin, gan = 1 1 1 ıraksarlar oysa gsan + bn d = 0 0 0 ÖRNEK 9 ve gbn = (–1) sıfıra yakınsar. (–1) (–1) Aşağıdaki serilerin toplamlarını bulun. 3n - 1 - 1 1 1 = a a n-1 - n-1 b 6n - 1 6 n=1 n=1 2 q q (a) a q 1 q 1 n-1 2 6 n=1 n=1 1 1 = 1 - s1>2d 1 - s1>6d = a - a n-1 = 2 = a = 1 ve r = 1@2, 1@6 ile geometrik seriler 6 5 4 5 q (b) Fark Kuralı q 4 1 a 2n = 4 a 2n n=0 n=0 = 4a 1 b 1 - s1>2d Sabitle Çarpım Kuralı a = 1 ve r = 1@2 ile bir geometrik seri = 8 Terim eklemek veya ç›karmak Bir seriye her zaman, serinin yakınsaklığını veya ıraksaklığını değiştirmeden, sonlu sayıda terim ekleyebilir veya sonlu sayıda terim çıkartabiliriz, ancak yakınsaklık durumunda bu q q genellikle toplamı değiştirir. g n = 1 an yakınsıyorsa, herhangi bir k 1 için, g n = k an de yakınsar ve q a an = a1 + a2 + n=1 q Á + ak - 1 + a an . n=k q q yazılabilir. Tersten söylersek, g n = k an herhangi bir k 1 için yakınsıyorsa, g n = 1 an yakınsar. Yani, de 11.2 q q n=1 n=4 Sonsuz Seriler 769 1 1 1 1 1 a 5n = 5 + 25 + 125 + a 5n ve 1 1 1 1 1 a n = a a 5n b - 5 - 25 - 125 . n=4 5 n=1 q TARİHSEL BİYOGRAFİ olur. Richard Dedekind (1831–1916) Yeniden ‹ndisleme q Terimlerinin sırasını korudukça, herhangi bir seriyi, yakınsaklığını değiştirmeden yeniden indisleyebiliriz. İndisin başlangıç değerini h birim yükseltmek için, an’nin formülünde n yerine n – h yazın: q q a an = n=1 Á. a an - h = a1 + a2 + a3 + n=1+h İndisin başlangıç değerinin h birim azaltmak içinse, an’nin formülünde n yerine n + h yazın: q q a an = n=1 Á. a an + h = a1 + a2 + a3 + n=1-h Bu yatay bir kayma gibi çalışır. Bunu, bir geometrik seride n = 1 indisi yerine n = 0 indisi ile başlamakta gördük, fakat herhangi başka bir başlangıç indisi de kullanabiliriz. Genellikle basit ifadeler veren indislemeleri tercih ederiz. ÖRNEK 10 Bir Geometrik Seriyi Yeniden ‹ndislemek q 1 1 1 Á a 2n - 1 = 1 + 2 + 4 + n=1 geometrik serisini q q 1 a 2n , n=0 1 a n - 5, n=5 2 q or even veya hatta 1 a 2n + 4 . n = -4 şeklinde yazabiliriz. Hangi indislemeyi seçersek seçelim kısmi toplamlar aynı kalır. ALIfiTIRMALAR 11.2 n. K›smi Toplamlar› Bulmak 5. 1 1 1 1 + # + # + Á + + Á 2#3 3 4 4 5 sn + 1dsn + 2d 1–6 alıştırmalarında, her serinin n.inci kısmi toplamı için bir formül bulun ve bunu, seri yakınsaksa, serinin toplamını bulmak için kullanın. 6. 5 5 5 5 + # + # + Á + + Á 1#2 2 3 3 4 nsn + 1d 1. 2 + 2 2 2 2 + + + Á + n-1 + Á 3 9 27 3 Geometrik Terimli Seriler 9 9 9 9 + + + Á + + Á 2. 100 100 n 100 2 100 3 7–14 alıştırmalarında, her serinin ilk birkaç terimini yazarak serilerin nasıl başladığını gösterin. Serinin toplamını bulun. 1 1 1 1 + - + Á + s -1dn - 1 n - 1 + Á 2 4 8 2 4. 1 - 2 + 4 - 8 + Á + s -1dn - 1 2n - 1 + Á q q 7. a 8. a 3. 1 - s -1dn 4n n=0 1 n n=2 4 770 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler q q 7 n n=1 4 ƒ r ƒ 6 1 eşitsizliğini x cinsinden ifade ederek eşitsizliğin sağlandığı ve serinin yakınsak olduğu x değerlerini bulun. 5 4n 9. a 10. a s -1dn 5 1 11. a a n + n b 3 n=0 2 5 1 12. a a n - n b 3 n=0 2 n=0 q q n s -1d 1 b 13. a a n + 5n n=0 2 q q n=0 q 43. a 3 a 2 14. a a n b 5 n=0 q q 41. a s -1dnx n n+1 n=0 Teleskopik Seriler 15–22 alıştırmalarındaki her serinin toplamını kısmi kesirler kullanarak bulun.. x - 1 b 2 42. a s -1dnx 2n n=0 q n s -1dn 1 a b 2 3 + sin x n=0 n 44. a 45–50 alıştırmalarında, verilen geometrik serinin yakınsak olduğu x değerlerini bulun. Ayrıca, x’in bu değerlerinde serilerin toplamını (x’in bir fonksiyonu olarak) bulun. q q q q 15. a 16. a 6 n = 1 s2n - 1ds2n + 1d 45. a 2nx n 46. a s -1dnx -2n q q 4 n = 1 s4n - 3ds4n + 1d n=0 q n=0 q n 40n 17. a 2 2 n = 1 s2n - 1d s2n + 1d 2n + 1 18. a 2 2 n = 1 n sn + 1d 47. a s -1dnsx + 1dn 1 48. a a- b sx - 3dn 2 n=0 1 1 20. a a 1>n - 1>sn + 1d b 2 n=1 2 49. a sinn x 50. a sln xdn q 19. a a 1 n=1 2n 21. a a 1 1 b ln sn + 2d ln sn + 1d q n=1 q 1 - 2n + 1 b q n=0 22 n q 25. n+1 3 a s -1d 2n n=1 q 27. a cos np n=0 q 29. a e n=0 q 31. a 24. a A 22 B n q 57. 1.24123 = 1.24 123 123 123 Á q 26. a s -1d n=1 q 28. a n=0 n n=1 q 2 32. a n Teori ve Örnekler cos np 5n 1 n=0 x 59. Örnek 5’teki seri q n, 1 a n = 1 sn + 1dsn + 2d ƒxƒ 7 1 2n - 1 3n n=0 1 34. a a1 - n b q n! 35. a n 1000 n=0 nn 36. a n = 1 n! 37. a ln a 38. a ln a q n b n + 1 e 39. a a p b q 58. 3.142857 = 3.142857 142857 Á 1 30. a ln n 33. a n=1 55. 0.06 = 0.06666 Á 56. 1.414 = 1.414 414 414 Á n=0 n+1 54. 0.‚d = 0.dddd … d bir basamaklıdır. q -2n n = 1 10 q Tekrarlanan Ondal›k Basamaklar 53. 0.7 = 0.7777 Á 23–40 alıştırmalarındaki serilerin hangileri yakınsak hangileri ıraksaktır? Yanıtınızı açıklayın. Yakınsak serilerin toplamını bulun. b n n=0 n=0 52. 0.234 = 0.234 234 234 Á Yak›nsakl›k veya Iraksakl›k 1 n=0 51. 0.23 = 0.23 23 23 Á n=1 q q 51–58 alıştırmalarındaki sayıların herbirini iki tamsayının oranı olarak ifade edin. 22. a stan-1 snd - tan-1 sn + 1dd 23. a a n=0 q q n n=1 n b 2n + 1 q e np ne n=0 p 40. a 1 a n = -1 sn + 3dsn + 4d . olarak da yazılabilir. Bu seriyi (a) n = –2, (b) n = 0, (c) n = 5 ile başlayan birer seri olarak yazın. 60. Örnek 6’daki seri q 5 a n = 1 nsn + 1d n=1 q q q ve and q and ve a 5 n = 0 sn + 1dsn + 2d . olarak da yazılabilir. Bu seriyi (a) n = –1, (b) n = 3, (c) n = 20 ile başlayan birer seri olarak yazın. 61. Sıfırdan faklı terimlerden oluşan ve toplamları a. 1 b. –3 c. 0 olan sonsuz seriler kurun. Geometrik Seriler 62. (Alıştırma 61’in devamı) İstediğiniz sayıya yakınsayan sıfırdan farklı terimli sonsuz bir seri kurabilir misiniz? Açıklayın. 41–44 alıştırmalarındaki serilerin her birinde, a ve r’yi bulmak için serinin ilk birkaç terimini yazın ve serinin toplamını bulun. Sonra 63. Örnekle, gan ve gbn yakınsak olsa ve hiçbir bn sıfır olmasa bile, gsan>bn d ’nin ıraksayabileceğini gösterin. 11.2 771 Sonsuz Seriler 64. gan bn’nin AB’ye eşit olmadan yakınsayabileceğini gösterecek yakınsak A = gan ve B = gbn geometrik serisi bulun. 65. Örnekle, A = gan , B = gbn 0 olsa ve hiçbir bn sıfır olmasa bile, gsan>bn d’nin A@B’den farklı bir sayıya yakınsayabileceğini gösterin. 1/8 1/4 66. gan yakınsıyorsa ve her n için an 0 ise, (1@an) hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. 67. Iraksak bir seriye sonlu sayıda terim eklerseniz veya ıraksak bir seriden sonlu sayıda terim çıkarırsanız ne olur? Yanıtınızı açıklayın. 68. gan yakınsak ve gbn ıraksaksa, terim-terim toplamları (an + bn) hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. 69. Aşağıdaki koşullarda, 5 sayısına yakınsayan bir gar geometrik serisi kurun. a. a = 2 n-1 1/2 77. Helga von Koch’un kar tanesi eğrisi Helga von Koch’un kar tanesi eğrisi sonlu bir alanı sınırlayan sonsuz uzunluklu bir eğridir. Bunun neden böyle olduğunu anlamak için, eğrinin kenarları 1 uzunluğunda olan bir eşkenar üçgenle başlatıldığını varsayın. b. a = 13>2 . a. n. eğri Cn’nin uzunluğu Ln’yi bulun ve limn→∞ Ln = q olduğunu gösterin. 70. 1 + e b + e 2b + e 3b + Á = 9 . olmasını sağlayacak b değerini bulun. b. Cn’nin çevrelediği An alanını bulun ve limn→∞ An’yi hesaplayın. 71. Hangi r değerlerinde 1 + 2r + r 2 + 2r 3 + r 4 + 2r 5 + r 6 + Á sonsuz serisi yakınsar? Yakınsak serinin toplamını bulun. 72. Yakınsak bir seri yerine sn kısmi toplamlarından birini yazmanın vereceği (L – sn) hatasının arn@(1 – r) olduğunu gösterin. 1. Eğri 2. Eğri 73. Bir top 4 m yükseklikten bırakılmaktadır. h metrelik yükseklikten kaldırıma her çarptığında 0.75h yüksekliğine sıçramaktadır. Topun aşağı ve yukarı aldığı toplam mesafeyi bulun. 74. (Alıştırma 73’ün devamı) Alıştırma 73’teki topun hareket ettiği toplam süreyi saniye olarak bulun. (İpucu: s = 4.9t2 formülü t = 2s>4.9 . verir.) 75. Aşağıdaki şekil bir kareler dizisinin ilk beşini göstermektedir. En dıştaki karenin alanı 4 m2’dir. Diğer her kare kendinden önceki karelerin kenarlarının orta noktaları birleştirilerek oluşturulmuştur. Tüm karelerin alanlarının toplamını bulun. 3. Eğri 4. Eğri 78. Aşağıdaki şekil g n = 1 s1>n 2 d ’nin 2’den küçük olduğunun formel olmayan bir ispatını verir. Ne olduğunu açıklayın. (Kaynak: “Convergence with Pictures”, P.J: Rippon, American Mathematical Monthly, Vol. 93, No. 6, 1986, s. 476-478.) q 1 72 1 32 1 1 1 22 76. Aşağıdaki şekil yarım çember sıralarından oluşan bir dizinin ilk üç sırasını ve dördüncü sırasının bir bölümünü göstermektedir. n. sırada yarıçapları 1@2n olan 2n yarım çember vardır. Tüm yarım çemberlerin alanlarının toplamını bulun. 1 1 2 1 62 1 52 … 1 42 1 4 … 772 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 11.3 ‹ntegral Testi Elimizde bir an serisi varsa, iki soru sorarız: Seri yakınsar mı? Yakınsarsa, toplamı nedir? 1. 2. q Bu bölümün geri kalanının çoğu ilk soruya ayrılmıştır ve bu bölümde, 11 ƒsxd dx. genelleştirilmiş integralinin yakınsaklığına bir bağlantı kurarak, bu soruyu cevaplıyoruz. Fakat pratik bakımdan, ikinci soru da aynı derecede önemlidir ve buna daha sonra döneceğiz. Bu ve bundan sonraki iki alt bölümde, negatif terimler içermeyen serileri inceleyeceğiz. Bu kısıtlamanın nedeni, bu serilerin kısmi toplamlarının azalmayan diziler oluşturması ve üstten sınırlı azalmayan dizilerin daima yakınsamasıdır. (Bölüm 11.1, Teorem 6). Terimleri negatif olmayan bir serinin yakınsadığını göstermek için, sadece kısmi toplamlarının üstten sınırlı olduklarını göstermemiz gerekir. Bu yaklaşımın söz konusu serinin toplamını bulmadan yakınsaklığını belirlemesi, ilk bakışta bir çekingenlik yaratabilir. Elbette, serilerin toplamlarını doğrudan kısmi toplamların formüllerinden hesaplamak daha iyidir. Fakat birçok durumda, bu tip formüller bulunamaz ve bunların yokluğunda, önce yakınsaklığı doğrulamak, sonra da toplama yaklaşım yapmaktan oluşan iki adımlı işleme dönmek zorunda kalırız. Azalmayan K›smi Toplamlar g n = 1 an’nin, her n için an 0 olacak şekilde bir sonsuz seri olduğunu varsayın. Bu durumda, her kısmi toplam kendinden öncekine eşit veya ondan büyüktür, çünkü sn+1 = sn + an’dir: q s1 s2 s3 ⋅⋅⋅ sn sn+1 ⋅⋅⋅ Kısmi toplamlar azalmayan bir dizi oluşturduklarından dolayı, Azalmayan Dizi Teoremi (Bölüm 11.1, Teorem 6) serinin ancak ve yalnız kısmi toplamları üstten sınırlıysa yakınsayacağını söyler. Teorem 6’n›n Sonucu q Negatif terimler içermeyen bir g n = 1 an serisi ancak ve yalnız kısmi toplamları üstten sınırlıysa yakınsar. TARİHSEL BİYOGRAFİ ÖRNEK 1 Harmonik Seri q 1 1 1 Á + 1 + Á a n = 1 + 2 + 3 + n Nicole Oresme (1320–1382) n=1 serisine harmonik seri denir. Harmonik seri ıraksar, fakat n. Terim Testinden dolayı değildir. n.inci terim, 1@n, sıfıra gider fakat seri yine de ıraksaktır. Iraksamanın nedeni kısmi toplamlarının bir üst sınırının olmamasıdır. Nedenini anlamak için, serideki terimleri aşağıdaki şekilde gruplandırın: 1 + 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + a + b + a + + + b + a + + Á + b + Á. 5 7 2 3 4 6 8 9 10 16 ('')''* (''''')'''''* ('''''')''''''* 7 24 = 12 7 48 = 12 8 7 16 = 12 11.3 ‹ntegral Testi 773 İlk iki terimin toplamı 1.5’tir. Sonraki iki terimin toplamı ise, 1@4 + 1@4 = 1@2’den büyük olan 1@3 + 1@4’tür. Bundan sonraki dört terimin toplamı ise, 1@5 + 1@6 +1@7 + 1@ 8’dir ki, bu da 1@8 + 1@8 + 1@8 + 1@8 = 1@2’den büyüktür. Sonraki sekiz terimin toplamı 1@9 + 1@10 + 1@11 + 1@12 + 1@13 + 1@14 + 1@15 + 1@16’dır ki, bu da 8@16 = 1@2’den büyüktür. Daha sonraki 16 terimin toplamı 16@32 = 1@2’den büyüktür ve toplam böyle devam eder. Genel olarak, 1@2n + 1 ile biten 2n terimin toplamı, 2n@2n + 1 = 1@2’den büyüktür. Kısmi toplamlar dizisi üstten sınırlı değildir: n = 2k ise, sn kısmi toplamı k@2’den büyüktür. Harmonik seri ıraksar. ‹ntegral Testi İntegral Testini harmonik seriyle ilişkili, fakat n. terimi 1@n yerine 1@n2 olan bir seriyle tanıtacağız. ÖRNEK 2 y Aşağıdaki seri yakınsar mı? q (1, f(1)) a 1 n=1 n f(x) 12 'nin grafiği x 1 12 1 32 (3, f(3)) 1 22 0 1 2 3 4 … 1 42 1 n2 (n, f(n)) n1 n… = 1 + 1 1 1 1 + + + Á + 2 + Á 4 9 16 n g n = 1s1>n 2 d’nin yakınsaklığını, 11 s1>x 2 d dx. ile karşılaştırarak belirleriz. Karşılaştırmayı yürütmek için, serinin terimlerini ƒ(x) = 1@x2 fonksiyonunun değerleri olarak düşünür ve bu değerleri y = 1@x2 eğrisinin altındaki dikdörtgenlerin alanları olarak yorumlarız. Şekil 11.7’den görüldüğü gibi, Çözüm (2, f(2)) 2 q q 1 1 1 1 + 2 + 2 + Á + 2 12 2 3 n = ƒs1d + ƒs2d + ƒs3d + Á + ƒsnd x sn = fiEK‹L 11.7 f (x) = 1>x 2’nin grafiği altındaki dikdörtgenlerin alanlarının toplamı grafiğin altındaki alandan küçüktür (Örnek 2). n 6 ƒs1d + 1 dx 2 x L1 q 1 dx 2 L1 x 6 1 + 1 = 2. 6 1 + Bölüm 8.8, Örnek 3’te olduğu q gibi, 11 s1>x2 d dx = 1 .’dir. bulunur. Yani, g n = 11>n 2’nin kısmi toplamları üstten sınırlıdır (2 ile) ve seri yakınsar. Serinin toplamı p2@6 1.64493’tür (Bölüm 11.11 de Alıştırma 16’ya bakın). q Dikkat Yakınsaklık durumunda serinin ve integralin değerlerinin aynı olması gerekmez. Örnek 2’de gördüğümüz gibi, q g n = 1s1>n 2 d = p2>6 iken q 2 11 s1>x d dx = 1 . ’dir. ‹ntegral Testi TEOREM 9 5an6 pozitif terimli bir dizi olsun ƒ, her x N (N pozitif bir tamsayı) için x’in sürekli, pozitif ve azalan bir fonksiyonu olmak üzere, an = ƒ(n) olduğunu q q varsayın. Bu durumda, g n = N an serisi ve 1N ƒsxd dx integralinin ikisi de ya yakınsar, ya da ıraksar. ‹spat Testi N = 1 için kullanacağız. Genel N değerleri için ispat benzerdir. ƒ’nin, her n için ƒ(n) = an olmak üzere, azalan bir fonksiyon olduğu varsayımıyla işe başlarız. Bu bizi, Şekil 11.8(a)’da, alanları a1, a2, …, an olan dikdörtgenlerin, birlikte, 774 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler x = 1’den x = n + 1’e kadar y = ƒ(x) eğrisinin altında kalan alandan daha fazla alan kapladıklarını gözlemeye götürür. Yani, y n+1 a2 an 0 1 n 3 2 ƒsxd dx … a1 + a2 + Á + an . L1 y f(x) a1 n1 x Şekil 11.8(b)’de, dikdörtgenler sağa doğru değil, sola doğru yerleştirilmişlerdir. Bir a1 için ilk dikdörtgeni göz ardı edersek, n (a) a2 + a3 + Á + an … y L1 ƒsxd dx. olduğunu görürüz. a1’i de eklersek, 0 n y f(x) a1 a2 1 a1 + a2 + Á + an … a1 + a3 2 an n1 n 3 x ƒsxd dx. buluruz. Bu iki sonucu birleştirmek n+1 (b) fiEK‹L 11.8 İntegral Testinin koşullarına q uygun olarak, g n = 1 an serisi ve q 11 ƒsxd dx integralinin ikisi de ya yakınsar, ya da ıraksar. L1 L1 n ƒsxd dx … a1 + a2 + Á + an … a1 + ƒsxd dx. L1 verir. Bu eşitsizlikler her n için geçerlidir ve n → q iken de geçerli kalırlar. q 1 ƒsxd dx sonlu ise sağ taraftaki eşitsizlik gan’nin sonlu olduğunu gösterir. q 1 11 ƒsxd dx sonsuz ise sol taraftaki eşitsizlik gan’nin sonsuz olduğunu gösterir. Dolayısıyla, seri ve integralin ikisi de ya sonludur, ya da sonsuzdur. ÖRNEK 3 p-Serisi q a 1 n=1 n p = 1 1 1 1 + p + p + Á + p + Á 1p 2 3 n p-serisinin (p reel bir sabit) p 1 ise yakınsayacağını, p 1 ise ıraksayacağını gösterin. Çözüm p 1 ise, ƒsxd = 1>x p , x’in pozitif azalan bir fonksiyonu olur. q L1 b x -p + 1 1 x -p dx = lim c d p dx = x b: q -p + 1 1 L1 q = 1 1 lim a - 1b 1 - p b: q b p - 1 = 1 1 s0 - 1d = , 1 - p p - 1 p – 1 0 olduğundan b → ∞ iken bp – 1 → ∞ olduğundan, İntegral Testine göre seri yakınsaktır. p-Serisinin toplamının 1@(p – 1) olmadığını vurguluyoruz. Seri yakınsaktır fakat hangi değere yakınsadığını bilmiyoruz. p 1 ise, 1 – p 0 ve q L1 1 1 dx = lim sb 1 - p - 1d = q . 1 - p b: q xp olur. İntegral Testi’ne göre seri ıraksaktır. 11.3 ‹ntegral Testi 775 p = 1 ise, (ıraksak) harmonik seriyi buluruz: 1 + 1 1 1 + + Á + n + Á. 2 3 p 1 için yakınsaklık vardır, fakat başka her p değeri için ıraksaklık bulunur. p = 1 ile p-serisi harmonik seridir (Örnek 1). p-Serisi Testi harmonik serinin ancak zorbela ıraksadığını gösterir; p’yi örneğin 1.000000001’e yükseltirsek seri yakınsak olur! Harmonik serinin kısmi toplamlarının sonsuza gitmesinin yavaşlığı etkileyicidir. Örneğin, harmonik serinin kısmi toplamlarının 20’yi aşması için yaklaşık 178,482,301 terim gerekir. Hesap makinenizle bu kadar çok terimi toplamak birkaç hafta sürerdi. (Ayrıca, Alıştırma 33b’ye bakın) ÖRNEK 4 Yak›nsak Bir Seri q a n=1 n 2 1 + 1 serisi, İntegral Testine göre yakınsar. ƒ(x) = 1@(x2 + 1) fonksiyonu x 1 için pozitif, sürekli ve azalandır, ve q L1 b 1 dx = lim C arctan x D 1 q b: x + 1 = lim [arctan b - arctan 1] 2 b: q p p p = . 2 4 4 = tür. Yine serinin toplamının p@4 olmadığını vurguluyoruz. Seri yakınsaktır, fakat toplamının değerini bilmiyoruz. Örnek 4’teki serinin yakınsaklığı, 1@n2 serisiyle karşılaştırma ile de gerçeklenebilirdi. Karşılaştırma testleri bundan sonraki bölümde incelenmektedir. ALIfiTIRMALAR 11.3 q Yak›nsakl›k veya Iraksakl›¤› Belirlemek 10. a 1–30 alıştırmalarındaki serilerin hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Yanıtlarınızı açıklayın. (Bir yanıtı kontrol ederken, bir serinin yakınsaklığını veya ıraksaklığını belirlemenin birden fazla yolu olduğunu hatırlayın) 13. a q 1 n 10 n=1 q q n n + 1 n=1 1. a 2. a e -n 3. a q 3 q 5 4. a n=1 n + 1 q 1 7. a - n 8 n=1 n=1 q 5. a n = 1 2n q -8 8. a n n=1 6. a -2 n = 1 n2n q ln n 9. a n n=2 q 1 1 A 2n + 1 B 21. a q 2n n + 1 n=1 15. a 2n n = 2 ln n 1 18. a a1 + n b q q 17. a n n = 1 sln 2d q s1>nd n = 3 sln nd2ln2 n - 1 n 1 n = 1 2n - 1 14. a q 19. a 12. a q -2 n=0 n + 1 n = 1 2n q 5n n=1 4 + 3 11. a n = 2 2n q 16. a q 2n n n=1 3 ln n n=1 q 20. a 1 n n = 1 sln 3d q 22. a 1 2 n = 1 ns1 + ln nd n 776 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler q q 1 23. a n sin n n=1 q 1 24. a n tan n n=1 q n e 2n n=1 1 + e 25. a 39. Logaritmik p-serisi a. Ancak ve yalnız p 1 ise 2 n n=1 1 + e q 26. a q q 27. a 28. a 8 tan-1 n 2 n=1 1 + n 2 n + 1 q n=1 n q 29. a sech n 30. a sech2 n n=1 L2 dx xsln xd p birconstantd sabit) s p(papozitif positive integralinin yakınsak olduğunu gösterin. b. (a) şıkkındaki sonuç q 1 a nsln nd p ? n=1 n=2 Teori ve Örnekler serisinin yakınsaklığı hakkında ne söyler? Yanıtınızı açıklayın. 31 ve 32 alıştırmalarındaki seriler, yakınsıyorlarsa, hangi a değerleri için yakınsarlar? 31. a a q n=1 32. a a a 1 b n + 2 n + 4 q n=3 2a 1 b n - 1 n + 1 33. a. Şekil 11.7 ve 11.8’deki gibi şekiller çizerek, harmonik serinin kısmi toplamlarının aşağıdaki eşitsizlikleri sağladığını gösterin. n+1 ln sn + 1d = L1 q L1 1 x dx = 1 + ln n . T b. Iraksadığını bildiğimiz halde, harmonik serinin ıraksaklığının gözlemsel bir delili yoktur. Sadece kısmi toplamlar çok yavaş büyürler. Ne demek istediğimizi anlamak için, 13 milyar yıl önce, evrenin yaratıldığı gün s1 = 1 ile başladığınızı ve her saniye yeni bir terim eklediğinizi varsayın. Bir yılın 365-gün olduğunu kabul edersek, bugün sn kısmi toplamı ne kadar olur? 34. g n = 1s1>snxdd’in yakınsak olduğu bir x değeri var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. q 35. g n = 1 an pozitif sayılardan oluşan ıraksak bir seriyse, her n için, q bn an olacak şekilde bir g n = 1 bn pozitif sayı serisinin bulunacağı doğru mudur? Pozitif sayıların bir “en küçük” ıraksak serisi var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. q 1 b. a 1.01 n = 2 nsln nd q 1 a. a ıraksar; n = 2 n ln n 1 b. a p , p 7 1 ise yakınsar ve p 1 ise ıraksar. n=1 n 1 1 + Á + n 2 1 + toplamı ile n ln n = L1 1 x dx . integrali arasındaki farkta fazla bir değişiklik olmayacağını belirtir. Bunu araştırmak için, aşağıdaki adımları izleyin. a. Teorem 9’un ispatında ƒ(x) = 1@x alarak ln sn + 1d … 1 + 1 1 + Á + n … 1 + ln n 2 veya 0 6 ln sn + 1d - ln n … 1 + 37. Cauchy sıklaştırma testi. Cauchy sıklaştırma testi şunu söyler: 5an6 0’a yakınsayan, pozitif terimli ve artmayan (her n için an Ú an + 1 ) bir dizi olsun. Bu durumda, ancak ve yalnız g2na2n yakınsıyorsa, gan yakınsar. Mesela, gs1>nd ıraksar, çünkü g2n # s1>2n d = g1 ıraksar. Testin neden işe yaradığını açıklayın. 38. Alıştırma 37’deki Cauchy sıklaştırma testini kullanarak aşağıdakileri gösterin. q 1 1 c. a d. a 3 n ln sn d nsln nd3 n=2 n=2 41. Euler sabiti Şekil 11.8’deki gibi grafikler n artarken 36. (Alıştırma 35’in devamı) Pozitif sayıların bir “en büyük” yakınsak serisi var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. q q 1 a. a n = 2 nsln nd q 1 1 Á + 1 x dx … 1 + 2 + n n … 1 + 40. (Alıştırma 39’un devamı.) Alıştırma 39’un sonucunu kullanarak aşağıdaki serilerden hangilerinin yakınsak olduğunu ve hangilerinin ıraksadık olduğunu belirleyin. Her durumda yanıtınızı destekleyin. 1 1 + Á + n - ln n … 1 . 2 olduğunu gösterin. Yani, an = 1 + 1 1 + Á + n - ln n 2 dizisi alttan ve üstten sınırlıdır. b. 1 6 n + 1 Ln n+1 1 x dx = ln sn + 1d - ln n , olduğunu gösterin ve bu sonucu kullanarak (a) şıkkındaki 5an6 dizisinin azaldığını gösterin. 11.4 Alttan sınırlı azalan bir seri yakınsak olduğundan (Bölüm 11.1, Alıştırma 107), (a)’da tanımlanan an sayıları yakınsar: 1 + Karfl›laflt›rma Testleri 777 diğer özel sayıların aksine, g için daha basit formülasyon kurallı bir ifade bulunamamıştır. 42. İntegral testini kullanarak 1 1 + Á + n - ln n : g . 2 q ae Değeri 0.5772…, olan g sayısına Euler sabiti denir. p ve e gibi -n2 n=0 serisinin yakınsadığını gösterin. 11.4 Karfl›laflt›rma Testleri Geometrik serinin, p-serisinin ve birkaç başka serinin yakınsaklıklarının nasıl belirleneceğini gördük. Daha birçok serinin yakınsaklığını, terimlerini yakınsaklığı bilinen bir serinin terimleri ile karşılaştırarak test edebiliriz. TEOREM 10 Karfl›laflt›rma Testi gan negatif terim içermeyen bir seri olsun. (a) N herhangi bir tamsayı olmak üzere her n N için, an cn olacak şekilde yakınsak bir gcn serisi varsa gan serisi yakınsaktır. (b) N herhangi bir tamsayı olmak üzere her n N için an dn olacak şekilde negatif terim içermeyen ıraksak bir gdn serisi varsa, gan serisi ıraksaktır. TARİHSEL BİYOGRAFİ ‹spat (a) şıkkında, gan’nin kısmi toplamları üstten q M = a1 + a2 + Á + aN + Albert of Saxony (ca. 1316–1390) a cn . n=N+1 ile sınırlıdır. Dolayısıyla, bir L M limitiyle azalmayan bir dizi oluştururlar. (b) şıkkında, gan’nin kısmi toplamları üstten sınırlı değildir. Sınırlı olsalardı, gdn’nin kısmi toplamları q M * = d1 + d2 + Á + dN + a an n=N+1 ile sınırlı olurlardı ve gdn ıraksamak yerine yakınsardı. ÖRNEK 1 Karfl›laflt›rma Testini Uygulamak (a) q a 5 5 = 5n - 1 1 n = 1 5n - 1 serisi ıraksaktır. Çünkü; n. terimi 1 7 n 1 n 5 ıraksak olan harmonik serinin n.inci teriminden büyüktür. 778 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler (b) q 1 1 1 1 Á a n! = 1 + 1! + 2! + 3! + n=0 serisi yakınsaktır. Çünkü; bütün terimleri pozitiftir ve q 1 + a 1 = 1 + 1 + n n=0 2 1 1 + 2 + Á. 2 2 serisinin karşı gelen terimlerinden küçük veya eşittir. Sol taraftaki geometrik seri yakınsaktır ve q 1 + a 1 n n=0 2 = 1 + 1 = 3. 1 - s1>2d tür. 3’ün, g n = 0 s1>n!d serisinin kısmi toplamları için bir üst sınır olması serinin 3’e yakınsaması anlamına gelmez. Bölüm 11.9’da göreceğimiz gibi seri e’ye yakınsar. q (c) 5 + 2 1 1 1 1 1 + + 1 + + + + Á + + Á n 7 3 2 + 21 4 + 22 8 + 23 2 + 2n serisi yakınsaktır. Bunu görmek için ilk üç terimi ihmal ederiz ve kalan terimleri, q yakınsak olan g n = 0 s1>2n d. geometrik serisinin terimleri ile karşılaştırırız. Budanmış serinin 1>s2n + 2nd terimi, geometrik serinin karşı gelen 1@2n teriminden küçüktür. Terim terime 1 + 1 1 1 1 1 1 + + + Á … 1 + + + + Á 2 4 8 2 + 21 4 + 22 8 + 23 karşılaştırmasını görürüz. Dolayısıyla, Karşılaştırma Testinin bir uygulamasına göre budanmış seri ve orijinal seri yakınsaktır. Limit Karfl›laflt›rma Testi Şimdi, özellikle an genel terimi n’nin rasyonel fonksiyonu şeklinde olan seriler için kullanışlı bir karşılaştırma testi tanıtacağız. Limit Karfl›laflt›rma Testi TEOREM 11 Her n N (N bir tamsayı) için an 0 ve bn 0 olduğunu varsayın. 1. 2. 3. an = c 7 0, ise, gan ve gbn’nin ikisi birden yakınsak veya ıraksaktır. n: q bn lim lim an n: q bn lim an n: q bn = 0 ise ve gbn yakınsak ise, gan ’de yakınsaktır. = q ise ve gbn ıraksak ise, gan ’de ıraksaktır. 11.4 Karfl›laflt›rma Testleri 779 ‹spat (1) şıkkını ispatlayacağız. (2) ve (3) şıkları Alıştırma 37(a) ve (b)’ye bırakılmıştır. c@2 0 olduğundan, her n için = c@2, L = c ve an yerine an@bn alınmış olarak limit tanımı an c - c` 6 . n 7 N Q ` 2 bn sağlanacak şekilde bir N tamsayısı vardır. Dolayısıyla n N için, - an c c - c 6 , 6 2 2 bn an 3c c 6 6 , 2 2 bn 3c c a bbn 6 an 6 a bbn . 2 2 bulunur. gbn yakınsak ise, gs3c>2dbn de yakınsaktır ve Doğrudan Karşılaştırma Testine göre gan de yakınsaktır. gbn ıraksak ise, gsc>2dbn de ıraksaktır ve Doğrudan Karşılaştırma Testine göre gan de ıraksak olur. ÖRNEK 2 Limit Karfl›laflt›rma Testini Kullanmak Aşağıdaki serilerin hangisi yakınsar, hangisi ıraksar? q q (a) 5 7 9 3 2n + 1 2n + 1 + + + + Á = a = a 2 2 4 9 16 25 n = 1 sn + 1d n = 1 n + 2n + 1 (b) 1 1 1 1 1 + + + + Á = a n 7 1 3 15 n=1 2 - 1 (c) 1 + 3 ln 3 1 + n ln n 1 + 2 ln 2 1 + 4 ln 4 + + + Á = a 2 9 14 21 n=2 n + 5 q q Çözüm (a) an = (2n + 1)@(n2 + 2n + 1) olsun. Büyük n değerleri için, an’nin 2n@n2 = 2@n gibi davranmasını bekleriz, dolayısıyla bn = 1@n alırız. q q n=1 n=1 1 a bn = a n diverges ıraksak olduğundan ve an 2n 2 + n = lim 2 = 2, n: q bn n: q n + 2n + 1 lim olduğundan, Limit Karşılaştırma Testinin 1. kısmına göre gan ıraksaktır. bn de olabilirdik, fakat 1@n daha basittir. 2@n’yi 780 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler (b) an = 1@(2n – 1) olsun. Büyük n değerleri için, an’nin 1@2n gibi davranmasını bekleriz, dolayısıyla bn = 1@2n alırız. q q a bn = a 1 converges n n=1 2 n=1 yakınsak olduğundan ve an 2n = lim n n: q bn n: q 2 - 1 lim 1 = lim n n: q 1 - s1>2 d = 1, olduğundan, Limit Karşılaştırma Testinin 1. kısmına göre gan yakınsaktır. (c) an = (1+ n ln n)@(n2 + 5) olsun. Büyük n değerleri için, an’nin (n ln n)@n2 = (ln n)@n gibi davranmasını bekleriz, ki bu n 3 için 1@n’den büyüktür, dolayısıyla bn = 1@n alırız. q q n=2 n=2 1 a bn = a n diverges ıraksak olduğundan ve an n + n 2 ln n = lim n: q bn n: q n2 + 5 lim = q, olduğundan, Limit Karşılaştırma Testinin 3. kısmına göre gan ıraksaktır. q ÖRNEK 3 ln n yakınsar mı? 3>2 n=1 n a ln n herhangi bir pozitif c sabiti için nc’den daha yavaş büyüdüğü için (Bölüm 11.1, Alıştırma 91), yeterince büyük n değerleri için Çözüm ln n n 1>4 1 6 3>2 = 5>4 3>2 n n n olmasını bekleriz. Gerçekten de, an = (ln n)@n3@2 ve bn = 1/n5@4 alarak lim an n: q bn = lim ln n n: q n 1>4 1>n = lim n: q s1>4dn -3>4 = lim 4 n: q n 1>4 l’Hôpital Teorisi = 0. buluruz. gbn = gs1>n 5>4 d (p 1 ile bir p-serisi) yakınsak olduğundan, Limit Karşılaştırma Testinin 2. kısmına göre, gan yakınsak olur. 11.5 Kök ve Oran Testleri 781 ALIfiTIRMALAR 11.4 38. g n = 1 an negatif olmayan sayılardan oluşan yakınsak bir seri ise, ∞n = 1 (an@n) için ne söylenebilir ? Açıklayın. q Yak›nsakl›k veya Iraksakl›¤› Belirlemek 1–36 alıştırmalarındaki serilerden hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Yanıtlarınızı açıklayın. q q 1 1. a n = 1 2 2n + q 7. a a q n=1 q 1 10. a 2 n = 2 sln nd q 13. a 1 2 n = 1 s1 + ln nd q n=1 q 1 n = 3 ln sln nd 9. a 3 12. a 3>2 15. a n sln nd2 n ln sn + 1d 17. a n + 1 n=2 n=1 q 2n n=1 n + 1 n + 2 n 22n 20. a 2 q 23. a 1 n-1 n=1 3 + 1 q 1 2 n = 1 s1 + ln nd q 21. a n=1 q n-1 3 n=1 10n + 1 27. a n = 1 nsn + 1dsn + 2d 28. a q + 1 3n 5n 3 - 3n 2 2 n = 3 n sn - 2dsn + 5d sec-1 n 30. a 1.3 n=1 n q q 32. a 33. a tanh n n2 n=1 coth n 31. a n2 n=1 n q 1 Á + n n 2n 2 n=1 n 34. a n = 1 n 2n n=1 1 + 2 + 3 + q q 1 1 36. a 41. q a n=1 n 3 1 sin2 n serisi ıraksak mı veya yakınsak mı hala bilinmemektedir. Bir BCS kullanarak, aşağıdaki adımları izleyip serinin davranışını araştırın. a. k sk = a n=1 n 3 1 . sin2 n kısmi toplamlar dizisini tanımlayın. k → iken sk’nın limitini bulmaya kalkarsanız ne olur? BCS’niz bu limit için kapalı bir ifade verir mi? b. Kısmi toplamlar dizisinin ilk 100 (k, sk) noktasını işaretleyin. Noktalar yakınsıyor gibi mi? Limitin ne olmasını beklersiniz? n=1 q q tan-1 n 29. a 1.1 n=1 n 35. a 1 - n n2n q n=1 q q n 18. a 1 26. a tan n B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI 3 1 n = 1 1 + ln n 1 25. a sin n 40. gan negatif olmayan sayılardan oluşan yakınsak bir seri ise, ga n2’nin de yakınsak olduğunu ispatlayın. sln nd n=1 q 24. a 39. n N (N bir tamsayı) için, an 0 ve bn 0 olduğunu varsayın. limn→∞ (an@bn) = ve gan yakınsak ise, gbn hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. 3 q q 1 n = 2 n 2n 2 - 1 q n 22. a sln nd n + 1 n = 1 n 2 2n q n = 1 2n 3 + 2 q 2 14. a 16. a q 6. a 1 8. a n=1 q n = 2 2n ln n q 19. a q 11. a 1 sin n n n=1 2 n=1 n + q n 2 3. a 2n 2n 5. a n = 1 3n - 1 3 n b 3n + 1 3 2. a 2n 1 + cos n 4. a n2 n=1 q 2 2 2 n=1 1 + 2 + 3 + Á + n c. Sonra ilk 200 (k, sk) noktasını işaretleyin. Davranışı kendi kelimelerinizle tartışın. d. İlk 400 (k, sk) noktasını işaretleyin. k = 355 iken ne olur? 355@113 sayısını hesaplayın. Hesabınızdan k = 355’de ne olduğunu açıklayın. k’nın hangi değerleri için bu davranışın tekrarlanmasını beklersiniz? Mazes for the Mind by Clifford A. Pickover, St. Martin’s Press, Inc., New York, 1992’de bu seri hakkında ilginç bir tartışma bulacaksınız. Teori ve Örnekler 37. Limit Karşılaştırma Testinin (a) 2. kısmını ve (b) 3. kısmını ispatlayın. 11.5 Kök ve Oran Testleri Oran Testi, an + 1@an oranını inceleyerek, bir serinin büyüme (veya azalma ) oranını ölçer. Bir arn geometrik serisi için, bu oran bir sabittir ((arn + 1)@(arn) = r), ve seri ancak ve yalnız oranı mutlak değerce 1’den küçükse yakınsaktır. Oran Testi bu sonucu genişleten kuvvetli bir kuraldır. Bunu bir sonraki sayfada Karşılaştırma Testini kullanarak ispat edeceğiz. 782 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler TEOREM 12 Oran Testi gan pozitif terimli bir seri olsun ve an + 1 = r. n: q an lim olduğunu varsayın. Bu durumda, (a) r 1 ise, seri yakınsar. (b) r 1 veya r sonsuz ise, seri ıraksar. (c) r = 1 ise, test sonuçsuzdur. ‹spat (a) R 1. r, r ile 1 arasında bir sayı olsun. Bu durumda = r – r sayısı pozitiftir. an + 1 an : r, olduğundan, n yeterince büyükken, mesela her n N için, an + 1@an oranı r’nun civarında bulunmalıdır. Özel olarak an + 1 nwhen N niçin Ú N. an 6 r + P = r, olur. Yani, aN + 1 6 raN , aN + 2 6 raN + 1 6 r 2aN , aN + 3 6 raN + 2 6 r 3aN , o aN + m 6 raN + m - 1 6 r maN . Bu eşitsizlikler serimizin terimlerinin, N. terimden sonra r 1 oranı ile bir geometrik serinin terimlerinden daha hızlı sıfıra yaklaştığını gösterir. Daha kesin olarak, n = 1, 2, …, N için cn = an ve cN + 1 = raN, cN + 2 = r2aN ,…, cN + m = rmaN, … olacak şekilde bir gcn serisini düşünün. Her n için, an cn’dir ve q a cn = a1 + a2 + Á + aN - 1 + aN + raN + r 2aN + Á n=1 = a1 + a2 + Á + aN - 1 + aN s1 + r + r 2 + Á d. olur. 1 + r + r2 + ⋅⋅⋅ geometrik serisi yakınsaktır, çünkü u r u 1’dir, dolayısıyla gcn yakınsak olur. an cn olduğundan, gan de yakınsak olur. (b) 1<R ◊ ˆ . Bir M indisinden sonra, an + 1 an 7 1 and ve aM 6 aM + 1 6 aM + 2 6 Á . olur. Serinin terimleri n sonsuz olurken sıfıra yaklaşmazlar ve seri n. Terim Testinden dolayı ıraksar. 11.5 Kök ve Oran Testleri 783 (c) R = 1. q 1 a n q 1 a n2 and ve n=1 n=1 serileri, r = 1 iken, başka yakınsaklık testlerinin kullanılması gerektiğini gösterir. q 1>sn + 1d an + 1 n = : 1. an = n + 1 1>n 1 For a n :için: n=1 2 2 1>sn + 1d n 1 için: an + 1 : = = a b : 12 = 1. a 2 2 n n + 1 1>n n=1 n q For a İki durumda da, r = 1’dir, ama yine de birinci seri ıraksarken ikincisi yakınsar. Oran Testi genellikle bir serinin terimleri n’yi içeren ifadelerin faktoriyellerini veya n. kuvveti alınmış ifadeleri içerdiği zaman etkilidir. ÖRNEK 1 Oran Testini Uygulamak Aşağıdaki serilerin yakınsaklığını araştırın. q 2n + 5 3n n=0 (a) a q s2nd! n = 1 n!n! (b) a q 4nn!n! n = 1 s2nd! (c) a Çözüm (a) g n = 0 s2n + 5d>3n , serisi için, q s2n + 1 + 5d>3n + 1 an + 1 1 # 2n + 1 + 5 1 # 2 + 5 # 2-n 1 2 2 = = = a b: # = . n n n an 3 3 3 1 3 2 + 5 1 + 5 # 2-n s2 + 5d>3 Seri yakınsar, çünkü r = 2@3, 1’den küçüktür. Bu serinin toplamının 2@3 olduğu anlamına gelmez. Gerçekten de, n 2n + 5 5 5 2 1 21 = a a b + a n = + = . n 3 2 3 3 1 s2>3d 1 s1>3d n=0 n=0 n=0 q q q a bulunur. s2nd! s2n + 2d! (b) an = olur ve , ise, o zaman an + 1 = n!n! sn + 1d!sn + 1d! n!n!s2n + 2ds2n + 1ds2nd! an + 1 an = sn + 1d!sn + 1d!s2nd! = s2n + 2ds2n + 1d 4n + 2 = : 4. n + 1 sn + 1dsn + 1d buluruz. Seri ıraksar, çünkü r = 4, 1’den büyüktür. (c) an = 4n n!n!(2n)! ise, 4n + 1sn + 1d!sn + 1d! # s2nd! an + 1 = an s2n + 2ds2n + 1ds2nd! 4nn!n! = olur. 4sn + 1dsn + 1d 2sn + 1d = : 1. 2n + 1 s2n + 2ds2n + 1d 784 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Limit r = 1 olduğu için, Oran Testinden serinin yakınsak olup olmadığını anlayamayız. Ancak, an + 1@an = (2n + 2)@(2n + 1) olduğunu fark ettiğimizde, an + 1’in her zaman an’den büyük olduğu sonucunu çıkarırız, çünkü (2n + 2)@(2n + 1) her zaman 1’den büyüktür. Dolayısıyla bütün terimler a1 = 2’ye eşit veya ondan büyüktür ve n → q iken, n. terim sıfıra gitmez. Seri ıraksar. Kök Testi gan için şimdiye kadar gördüğümüz yakınsama testleri an’nin formülü oldukça basitken işe yarar. Fakat aşağıdaki durumu düşünün. ÖRNEK 2 Çözüm an = e n>2n, 1>2n, n ntek odd olsun. gan yakınsar mı? n nçift even. Serinin birkaç terimini yazarız. q 3 5 7 1 1 1 1 Á a an = 21 + 22 + 23 + 24 + 25 + 26 + 27 + n=1 = 3 5 7 1 1 1 1 + + + + + + + Á. 2 4 8 16 32 64 128 Bu, kesin olarak bir geometrik seri değildir. n → q iken, n. terim sıfıra yaklaşır, dolayısıyla serinin ıraksayıp ıraksamadığını bilmiyoruz. İntegral Testi pek umut verici görünmemektedir. Oran Testi an + 1 an = d 1 , 2n n ntek odd n + 1 , 2 n nçift even. verir. n → q iken, oran büyük ile küçük değerler arasında değişir ve bir limiti yoktur. Soruya yanıt verecek (seri yakınsar) bir test Kök Testidir. TEOREM 13 Kök Testi gan , n N için, an 0 olacak şekilde bir seri olsun ve n lim 2an = r. n: q olduğunu varsayın. Bu durumda, (a) r 1 ise, seri yakınsar. (b) r 1 veya r sonsuz ise, seri ıraksar. (c) r = 1 ise, test sonuçsuzdur. ‹spat n n (a) R<1. r + 1 olacak kadar küçük bir 0 seçin. 2an : r, olduğundan, 2an terimleri eninde sonunda r’ya ’dan daha yakın olurlar. Diğer bir deyişle, n M iken n 2an 6 r + P olacak şekilde bir M N indisi bulunur. when n Ú M. 11.5 n M için Kök ve Oran Testleri 785 an (r + )n olduğu da doğrudur. Şimdi, g n = M sr + Pdn , oranı (r + ) 1 olan bir geometrik q seri, yakınsar. Karşılaştırmayla, g n = M an de yakınsar ve q q q a an = a1 + Á + aM - 1 + n=1 a an n=M yakınsar. n (b) 1<R ◊ ˆ . Bir M indisinden büyük olan bütün terimler için, 2an 7 1, buluruz, dolayısıyla n > M için an > 1 olur. Serinin terimleri sıfıra yakınsamaz. n. Terim Testine göre seri ıraksar. (c) r = 1. g n = 1 s1>nd ve g n = 1 s1>n 2 d serileri, r = 1 iken, testin sonuçsuz olduğunu gösn terir. İlk seri ıraksar ve ikinci seri yakınsar, fakat iki durumda da 2an : 1. ’dir. q ÖRNEK 3 q Kök Testini Uygulamak Aşağıdaki serilerin hangisi yakınsar, hangisi ıraksar? q q n2 (a) a n 2 2n 2 n=1 n (b) a n=1 (c) a a q n=1 1 b 1 + n n Çözüm 2 A 2n B 2n 2 n2 n n 1 (a) a n yakınsar, çünkü : 6 1. n = n n = 2 2 B2 n=1 2 22 n n q 2 q n 2n n 2 2 2 (b) a 2 ıraksar çünkü = n : 7 1. 1 A n2 n=1 n A 2n B 2 n 1 (c) a a b yakınsar, çünkü 1 + n q n=1 ÖRNEK 2 an = e Çözüm n 1 1 b = : 0 6 1. 1 + n B 1 + n n a Devam› n>2n, 1>2n, nntek odd nnçift even. olsun. gan yakınsar mı? Kök Testini uygulayarak 2an = e n n 2n>2, 1>2, n ntek odd n nçift even. buluruz. Dolayısıyla, n 2n 1 n … 2an … . 2 2 n olur. Sandviç Teoreminden 2n : 1 olduğundan (Bölüm 11.1, Teorem 5), n limn: q 2an = 1>2 buluruz. Limit 1’den küçüktür, dolayısıyla Kök Testine göre, seri yakınsar. 786 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ALIfiTIRMALAR 11.5 n Yak›nsakl›k veya Iraksakl›¤› Belirlemek 1–26 alıştırmalarındaki serilerin hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Yanıtlarınızı açıklayın. (Yanıtlarınızı kontrol ederken, bir serinin yakınsaklık veya ıraksaklığını belirlemek için birden fazla yol olabileceğini hatırlayın.) n 22 n n=1 2 q q 1. a 2. a n 2e -n n=1 q q n! n 10 n=1 3. a n!e -n 4. a 5. a n 10 n n = 1 10 6. a a 2 + s -1dn 7. a 1.25n n=1 8. a n=1 q q n=1 q 3 9. a a1 - n b q n n=1 q n - 2 n b n s -2dn 3n n=1 q 10. a a1 q n=1 q 38. an = 1 b 3n n 39. a 12. a 1 1 13. a a n - 2 b n n=1 1 1 14. a a n - 2 b n n=1 q q n q ln n 15. a n sn + 1dsn + 2d n! n=1 q 17. a 18. a e -nsn 3 d sn + 3d! 19. a n n = 1 3!n!3 20. a n=1 q q q n! s2n + 1d! n=1 q 1 p serisinde deneyin ve iki testin de yakınsaklık hakkında bilgi vermediğini gösterin. q 3n 3 n n=1 n 2 26. a 1 + tan-1 n an n 3n - 1 1 a 29. a1 = , an + 1 = 3 2n + 5 n n a 30. a1 = 3, an + 1 = n + 1 n 2 31. a1 = 2, an + 1 = n an an + 1 = 1 # 3 # Á # s2n - 1d 4n2nn! n=1 q 1 # 3 # Á # s2n - 1d 44. a # # Á # s2nd]s3n + 1d n = 1 [2 4 a q 28. a1 = 1, n n 2 n = 1 s2 d n=1 n 27–38 alıştırmalarındaki formüllerle verilen g n = 1 an serilerinin hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Yanıtlarınızı açıklayın. 27. a1 = 2, 42. a n n = 1 2sn d q q n 24. a sn>2d n = 2 sln nd 1 + sin n an + 1 = an n 2 2 n = 1 n sn d q n n = 1 sn d q n 41. a sn!dn 45. p-serilerinde ne Oran ne de Kök Testleri yararlı olur. Bu testleri q n! ln n n = 1 nsn + 2d! 40. a Teori ve Örnekler n! n n n=1 q q n 2 q 22. a 25. a sn!dn n2nsn + 1d! 3nn! n=1 21. a n 23. a n n = 2 sln nd s3nd! n!sn + 1d!sn + 2d! 43. a n ln n 16. a n n=1 2 n=1 q an + 1 = 39–44 alıştırmalarındaki serilerin hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Yanıtlarınızı açıklayın. q sln ndn nn n=1 ln n 11. a 3 n=1 n q 2n a 2 n 1 + ln n an 33. a1 = 1, an + 1 = n n + ln n 1 a 34. a1 = , an + 1 = 2 n + 10 n 1 n 35. a1 = , an + 1 = 2an 3 1 36. a1 = , an + 1 = san dn + 1 2 2nn!n! 37. an = s2nd! 32. a1 = 5, 46. Ne Oran Testinin ne de Kök Testinin aşağıdaki serinin yakınsaklığı hakkında bilgi vermediğini gösterin. q 1 a sln nd p sabit) . s p (p constantd n=2 47. an = e n>2n, 1>2n, nif asal sayı ise n is bir a prime number olsun. diğer otherwise. gan yakınsar mı? Yanıtınızı açıklayın. 11.6 11.6 Alterne Seriler, Mutlak ve Koflullu Yak›nsakl›k 787 Alterne Seriler, Mutlak ve Koflullu Yak›nsakl›k Terimleri sırayla pozitif ve negatif olan serilere alterne seriler denir. Aşağıda bunlara üç örnek vardır: n+1 1 - s -1d 1 1 1 1 + - + - Á + n 5 2 3 4 + Á (1) s -1d 4 1 1 1 + - + Á + + Á 2 4 8 2n (2) n -2 + 1 - 1 - 2 + 3 - 4 + 5 - 6 + Á + s -1dn + 1n + Á (3) Alterne harmonik seri denilen (1) serisi, birazdan göreceğimiz gibi, yakınsaktır. r = –1@2 oranıyla bir geometrik seri olan (2) serisi – 2@[1 + (1@2)] = – 4@3’e yakınsar. (3) serisi ıraksaktır çünkü; n. terim sıfıra yaklaşmaz. Alterne harmonik serilerin yakınsaklığını Alterne Seri Testini uygulayarak göstereceğiz. TEOREM 14 Alterne Seriler Testi (Leibniz Teoremi) q a s -1d n+1 un = u1 - u2 + u3 - u4 + Á n=1 serisi aşağıdaki üç koşulu da sağlanırsa yakınsar: 1. 2. 3. un’lerin hepsi pozitiftir. Her n N için un un + 1’dir. (N bir tamsayı). un → 0. ‹spat n bir çift tamsayı ise, mesela n = 2m, ilk n terimin toplamı s2m = su1 - u2 d + su3 - u4 d + Á + su2m - 1 - u2m d = u1 - su2 - u3 d - su4 - u5 d - Á - su2m - 2 - u2m - 1 d - u2m . olur. İlk eşitlik s2m’nin negatif olmayan terimlerin toplamı olduğunu gösterir, çünkü parantez içindeki her terim pozitif veya sıfırdır. Dolayısıyla, s2m + 2 s2m’dir ve 5s2m6 dizisi azalmayandır. İkinci eşitlik s2m u1 olduğunu gösterir. 5s2m6 azalmayan ve üstten sınırlı olduğundan, bir limiti vardır, mesela lim s2m = L. m: q (4) n bir tek tamsayı ise, örneğin n = 2m + 1, ilk n terimin toplamı s2m + 1 = s2m + u2m + 1 olur. un → 0 olduğundan, lim u2m + 1 = 0 m: q olur ve m → q iken, s2m + 1 = s2m + u2m + 1 → L + 0 = L (5) bulunur. (4) ve (5)’in sonuçlarını birleştirmek lim sn = L verir (Bölüm 11.1, n: q Alıştırma 119). 788 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ÖRNEK 1 Alterne harmonik seri q 1 1 1 Á n = 1 - 2 + 3 - 4 + n+1 1 a s -1d n=1 N = 1 ile Teorem 14’ün üç koşulunu sağlar; dolayısıyla yakınsar. Kısmi toplamların geometrik bir yorumu (Şekil 11.9), N = 1 ile Teorem 14’ün üç koşulu sağlandığında bir alterne serinin L limitine nasıl yakınsadığını göstermektedir. u2 (Alıştırma 63 sizden N 1 durumunu resmetmenizi isteyecektir.) x-ekseninin orijininden u3 başlayarak, s1 = u1 pozitif mesafesini belirtiriz. s2 = u1 – u2’e karşılık gelen noktayı bulu4 mak için, u2’ye eşit bir mesafe geri gideriz. u2 u1 olduğundan, orijinden daha geriye gidemeyiz. Serideki işaretlere göre ileri veya geri giderek bu testere şekline devam ederiz. Fakat n N için, her ileri veya geriye adım bir önceki adımdan daha kısadır (veya en fazla x aynı boydadır), çünkü un + 1 un’dir. Ve n. terim n arttıkça sıfıra yaklaştığı için, ileri veya 0 s2 s4 L s3 s1 geri doğru attığımız adımlar giderek küçülür. L limitinin çevresinde salınırız ve salınımın genliği sıfıra yaklaşır. L limiti herhangi iki ardışık sn ile sn + 1 toplamı arasında bulunur ve fiEK‹L 11.9 N = 1 için Teorem 14’ün dolayısıyla sn’den farkı un + 1’den daha küçük olur. hipotezlerini sağlayan bir alterne serinin u1 n N için kısmi toplamları baştan itibaren limite iki taraftan yaklaşır. u L – sn u un + 1 olduğundan, yakınsak alterne serilerin toplamları hakkında yararlı tahminler yapabiliriz. TEOREM 15 Alterne Seriler Tahmin Teoremi q g n = 1 s -1dn + 1un alterne serisi Teorem 14’ün üç koşulunu sağlıyorsa, n N için sn = u1 - u2 + Á + s -1dn + 1un kısmi toplamı L’ye, mutlak değeri un + 1’den, ilk kullanılmayan terimin değerinden daha küçük bir hatayla yaklaşımda bulunur. Dahası, L – sn kalanının işareti, kullanılmayan ilk teriminkiyle aynıdır. Kalanın işaretinin doğrulanmasını Alıştırma 53’e bırakıyoruz. ÖRNEK 2 Teorem 15’i toplamını bildiğimiz bir seride deneyelim: n=0 ------ q 1 1 1 1 1 1 1 n 1 a s -1d 2n = 1 - 2 + 4 - 8 + 16 - 32 + 64 - 128 + 1 - Á. 256 Teoreme göre, seriyi sekizinci terimde kesersek, pozitif ve 1@256’dan küçük olan bir miktarı atmış oluruz. İlk sekiz terimin toplamı 0.6640625’tir. Serinin toplamı 1 1 2 = = . 3 3>2 1 - s -1>2d olarak bulunur. Fark, (2@3) – 0.6640625 (1@256) = 0.00390625’ten daha küçüktür. = 0.0026041666… pozitiftir ve 11.6 Alterne Seriler, Mutlak ve Koflullu Yak›nsakl›k 789 Mutlak ve Koflullu Yak›nsakl›k TANIM Mutlak Yak›nsakl›k g ƒ an ƒ , mutlak değerler serisi yakınsak ise gan serisi mutlak olarak yakınsar (veya mutlak yakınsaktır). 1 - 1 1 1 + - + Á 2 4 8 geometrik serisi mutlak olarak yakınsar, çünkü kendisine karşılık gelen 1 + 1 1 1 + + + Á 2 4 8 mutlak değerler serisi yakınsaktır. Alterne harmonik seri mutlak yakınsak değildir. Kendisine karşı gelen mutlak değerler serisi (ıraksak) harmonik seridir. TANIM Koflullu Yak›nsakl›k Yakınsak olan, fakat mutlak yakınsak olmayan bir seri koşullu yakınsaktır. Alterne harmonik seri koşullu yakınsaktır. Mutlak yakınsaklık iki nedenden dolayı önemlidir. İlk olarak, pozitif terimli serilerin yakınsaklığı için iyi testlerimiz vardır. İkincisi, bir seri mutlak olarak yakınsak ise, yakınsaktır. Bu aşağıdaki teoremin temelidir. TEOREM 16 Mutak Yak›nsakl›k Testi q q a ƒ an ƒ yakınsak ise, a an de yakınsaktır. n=1 n=1 ‹spat Her n için, – uanu an uanu’dir. Dolayısıyla 0 an + uanu 2uanu q q olur. g n = 1 ƒ an ƒ yakınsak ise, g n = 1 2 ƒ an ƒ de yakınsaktır ve Doğrudan Karşılaştırma Testine q göre, negatif olmayan g n = 1 san + ƒ an ƒ d serisi de yakınsak olur. Artık an = (an + uanu) – uanu. q eşitliği g n = 1 an serisini iki yakınsak serinin farkı olarak ifade etmemize izin verir: q q q q a an = a san + ƒ an ƒ - ƒ an ƒ d = a san + ƒ an ƒ d - a ƒ an ƒ . n=1 n=1 q Dolayısıyla, g n = 1 an yakınsaktır. n=1 n=1 790 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler D‹KKAT Teorem 16’yı her mutlak yakınsak serinin yakınsadığını söyleyecek şekilde yeniden ifade edebiliriz. Ancak, bu ifadenin tersi doğru değildir: Çoğu yakınsak seri mutlak olarak yakınsamaz (Örnek 1’deki alterne harmonik seride olduğu gibi). ÖRNEK 3 Mutlak Yak›nsakl›k Testini Uygulamak q 1 1 1 1 + Á , ’e karşılık gelen mutlak değerler serisi (a) a s -1dn + 1 2 = 1 - + 4 9 16 n n=1 şöyledir: q a 1 n=1 n 2 = 1 + 1 1 1 + + + Á. 4 9 16 Asıl seri yakınsaktır, çünkü mutlak değerler serisi yakınsaktır. q sin n sin 1 sin 2 sin 3 + + + Á , serisine karşılık gelen (b) a 2 = 1 4 9 n=1 n q ƒ sin 1 ƒ ƒ sin 2 ƒ sin n + + Á, a ` n2 ` = 1 4 n=1 mutlak değerler serisi, g n = 1 s1>n 2 d ile karşılaştırıldığında, yakınsar, çünkü her n için ƒ sin n ƒ … 1’dir. Asıl seri mutlak yakınsaktır; dolayısıyla yakınsaktır. q ÖRNEK 4 Alterne p-serileri Pozitif bir p-sabiti için 51>n p6 dizisi, limiti sıfır olan azalan bir dizidir. Dolayısıyla s -1dn - 1 1 1 1 = 1 - p + p - p + Á, a np 2 3 4 n=1 q p 7 0 alterne p-serisi yakınsaktır. p 1 ise, seri mutlak yakınsaktır. 0 p 1 ise, seri koşullu yakınsak olur. Koşullu yakınsaklık: Conditional convergence: Mutlak yakınsaklık: Absolute convergence: 1 1 1 + + Á 22 23 24 1 1 1 1 - 3>2 + 3>2 - 3>2 + Á 2 3 4 1 - Serileri Yeniden Düzenlemek TEOREM 17 Mutlak Yak›nsak Seriler ‹çin Yeniden Düzenleme Teoremi q g n = 1 an mutlak yakınsak ise ve b1, b2, …, bn, … {an} dizisinin herhangi bir düzenlenişi ise, gbn de mutlak yakınsaktır ve q q a bn = a an . n=1 dir. (İspatın bir taslağı için Alıştırma 60’a bakın.) n=1 11.6 ÖRNEK 5 Alterne Seriler, Mutlak ve Koflullu Yak›nsakl›k 791 Yeniden Düzenleme Teoremini Uygulamak Örnek 3’te gördüğümüz gibi 1 - 1 1 1 1 + + Á + s -1dn - 1 2 + Á 4 9 16 n serisi mutlak yakınsaktır. Serinin terimlerinin olası bir yeniden düzenlenişi pozitif bir terimle başlayabilir, sonra ilk negatif terim gelebilir, daha sonra üç pozitif terim, sonra dört negatif terim, vs: Aynı işaretli k terimden sonra, zıt işaretli k + 1 terim alın. Böyle bir serinin ilk on terimi şöyledir: 1 - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + + + + Á. 4 16 9 25 49 36 64 100 144 Yeniden Düzenleme Teoremi iki serinin de aynı değere yakınsadığını söyler. Bu örnekte, başlangıçta elimizde ikinci seri olsaydı, ve yapabileceğimizi bilseydik, muhtemelen onu birinciyle değiştirmekten mutluluk duyardık. Daha iyisini de yapabiliriz: İki serinin her birinin toplamı aynı zamanda q q 1 1 a s2n - 1d2 a s2nd2 . n=1 n=1 farkına eşittir. (Alıştırma 61’e bakın.) Koşullu yakınsak bir serinin sonsuz sayıda terimini yeniden düzenlersek, orijinal serininkinden çok farklı sonuçlar elde edebiliriz. Bir örnek aşağıdadır. ÖRNEK 6 Alterne Harmonik Seriyi Yeniden Düzenlemek 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - + - + - + - + + - Á 5 7 1 2 3 4 6 8 9 10 11 Alterne harmonik serisi ıraksayacak veya daha önceden belirlenmiş bir toplam verecek şekilde yeniden düzenlenebilir. (a) g n = 1 s -1dn + 1>n’yi ıraksayacak şekilde yeniden düzenlemek. g[1>s2n - 1d] serisi +’a, gs -1>2nd serisi ise –’a ıraksar. Tek sayılı terimler dizisinin neresinden başlarsak başlayalım, her zaman keyfi derecede büyük bir toplam elde edecek kadar çok pozitif terim toplayabiliriz. Benzer şekilde, negatif terimlerle de, nereden başlarsak başlayalım, her zaman mutlak değeri keyfi derecede büyük bir negatif toplam elde edecek kadar birbirini izleyen çift sayılı terim toplayabiliriz. Eğer istersek, örneğin +3’ten daha büyük bir toplam elde edene kadar tek sayılı terimler toplayabilir ve yeni toplamı – 4’ten küçük yapacak şekilde yeterli sayıda birbirini izleyen negatif terimlerle devam edebiliriz. Sonra yeni toplamı +5’ten daha büyük yapacak sayıda pozitif terim toplar ve birbirini izleyen kullanılmamış negatif terimler ekleyerek toplamı –6’dan küçük yapabiliriz, vs. Bu şekilde, uzamaları iki tarafta da keyfi derecede büyük yapabiliriz. q (b) g n = 1 s -1dn + 1>n ’yi 1’e yakınsayacak şekilde yeniden düzenlemek. Başka bir olasılık da belirli bir limitte odaklanmaktır.1’e yakınsayan toplamlar elde etmeye çalıştığımızı varsayın. Birinci terim, 1@1’le başlar ve bundan 1@2 çıkarırız. Sonra 1@3 ve 1/5 ekleriz, ki bunların toplamı 1 veya 1’den büyük yapar. Sonra toplam 1’den az olana kadar birbirini izleyen negatif terimler ekleriz. Bu şekilde işleme devam ederiz: Toplam 1’den küçük ise, toplam 1 veya daha büyük olana kadar pozitif terimler ekleyin; sonra q 792 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler toplam yeniden 1’den küçük olana kadar terim çıkarın (negatif terimler ekleyin). Bu işlem sonsuz olarak sürdürülebilir. n → iken, asıl serinin hem tek sayılı hem de çift sayılı terimleri sıfıra yaklaştığı için, kısmi toplamlarımızın 1’i aştığı veya 1’in altına düştüğü miktar sıfıra yakınsar. Yeniden düzenlenmiş seri şu şekilde başlar: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - + + - + + - + + - + + 5 7 1 2 3 4 9 6 11 13 8 15 17 10 1 1 1 1 1 1 1 1 + + + + + + Á 19 21 12 23 25 14 27 16 Örnek 6’da gösterilen davranış şekli herhangi bir koşullu yakınsak seride olabileceklerin bir örneğidir. Bu nedenle, koşullu yakınsak bir serinin terimlerini daima verilen sırada toplamalıyız. Şu ana kadar serilerin yakınsaklığı ve ıraksaklığı için birkaç test geliştirdik. Özet olarak: 1. 2. 3. 4. 5. 6. n. Terim Testi: an → 0 olmadıkça seri ıraksar. Geometrik seri: gar n serisi, u r u 1 için yakınsak; aksi halde ıraksaktır. p-serisi: g1>n p serisi p 1 için yakınsak; aksi halde ıraksaktır. Terimleri negatif olmayan seriler: İntegral Testini, Oran Testini veya Kök Testini deneyin. Karşılaştırma Testine göre, bilinen bir seri ile karşılaştırmayı deneyin. Bazı terimleri negatif olan seriler: g ƒ an ƒ yakınsak mıdır? Evet ise mutlak yakınsaklık yakınsaklığı gerektirdiğinden gan de yakınsaktır. Alterne seriler: Alterne Seriler Testinin koşullarını sağlarsa gan yakınsaktır. ALIfiTIRMALAR 11.6 q Yak›nsakl›k veya Iraksakl›¤› Belirlemek 1–10 alıştırmalarındaki serilerin hangileri yakınsak, hangileri ıraksaktır? Yanıtlarınızı açıklayın. q 1. a s -1dn + 1 1 n2 3. a s -1d n a b 10 5. a s -1d 1 ln n n=1 q n+1 n=1 q n+1 n=2 q q 2. a s -1dn + 1 ln n 7. a s -1dn + 1 ln n 2 n=2 q 9. a s -1dn + 1 n=1 n=1 q n 2n + 1 n + 1 4. n=1 q 10. a s -1dn + 1 n=1 13. a s -1dn n=1 q n 3>2 15. a s -1d n 1 8. a s -1dn ln a1 + n b n=1 q n=1 q 1 n n + 1 10 a s -1d 10 n n=1 q n + 1 ln n 6. a s -1d q 11. a s -1dn + 1s0.1dn 3 2n + 1 2n + 1 Mutlak Yak›nsakl›k 11–44 alıştırmalarındaki serilerden hangileri mutlak yakınsak, hangileri ıraksaktır? Yanıtlarınızı açıklayın. 1 2n n+1 n=1 q 17. a s -1dn n=1 q 1 n + 3 19. a s -1dn + 1 n=1 q 21. a s -1dn + 1 n=1 q n n3 + 1 3 + n 5 + n 1 + n n2 23. a s -1dnn 2s2>3dn n=1 q 25. -1 n tan n a s -1d n 2 + 1 n=1 12. a s -1dn + 1 n=1 q 14. a s -1dn n=1 1 + q 16. 18. s0.1dn n 2n n + 1 n! a s -1d 2n n=1 q n sin n a s -1d n 2 n=1 q 1 n 20. a s -1d n=2 q ln sn 3 d n+1 s -2d n n=1 n + 5 22. a 24. a s -1dn + 1 A 210 B q n n=1 q 26. a s -1dn + 1 n=2 1 n ln n 11.6 q 27. a s -1dn n=1 q q n n + 1 28. a s -1dn n=1 q s -100dn 29. a n! n=1 31. a 32. a s -1dn a s -1d n=1 n q 33. a n=1 q 2 + 2n + 1 n=2 q cos np n 2n s -1dnsn + 1dn 35. a s2ndn n=1 q n=1 q sn + sn + 1 1 = sn + s -1dn + 2an + 1 2 2 n ortalamasını kullanmayı önerir. Alterne harmonik serilerin toplamına bir yaklaşım olarak cos np 34. a n n=1 q 37. a s -1dn ln n b ln n 2 n=1 q s -1dn + 1sn!d2 s2nd! n=1 s20 + 36. a s2nd! 2nn!n q 38. a s -1dn n=1 q sn!d2 3n s2n + 1d! n=1 41. a s -1dn A 2n + 1n - 2n B n=1 q s -1dn 42. a n = 1 2n + q n q 2n + 1 43. a s -1dn sech n 53. Teorem 14’ün koşullarını sağlayan bir alterne serinin kalanının işareti Teorem 15’te, Teorem 14’ün koşullarını sağlayan bir alterne seriye kısmi toplamlarının biriyle yaklaşım yapıldığında, kalanın (kullanılmamış terimlerin toplamı) işaretinin ilk kullanılmayan teriminkiyle aynı olduğunu söyleyen ifadeyi ispatlayın. (İpucu: Kalanın terimlerini birbirini izleyen çiftler halinde gruplayın.) 54. n=1 44. a s -1d csch n 1 - n=1 Hata Tahmini 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + - + - + - + - + Á 5 5 2 2 3 3 4 4 6 serisinin ilk 2n teriminin toplamının 45–48 alıştırmalarında, bütün serinin toplamına yaklaşımda bulunmak için serinin ilk dört terimini kullanmanın vereceği hatanın büyüklüğünü bulun. q 1 45. a s -1dn + 1 n n=1 q 46. a s -1dn + 1 1 10 n 47. a s -1d s0.01dn n n=1 q n+1 n=1 1 1 1 1 1 + # + # + # + # + Á. 1#2 2 3 3 4 4 5 5 6 serisinin ilk n teriminin toplamıyla aynı olduğunu gösterin. Bu seriler yakınsar mı? İlk serinin ilk 2n + 1 teriminin toplamı nedir? Seriler yakınsıyorlarsa, toplamları nedir? Toplamın ln 2 olduğu gösterilebilir. 55. g n = 1 an ıraksak ise, g n = 1 ƒ an ƒ’nin de ıraksak olduğunu gösterin. q q 56. g n = 1 an mutlak yakınsak ise, q Bölüm 11.7’de göreceğiniz gibi, toplan ln(1.01)’dir. ` a an ` … a ƒ an ƒ . q 48. 1 = a s -1dnt n, 1 + t n=0 0 6 t 6 1 –6 q n=0 q 1 s2nd! 1 50. a s -1dn n! n=0 q n=1 n=1 57. Hem g n = 1 an hem de g n = 1 bn mutlak yakınsak ise, aşağıdakilerin de mutlak yakınsak olduklarını gösterin. q q q q Bölüm 11.9’da göreceğiniz gibi, toplam cos1, yani 1 radyanın kosinüsüdür. a. a san + bn d Bölüm 11.9’da göreceğiniz gibi toplam e–1’dir. c. a kan n=1 q 51. a. 1 1 1 1 1 1 1 1 - + - + - + Á + n - n + Á 3 2 9 4 27 8 3 2 serisi Teorem 14’ün koşullarından birini sağlamaz. Hangisini? b. a san - bn d n=1 (k herhangi bir sayı) n=1 g n = 1 an hem de g n = 1 bn yakınsak olsalar bile, 58. Hem q g n = 1 an bn’nin ıraksak olabileceğini örnekle gösterin. q Teori ve Örnekler b. (a) şıkkındaki serinin toplamını bulun. q olduğunu gösterin. T T 49 ve 50 Alıştırmalarındaki toplamlara büyüklüğü 5 10 ’dan daha küçük bir hatayla yaklaşım yapın. 49. a s -1dn 1 # 1 2 21 değerini hesaplayın. Kesin toplam ln 2 = 0.6931…’dır. 39. a s -1dn A 2n + 1 - 2n B 40. a s -1dn A 2n 2 + n - n B n=1 q 793 T 52. Teorem 14’ün koşullarını sağlayan bir alterne serinin limiti, L, ardışık iki kısmi toplam arasında bulunur. Bu, L’yi tahmin etmek için, ln n n - ln n 30. a s -5d-n n-1 q Alterne Seriler, Mutlak ve Koflullu Yak›nsakl›k q T 59. Örnek 6’da, terimleri yeniden düzenleyerek –1@2’ye yakınsayan yeni bir seri elde etmek istediğimizi varsayın. Yeni düzenlemeye ilk negatif terim, –1@2, ile başlayın. Elinizde ne zaman –1@2’ye eşit veya bundan daha küçük bir toplam varsa, yeni toplam –1@2’den büyük oluncaya kadar birbirini izleyen pozitif terimler 794 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler eklemeye başlayın. Sonra yeni toplam –1@2’den küçük veya ona eşit oluncaya kadar negatif terimler ekleyin. İşleme kısmi toplamlarınız hedefin en az üç kez üzerine çıkana kadar devam edin ve işlemi hedefte veya hedefin altında bitirin. sn yeni serinizin ilk n teriminin toplamıysa, (n, sn) noktalarını işaretleyerek toplamların nasıl davrandıklarını gösterin. 60. Yeniden Düzenleme Teoreminin (Teorem 17) ispatının taslağı a. pozitif bir sayı, L = g n = 1 an , ve sk = g n = 1 an . olsun. Bir N1 indisi ve bir başka N2 N1 indisi için, k q and ve P ƒ sN2 - L ƒ 6 2 . olduğunu gösterin. Bütün a1, a2, … , aN2 terimleri 5bn6 , dizisinin bir yerlerinde ortaya çıktıkları için, n N3 ise A g nk = 1 bk B - sN2’nin en fazla m N1 koşuluna uygun am terimlerinin toplamı olacak şekilde bir N3 N2 indisi vardır. Dolayısıyla, n N3 ise, n n ` a bk - L ` … ` a bk - sN2 ` + ƒ sN2 - L ƒ k=1 q q q a an = a bn + a cn n=1 n=1 n=1 olur, çünkü bn = (an + u an u)@2 ve cn = (an – u an u) @2’dir. 62. Burada yanlış olan nedir? S = 1 - q P a ƒ an ƒ 6 2 n = N1 Başka bir deyişle, bir seri mutlak yakınsak ise pozitif terimleri, ve benzer şekilde negatif terimleri, yakınsak bir seri oluşturur. Dahası, 1 1 1 1 1 + - + - + 5 2 3 4 6 1 1 1 1 1 1 - + + + Á 7 8 9 10 11 12 alterne harmonik serisinin iki tarafını da 2 ile çarparak 2S = 2 - 1 + 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 - + - + - + - + - + Á. 5 7 5 3 2 3 4 9 11 6 k=1 q elde edin. Okların gösterdiği gibi, paydaları aynı olan terimleri bir araya toplayarak … a ƒ ak ƒ + ƒ sN2 - L ƒ 6 P. k = N1 olur. q b. (a) şıkkında söylenenler, g n = 1 an mutlak yakınsak ise q q q g n = 1 bn’nin de yakınsak ve g n = 1 bn = g n = 1 an . q q olduğunu söyler. g n = 1 ƒ an ƒ yakınsak olduğundan, g n = 1 ƒ bn ƒ q ’nin g n = 1 ƒ an ƒ .’ye yakınsayacağını gösterin. 61. Mutlak yakınsak serileri ayırmak a. g n = 1 ƒ an ƒ yakınsak ise ve q bn = e an , 0, aifn an 0Úise 0 aifn 0, an 06ise 2S = 1 - 1 1 1 1 1 + - + - + Á. 5 2 3 4 6 serisini elde edin. Bu denklemin sağ tarafındaki seri başladığımız seridir. Yani , 2S = S olur ve 2 ile bölersek, 2 = 1 buluruz. (Kaynak: “Riemann’s Rearrangement Theorem,” Stewart Galanor, Mathematics Teacher, Vol.80, No.8, 1987, s. 675-681.) 63. N 1 iken, Teorem 14’teki serinin yakınsaklığını göstermek için Şekil 11.9’dakine benzer bir şekil çizin. g n = 1 bn’nin yakınsak olduğunu gösterin. q b. (a) şıkkındaki sonucu kullanarak, benzer şekilde, g n = 1 ƒ an ƒ yakınsak ise ve q cn = e 0, an , aif an 0Úise0 n aif a 0, n n 06ise g n = 1 cn’nin yakınsak olduğunu gösterin. q 11.7 Kuvvet Serileri Sonsuz serilerin yakınsaklığını test edebildiğimize göre, bu bölümün başında söz edilen sonsuz polinomları inceleyebiliriz. Bu polinomlara kuvvet serileri deriz, çünkü bir değişkenin, bizim durumumuzda x, kuvvetlerinin sonsuz serileri olarak tanımlanabilirler. Polinomlar gibi, kuvvet serileri de toplanıp, çıkarılıp, çarpılıp, türevleri alınıp, integre edilip yeni kuvvet serileri elde edilebilir. 11.7 795 Kuvvet Serileri Kuvvet Serileri ve Yak›nsakl›k Formel tanımla işe başlıyoruz. TANIMLAR Kuvvet Serileri, Merkez, Katsay›lar x = 0 civarında bir kuvvet serisi q n 2 Á + cn x n + Á . a cn x = c0 + c1 x + c2 x + (1) n=0 şeklinde bir seridir. x = a civarında bir kuvvet serisi q n 2 Á + cnsx - adn + Á a cnsx - ad = c0 + c1sx - ad + c2sx - ad + (2) n=0 şeklinde bir seridir. Burada merkez a ve katsayılar c0, c1, c2, …, cn sabitlerdir. (1) denklemi (2) denkleminde a = 0 alınarak elde edilen özel bir durumdur. ÖRNEK 1 Bir Geometrik Seri (1) denklemindeki bütün katsayıları 1 almak q n 2 Á + xn + Á . ax = 1 + x + x + n=0 geometrik kuvvet serisini verir. Bu, ilk terimi 1 ve oranı x olan geometrik seridir. u x u 1 için 1@(1 – x)’e yakınsar. Bunu 1 -1 6 x 6 1. (3) = 1 + x + x 2 + Á + x n + Á, 1 - x yazarak ifade ederiz. Şimdiye kadar (3) denklemini sağ taraftaki serinin toplamının bir formülü olarak yazdık. Şimdi odağımızı değiştiriyoruz: Sağ taraftaki serinin kısmi toplamlarını soldaki fonksiyona yaklaşımda bulunan Pn(x) polinomları olarak düşünüyoruz. Sıfır civarındaki x değerlerinde, iyi yaklaşım için serinin sadece birkaç terimini almamız yeterlidir. x = 1 veya –1’e doğru ilerlerken, daha fazla terim almamız gerekir. Şekil 11.10 ƒ(x) = 1@(1 – x) fonksiyonunun ve n = 0, 1, 2 ve 8 için yn = Pn(x) yaklaşım polinomlarının grafiklerini göstermektedir. ƒ(x) = 1@(1 – x) fonksiyonu, dikey asimptotunun bulunduğu x = 1’i içeren aralıklarda sürekli değildir. Bu nedenle yaklaşımlar x 1 için uygulanamaz. ÖRNEK 2 Bir Geometrik Seri n 1 - 1 1 1 sx - 2d + sx - 2d2 + Á + a- b sx - 2dn + Á 2 4 2 (4) kuvvet serisi, a = 2, c0 = 1, c1 = –1@2, c2 = 1@4, … , cn = (–1@2)n ile (2) denklemine uyar. x - 2 Bu, ilk terimi 1 ve oranı r = . olan bir geometrik seridir. Bu seri 2 796 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler y y 9 1 1x 8 7 y8 1 x x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 5 4 y2 1 x x2 3 –1 2 1 y1 1 x 0 1 y0 1 x fiEK‹L 11.10 ƒsxd = 1>s1 - xd ve polinom yaklaşımlarından dördünün grafikleri (Örnek 1). ` x - 2 ` 6 1 veya 0 x 4 için yakınsar. Toplamı 2 1 = 1 - r y 1 2 = x, x - 2 1 + 2 olarak bulunur, dolayısıyla 2 2 2 1 y0 1 0 1 y2 3 3x x 2 4 (2, 1) y 2x y1 2 x 2 x 3 2 n sx - 2d sx - 2d 1 2 + - Á + a- b sx - 2dn + Á, x = 1 2 4 2 0 6 x 6 4. olur. (4) serisi 2 civarındaki x değerleri için ƒ(x) = 2@x’e kullanışlı polinom yaklaşımları üretir: P0sxd = 1 fiEK‹L 11.11 ƒ(x) = 2@x ve ilk üç polinom yaklaşımının grafikleri (Örnek 2). P1sxd = 1 - x 1 sx - 2d = 2 2 2 P2sxd = 1 - 3x x2 1 1 sx - 2d + sx - 2d2 = 3 + , 2 4 2 4 gibi (Şekil 11.11). ÖRNEK 3 Oran Testini Kullanarak Yak›nsakl›¤› Test Etmek Aşağıdaki kuvvet serileri hangi x değerleri için yakınsar? q xn x2 x3 + - Á (a) a s -1dn - 1 n = x 2 3 n=1 q x 2n - 1 x3 x5 = x + - Á (b) a s -1dn - 1 5 2n - 1 3 n=1 q xn x2 x3 = 1 + x + + + Á (c) a 2! 3! n = 0 n! q (d) a n!x n = 1 + x + 2!x 2 + 3!x 3 + Á n=0 11.7 Çözüm Kuvvet Serileri 797 un, söz konusu serinin n. terimi olmak üzere ou unu serisine Oran Testini uygu- layın. un + 1 n (a) ` un ` = x : x. n + 1ƒ ƒ ƒ ƒ Seri, u x u 1 için mutlak yakınsaktır. u x u 1 ise ıraksaktır, çünkü n. terim sıfıra yakınsamaz. x = 1’de, yakınsak olan alterne harmonik seriyi, 1 – 1@2 + 1@3 – 1@4 + …, elde ederiz. x = –1’de, harmonik serinin negatifini, –1 – 1@2 – 1@3 – 1@4 – …, buluruz, ki bu seri ıraksar. (a) serisi –1 x 1 için yakınsaktır, başka yerlerde ise ıraksak olur. –1 0 1 x un + 1 2n - 1 2 (b) ` un ` = x : x2. 2n + 1 Seri, x2 1 için mutlak yakınsaktır. x2 1 için ıraksaktır çünkü n. terim sıfıra yakınsamaz. x = 1’de, Alterne Seri Teoremine göre yakınsak olan 1 – 1@3 + 1@5 – 1@7 + ⋅⋅⋅ serisini elde ederiz. Seri x = –1’de de yakınsar, çünkü yakınsaklık koşullarını sağlayan bir alterne seri verir. x = –1’deki değer, x = 1’deki değerin negatifidir. (b) serisi –1 x 1 için yakınsak, başka yerlerde ıraksaktır. –1 0 1 x un + 1 ƒxƒ x n + 1 # n! x için. (c) ` un ` = ` : 0 forher every x. n` = n + 1 sn + 1d! x Seri, her x için mutlak yakınsaktır. x 0 sn + 1d!x n + 1 un + 1 x = 0xdeğilse. (d) ` un ` = ` ` = sn + 1d ƒ x ƒ : q unless = 0. n!x n Seri, x = 0 hariç her x değeri için ıraksaktır. x 0 Örnek 3 genelde kuvvet serilerinin yakınsaklığını nasıl test ettiğimizi ve olası sonuçları göstermektedir. TEOREM 18 Kuvvet Serileri ‹çin Yak›nsakl›k Teoremi q n 2 Á a an x = a0 + a1 x + a2 x + n=0 x = c 0 için yakınsak ise, her u x u u c u için mutlak yakınsaktır. Seri, x = d için ıraksak ise her u x u u d u için ıraksaktır. 798 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ‹spat g n = 0 an c n serisinin yakınsadığını varsayın. Bu durumda, limn→∞ ancn = 0 olur. Dolayısıyla, her n N için, ƒ an c n ƒ 6 1 olmasını sağlayacak bir N tamsayısı vardır. Yani, q n N için ƒ an ƒ 6 1 ƒ c ƒn for n Ú N. (5) olur. Şimdi ƒ x ƒ 6 ƒ c ƒ olacak şekilde bir x alın ve ƒ a0 ƒ + ƒ a1 x ƒ + Á + ƒ aN - 1x N - 1 ƒ + ƒ aN x N ƒ + ƒ aN + 1 x N + 1 ƒ + Á . toplamını düşünün. ƒ aN x N ƒ ’den önce sonlu sayıda terim vardır ve toplamları da sonludur. N ƒ aN x ƒ ve bundan sonraki terimlerin toplamı, (5)’ten dolayı, x `c` N x + `c` N+1 x + `c` N+2 + Á (6) toplamından küçüktür. Fakat (6) serisi, u x u u c u olduğundan, r = ux@cu oranı 1’den küçük olan bir geometrik seridir. Bu yüzden, (6) serisi yakınsaktır ve dolayısıyla asıl seri mutlak yakınsaktır. Bu teoremin ilk yarısını ispatlar. Teoremin ikinci yarısının ispatı birinci yarının ispatından çıkar. Seri, x = d’de ıraksak ise ve u x0 u u d u olacak şekilde bir x0 değerinde yakınsak ise teoremin ilk kısmında c = x0 alabilir ve serinin x = d’de mutlak yakınsak olduğu sonucunu çıkarabiliriz. Fakat seri aynı anda hem mutlak yakınsak, hem de ıraksak olamaz. Dolayısıyla, d’de ıraksak ise, her u x u u d u için ıraksaktır. Notasyonu basitleştirmek için, Teorem 18’de oanxn formundaki serilerin yakınsaklıklarını göz önüne aldık. gansx - adn formundaki seriler için x – a’yı x ile değiştirip sonuçları oan(x )n serisine uygulayabiliriz. Bir Kuvvet Serisinin Yak›nsakl›k Yar›çap› İspatladığımız teorem ve incelediğimiz örnekler, bir gcnsx - adn kuvvet serisinin aşağıdaki üç şekilden birine uygun davrandığı sonucunu verir. Seri sadece x = a için yakınsak veya her yerde yakınsak olabilir ya da x = a merkezli R yarıçaplı bir aralık üzerinde yakınsak olabilir. Bunu, Teorem 18’in bir sonucu olarak ispat ediyoruz. TEOREM 18’‹N SONUCU gcnsx - adn serisinin yakınsaklığı aşağıdaki üç durumdan biri ile açıklanır. 1. Serinin u x – a u R koşulunu sağlayan x’ler için ıraksak, fakat u x – a u R koşulunu sağlayan x’ler için mutlak yakınsak olduğu pozitif bir R sayısı vardır. Seri, x = a – R ve x = a + R uç noktalarının her birinde yakınsak olabilir veya olmayabilir. 2. Seri her x için mutlak yakınsaktır (R = q ). 3. Seri x = a’da yakınsak ve başka her yerde ıraksaktır (R = 0). 11.7 Kuvvet Serileri 799 ‹spat Önce, a = 0 ve dolayısıyla kuvvet serisinin merkezinin 0 olduğunu kabul edelim. Seri her yerde yakınsak ise Durum 2 söz konusudur. Seri sadece x = 0 da yakınsak ise Durum 3 söz konusudur. Bunlar dışında, gcn d n serisinin ıraksak olduğu, sıfırdan farklı bir d sayısı vardır. gcn x n serisinin yakınsak olduğu x değerlerinin kümesi, S, boş küme değildir. Çünkü 0’ı ve bir p pozitif sayısını içerir. Teorem 18’e göre seri ƒ x ƒ 7 ƒ d ƒ , koşulunu sağlayan her x için ıraksaktır ve bu nedenle her x P S için ƒ x ƒ … ƒ d ƒ ’dir ve dolayısıyla S sınırlı bir kümedir. Reel sayıların Tamlık Özelliğine göre (Ek 4’e bakın) boş olmayan sınırlı bir kümenin bir en küçük üst sınırı, R, vardır. (En küçük üst sınır, x P S elemanları için x R eşitsizliğinin sağlandığı en küçük sayıdır.) ƒ x ƒ 7 R Ú p, ise x x S dir ve dolayısıyla gcn x n serisi ıraksaktır. u x u R ise u x u S kümesi için bir üst sınır değildir (çünkü en küçük üst sınırdan küçüktür) bu nedenle b u x u olacak şekilde bir b P S sayısı vardır. b P S olduğundan gcn b n serisi yakınsaktır ve bundan dolayı Teorem 18’e göre, gcn ƒ x ƒ n serisi yakınsaktır. Bununla, a = 0 merkezli kuvvet serileri için Sonuç ispatlanmış olur. a 0 merkezli bir kuvvet serisi için x = (x – a) yazarız ve yukarıdakileri x ile tekrar ederiz. x = a için x = 0 olduğundan, x = 0 merkezli gcnsx¿dn serisinin R yarıçaplı bir yakınsaklık aralığı ile x = a merkezli gcnsx - adn serisinin R yarıçaplı yakınsaklık aralığı aynıdır. Bu, genel durum için Sonucu ispatlar. R’ye kuvvet serisinin yakınsaklık yarıçapı, x = a merkezli ve R yarıçaplı aralığa yakınsaklık aralığı denir. Yakınsaklık aralığı seriye bağlı olarak açık, kapalı veya yarı açık olabilir. u x – a u R koşulunu sağlayan x’ler için seri mutlak yakınsaktır. Seri her x değeri için yakınsak ise yakınsaklık yarıçapı sonsuzdur deriz. Seri sadece x = a’da yakınsak ise yakınsaklık yarıçapı sıfırdır deriz. Bir Kuvvet Serisinin Yak›nsakl›¤›n› Test Etmek 1. Serinin mutlak yakınsak olduğu aralığı bulmak için Oran testini (veya n. Kök Testini) kullanın. Doğal olarak bu bir açık aralıktır, ux–auR veya a – R x a + R. 2. Mutlak yakınsaklık aralığı sonlu ise her bir uç noktada yakınsaklığı veya ıraksaklığı test edin , (Örnek 3a ve b’deki gibi). Bir Karşılaştırma Testi, İntegral Testi veya Alterne Seri Testi kullanın. 3. Mutlak yakınsaklık aralığı a – R x a + R ise u x – a u R için seri ıraksaktır (koşullu yakınsak bile değildir), çünkü x’in bu değerleri için n.terim sıfıra yakınsamaz. Terim-Terime Türetme İleri analizin bir teoremi bir kuvvet serisinin yakınsaklık aralığının her iç noktasında terim-terime türetilebileceğini söyler. 800 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Terim-Terime Türetme Teoremi TEOREM 19 n gcnsx - ad serisi bir R 0 için, a – R x a + R aralığında yakınsak ise bir ƒ fonksiyonu tanımlar: q ƒsxd = a cnsx - adn, a - R 6 x 6 a + R. n=0 Böyle bir ƒ fonksiyonunun yakınsaklık aralığı içinde her mertebeden türevi vardır. Türevleri, esas seriyi terim-terime türeterek elde edebiliriz: q ƒ¿sxd = a ncnsx - adn - 1 n=1 q ƒ–sxd = a nsn - 1dcnsx - adn - 2 , n=2 vs. Türev alarak elde edilmiş her seri, esas serinin yakınsaklık aralığının her iç noktasında yakınsaktır. ÖRNEK 4 Terim-Terime Türetmeyi Uygulamak ƒsxd = 1 = 1 + x + x2 + x3 + x4 + Á + xn + Á 1 - x q = a x n, -1 6 x 6 1 n=0 ise ƒ (x) ve ƒ(x) serilerini bulun. Çözüm ƒ¿sxd = 1 = 1 + 2x + 3x 2 + 4x 3 + Á + nx n - 1 + Á s1 - xd2 q = a nx n - 1, -1 6 x 6 1 n=1 ƒ–sxd = 2 = 2 + 6x + 12x 2 + Á + nsn - 1dx n - 2 + Á s1 - xd3 q = a nsn - 1dx n - 2, -1 6 x 6 1 n=2 D‹KKAT Terim-terime türev alma başka tür seriler için işe yaramayabilir. Örneğin, trigonometrik q sin sn!xd a n2 n=1 serisi her x için yakınsar. Fakat terim-terime türev alırsak, her x için ıraksak olan q n!cos sn!xd , a n2 n=1 serisini buluruz. Bu, x’in pozitif kuvvetlerinin bir toplamı olmadığından, bir kuvvet serisi değildir. 11.7 Kuvvet Serileri 801 Terim-Terime ‹ntegrasyon İleri analizin başka bir teoremi bir kuvvet serisinin yakınsaklık aralığı içinde terim-terime integre edilebileceğini söyler. TEOREM 20 Terim-Terime ‹ntegrasyon Teoremi q ƒsxd = a cnsx - adn n=0 fonksiyonunun a – R x a + R (R 0) aralığında yakınsak olduğunu varsayın. Bu durumda q a cn n =0 (x - a) n+1 n + 1 de a – R x a + R aralığında yakınsak olur ve a – R x a + R için q L ƒsxd dx = a cn n=0 sx - adn + 1 + C n + 1 olur. ÖRNEK 5 tan-1 x, -1 … x … 1 için bir seri ƒsxd = x - x3 x5 + - Á, 5 3 -1 … x … 1. fonksiyonunu tanımlayın. Çözüm Orijinal seriyi terim-terime türeterek ƒ¿sxd = 1 - x 2 + x 4 - x 6 + Á, -1 6 x 6 1. 2 buluruz. Bu, birinci terimi 1 ve oranı –x olan bir geometrik seridir, o yüzden ƒ¿sxd = 1 1 = . 1 - s -x 2 d 1 + x2 olur. Artık ƒ¿sxd = 1>s1 + x 2 d’yi integre ederek L ƒ¿sxd dx = dx = tan-1 x + C. 2 L1 + x bulabiliriz. x = 0 iken, ƒ(x) serisi sıfırdır, bu yüzden C = 0 olur. Böylece ƒsxd = x - x3 x5 x7 + + Á = tan-1 x, 5 7 3 -1 6 x 6 1. elde ederiz. Bölüm 11.10’da, serinin x = 1’de de tan–1 x’e yakınsadığını göstereceğiz. (7) 802 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Şuna dikkat edin Örnek 5’teki orijinal seri yakınsaklık aralığının her iki uç noktasında da yakınsaktır, fakat Teorem 20 türevi alınmış serinin sadece aralığın iç noktalarındaki yakınsaklığını garanti eder. ÖRNEK 6 ln s1 + xd, -1 6 x … 1 için bir seri 1 = 1 - t + t2 - t3 + Á 1 + t serisi –1 t 1 açık aralığında yakınsaktır. Dolayısıyla, x x ln s1 + xd = t3 t4 t2 1 + + Ád dt = t 2 3 4 0 L0 1 + t = x - x2 x3 x4 + + Á, 2 3 4 Teorem 20 -1 6 x 6 1. bulunur. Ayrıca serinin x = 1’de ln 2 sayısına yakınsadığı da gösterilebilir, fakat teorem bunu garantilemez. TEKNOLOJ‹ KULLANMAK Serilerin ‹ncelenmesi Seriler bir çok yönden integrallere benzer. Elemanter fonksiyonlar cinsinden açık ters türevleri var olan fonksiyonların sayısının, integre edilebilir fonksiyonların sayısına oranla küçük olması gibi, x-aralıklarında açık elemanter fonksiyonlarla uyuşan x’in kuvvet serilerinin sayısı da bir x-aralığında yakınsak olan kuvvet serilerinin sayısının yanında küçüktür. Grafik çizme araçları böyle serilerin incelenmesinde, sayısal integrasyonun belirli integrallerin incelenmesinde yardımcı olduğu gibi, yardımcı olabilir. x’in belirli değerlerinde kuvvet serilerini inceleme becerisi çoğu Bilgisayarlı Cebir Sistemi’nin içine yerleştirilmiştir. Bir seri yeterince hızlı yakınsıyorsa, BCS araştırması bize toplam hakkında bir fikir q verebilir. Örneğin, g k = 1 [1>s2k - 1 d] serisinin ilk kısmi toplamlarını hesaplarken (Bölüm 11.4, Örnek 2b), Maple, 31 n 200 için Sn = 1.606695152 verir. Bu, serinin toplamının 10 ondalık basamak hassaslıkla 1.606695152 olduğunu belirtir. Gerçekten de, q q q 1 1 1 1 -60 a 2k - 1 = a 2k - 1s2 - s1>2k - 1 dd 6 a 2k - 1 = 2199 6 1.25 * 10 . k = 201 k = 201 k = 201 bulunur. 200 terimden sonraki kalan ihmal edilebilir. Ancak, BCS ve hesap makinesi araştırmaları, seriler çok yavaş yakınsıyor veya ıraksıyor ise, bizim için fazla bir şey yapamazlar ve gerçekte fazlasıyla yanıltıcı olabilirler. q Örneğin, g k = 1 [1>s10 10kd]. serisinin kısmi toplamlarını hesaplamayı deneyin. Terimler bizim genellikle çalıştığımız sayılara nazaran çok küçüktür ve kısmi toplamlar, yüzlerce terimden oluşsalar bile, çok küçüktürler. Serinin yakınsadığını düşünmek hatasına bile q düşebiliriz. Aslında, seriyi s1>10 10 dg k = 1 s1>kd, şeklinde yazarak görebileceğimiz gibi, seri ıraksaktır. Bölüm 11.9’da hata tahminlerini öğrendikten sonra, sayısal sonuçları nasıl yorumlayacağımızı daha iyi anlayacağız. 11.7 Kuvvet Serileri 803 Kuvvet Serilerinin Çarp›m› Yine ileri analizin başka bir teoremi mutlak yakınsak kuvvet serilerinin polinomları çarptığımız gibi çarpılabileceğini söyler. TEOREM 21 Kuvvet Serileri ‹çin Seri Çarp›m Teoremi q q Asxd = g n = 0 an x n ve Bsxd = g n = 0 bn x n serileri u x u R için mutlak yakınsak ise ve n cn = a0 bn + a1 bn - 1 + a2 bn - 2 + Á + an - 1b1 + an b0 = a ak bn - k , k=0 q g n = 0 cn x n serisi u x u R için mutlak yakınsaktır ve A(x)B(x)’e yakınsar: a a an x n b # a a bn x n b = a cn x n . q q q n=0 n=0 n=0 ÖRNEK 7 q n 2 Á + xn + Á = 1 , ax = 1 + x + x + 1 - x ufor xu 1, ƒ x ƒ 16için n=0 geometrik serisini kendisiyle çarparak, u x u 1 için, 1@(1 – x)2’nin kuvvet serisini bulun. Çözüm q Asxd = a an x n = 1 + x + x 2 + Á + x n + Á = 1>s1 - xd n=0 q Bsxd = a bn x n = 1 + x + x 2 + Á + x n + Á = 1>s1 - xd n=0 ve Á + ak bn - k + Á + an b0 cn = a(''''''''''')''''''''''''* 0 bn + a1 bn - 1 + n + 1 terim = ('''')''''* 1 + 1 + Á + 1 = n + 1. n + 1 tane bir olsun. Bu durumda, Serilerin Çarpımı Teoremine göre, q q Asxd # Bsxd = a cn x n = a sn + 1dx n n=0 n=0 = 1 + 2x + 3x 2 + 4x 3 + Á + sn + 1dx n + Á 1@(1 – x)2’nin serisidir. Seri u x u 1 için mutlak yakınsaktır. Örnek 4’ün, d 1 1 a b = . dx 1 - x s1 - xd2 olduğu için, aynı sonucu verdiğine dikkat edin. 804 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ALIfiTIRMALAR 11.7 Yak›nsakl›k Aral›klar› 33–38 alıştırmalarında serilerin yakınsaklık aralıklarını ve bu aralıkta, serinin toplamını x’in bir fonksiyonu olarak bulun. 1–32 alıştırmalarında (a) serilerin yakınsaklık yarıçaplarını ve aralıklarını bulun. Seriler hangi x değerlerinde (b) mutlak ve (c) koşullu yakınsaktırlar? 33. a sx - 1d2n 4n n=0 q 2. a sx + 5dn n=0 q n=0 q 4. a 3. a s -1dns4x + 1dn n=0 q n=1 q n sx - 2d 10 n n=0 5. a q 7. a 8. a nx n n=0 n + 2 q n=1 q xn 10. a n = 1 n 2n 3n n 2x - 1b 2 37. a a x + 1 b 3 q 12. a q n=0 q 13. a 14. a q q xn 16. a n = 0 2n 2 + 3 3x n! s -1dnx n nx n 18. a n 2 n = 0 4 sn + 1d 2nx n 3n n=0 20. a 2ns2x + 5dn 1 21. a a1 + n b x n 22. a sln ndx n 23. a n nx n 24. a n!sx - 4dn s -1dn + 1sx + 2dn n2n n=1 q xn 27. a 2 n = 2 nsln nd q xn n = 2 n ln n 28. a q 29. a s4x - 5d2n + 1 n=1 n 3>2 q sx + pdn 31. a n=1 a. cos x için, bir serinin ilk altı terimini bulun. Bu seri x’in hangi değerleri için yakınsak olmalıdır? b. sin x serisinde x yerine 2x alarak, her x için sin 2x’e yakınsayan bir seri bulun. n=1 q q c. (a) şıkkındaki sonucu ve seri çarpımını kullanarak, 2 sin x cos x için, bir serisinin ilk altı terimini bulun. Yanıtınızı (b) şıkkındaki yanıtla karşılaştırın. 2n q 26. a s -2dnsn + 1dsx - 1dn n=0 a 1>(n(ln n) ) hakkında gerek duyduğunuz bütün bilgiyi Bölüm 11.3, Alıştırma 39’dan elde edebilirsiniz. 2 a 1>(n ln n) hakkında gerek duyduğunuz bütün bilgiyi Bölüm 11.3, Alıştırma 38’den elde edebilirsiniz. s3x + 1dn + 1 30. a 2n + 2 n=1 q q 32. a n=0 A x - 22 B 2n + 1 2n x3 x5 x7 x9 x 11 + + + Á 3! 5! 7! 9! 11! serisi her x için sin x’e yakınsar. n=0 25. a 1 1 1 sx - 3d + sx - 3d2 + Á + a- b sx - 3dn + Á 2 4 2 sin x = x - n=1 q n=1 n 41. n n=1 q n=0 x2 - 1 b 2 40. Alıştırma 39’daki seriyi terim-terime integre ederseniz hangi seriyi elde edersiniz? Yeni seri x’in hangi değerleri için yakınsaktır ve toplamının bir başka adı nedir? q n q 38. a a serisi yakınsaktır? Toplamı nedir? Verilen serinin terim-terime türevini alırsanız hangi seriyi bulursunuz? Yeni seri hangi x değerlerinde yakınsaktır? Toplamı nedir? q q n=0 q n n 1 - 2n nsx + 3dn 17. a 5n n=0 19. a 2 39. Hangi x değerlerinde n n n = 0 2n 2 + 3 q n=0 sx - 1dn s2x + 3d2n + 1 n! n=0 x 2n + 1 n = 0 n! n=0 q q 36. a sln xdn Teori ve Örnekler s -1dnsx + 2dn n n=1 s -1dnx n 11. a n! n=0 q 15. a s3x - 2d n 6. a s2xdn n=0 q 9. a n q 34. a 35. a a q q 1. a x n sx + 1d2n 9n n=0 q 42. ex = 1 + x + x2 x3 x4 x5 + + + + Á 2! 3! 4! 5! serisi her x için ex’e yakınsar. a. (d@dx)ex için bir seri bulun. ex serisini buluyor musunuz? Yanıtınızı açıklayın. b. bex dx için bir seri bulun. ex serisini buluyor musunuz? Yanıtınızı açıklayın. c. ex serisinde x yerine –x alarak her x için e–x’e yakınsayan bir seri bulun. Sonra ex ile e–x serilerini çarparak e–x ⋅ ex. 11.8 17x 7 62x 9 x3 2x 5 + + + + Á 3 15 315 2835 45. Yakınsak kuvvet serilerinin tekliği a. g n = 0 an x n ve g n = 0 bn x n kuvvet serileri yakınsak iseler ve bir (–c, c) açık aralığındaki her x değeri için eşit iseler, her n için an = bn olduğunu gösterin. (İpucu: q serisi –p@2 x p@2 için tan x’e yakınsar. a. ln u sec x u serisinin ilk beş terimini bulun. Bu seri x’in hangi değerleri için yakınsak olmalıdır? q q b. Bir (–c, c) açık aralığındaki her x için g n = 0 an x n = 0 ise, her n için an = 0 olduğunu gösterin. q c. (b)’deki yanıtınızı sec x’in Alıştırma 44’te verilen serisinin karesini alarak kontrol edin. 46. g n = 0 sn2>2n d serisinin toplamı Serinin toplamını bulmak için, 1@(1 – x)’i geometrik seri olarak ifade edin, ortaya çıkan denklemin iki tarafının da x’e göre türevini alın, sonucun iki tarafını da x ile çarpın, yeniden türev alın ve tekrar x ile çarpın, x yerine 1/2 yazın. Ne buluyorsunuz? (Kaynak: David E. Dobbs’un editöre mektubu, Illinois Mathematics Teacher, Vol. 33, Sayı 4, 1982, sayfa 27.) q 44. 61 6 277 8 Á 5 4 x2 x + x + x + + 2 24 720 8064 serisi –p@2 x p@2 için sec x’e yakınsar. a. ln u sec x + tan x u fonksiyonunun kuvvet serisinin ilk beş terimini bulun. Bu seri x’in hangi değerleri için yakınsak olmalıdır? 47. Uç noktalarda yakınsaklık Bir kuvvet serisinin yakınsaklık aralığının uç noktalarındaki yakınsaklığının koşullu veya mutlak olabileceğini örneklerle gösterin. b. sec x tan x için, bir serinin ilk dört terimini bulun. Bu seri hangi x değerleri için yakınsak olmalıdır? 48. Yakınsaklık aralığı aşağıda gibi olan bir kuvvet serisi kurun. a. s -3, 3d 11.8 q ƒsxd = g n = 0 an x n = g n = 0 bn x n . olsun. Terim-terime türetin, an ve bn’nin ikisinin de ƒ(n)(0)@(n!)’e eşit olduğunu gösterin.) b. sec2 x serisinin ilk beş terimini bulun. Bu seri x’in hangi değerleri için yakınsak olmalıdır? sec x = 1 + 805 c. (b) şıkkındaki sonucunuzu sec x serisini Alıştırma 43’ te tan x için verilen seriyle çarparak kontrol edin. 43. tan x = x + Taylor ve Maclaurin Serileri b. s -2, 0d c. (1, 5). Taylor ve Maclaurin Serileri Bu bölüm, sonsuz defa türetilebilen fonksiyonların, Taylor serisi denilen kuvvet serilerini nasıl oluşturduklarını göstermektedir. Çoğu durumda, bu seriler üretici fonksiyonların kullanışlı polinom yaklaşımlarını sağlayabilir. Seri Temsili Teorem 19’dan, yakınsaklık aralığı içinde bir kuvvet serisinin toplamının her mertebeden türevi var olan sürekli bir fonksiyon olduğunu biliyoruz. Fakat ya tersi? Bir ƒ(x) fonksiyonunun bir I aralığında her mertebeden türevi varsa, I’da bir kuvvet serisi olarak ifade edilebilir mi? Ve edilebilirse, katsayıları ne olacaktır? ƒ(x)’in, yakınsaklık yarıçapı pozitif olan bir q ƒsxd = a ansx - adn n=0 = a0 + a1sx - ad + a2sx - ad2 + Á + ansx - adn + Á kuvvet serisinin toplamı olduğunu varsayarsak, son soruya hemen cevap verebiliriz. I yakınsaklık aralığında art arda terim-terime türev alarak, ƒ¿sxd = a1 + 2a2sx - ad + 3a3sx - ad2 + Á + nansx - adn - 1 + Á ƒ–sxd = 1 # 2a2 + 2 # 3a3sx - ad + 3 # 4a4sx - ad2 + Á ƒ‡sxd = 1 # 2 # 3a3 + 2 # 3 # 4a4sx - ad + 3 # 4 # 5a5sx - ad2 + Á , elde ederiz. 806 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Burada, n. türev, her n için ƒ(n)(x) = n!an + (x – a) çarpanını içeren terimlerin bir toplamı ile verilir. Bu denklemlerin hepsi x = a’da sağlandığından, ƒ¿sad = a1, # ƒ–sad = 1 2a2 , ƒ‡sad = 1 # 2 # 3a3 , ve genel olarak ƒsndsad = n!an . elde ederiz. Bu formüller, ƒ’nin I aralığındaki değerlerine yakınsayan (“ƒ’yi I’da temsil q eden” deriz) herhangi bir g n = 0 ansx - adn kuvvet serisinin katsayılarında harika bir kalıp ortaya çıkarır. Böyle bir seri varsa (bu hala açık bir sorudur), sadece bir tane vardır ve n. katsayısı ƒsndsad an = . n! dir. ƒ’nin bir seri temsili varsa, bu ƒsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + + Á + ƒ–sad sx - ad2 2! ƒsndsad sx - adn + Á . n! (1) olmalıdır. Fakat, merkezi x = a’da bulunan bir I aralığında sonsuz defa türetilebilen keyfi bir ƒ fonksiyonuyla işe başlarsak ve bunu (1) denklemindeki seriyi üretmekte kullanırsak, seri I’nın içindeki her x için ƒ(x)’e yakınsar mı? Yanıt belkidir—bazı fonksiyonlar için yakınsayacak, fakat göreceğimiz gibi, bazıları için yakınsamayacaktır. TARİHSEL BİYOGRAFİ Taylor ve Maclaurin Serileri Brook Taylor (1685–1731) Colin Maclaurin (1698–1746) TANIMLAR Taylor Serileri , Maclaurin Serileri ƒ, a’yı bir iç nokta olarak içeren bir aralıkta her mertebeden türevi olan bir fonksiyon olsun. ƒ tarafından x = a’da üretilen Taylor serisi ƒ skdsad ƒ–sad k 2 a k! sx - ad = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + 2! sx - ad k=0 q + Á + ƒ sndsad sx - adn + Á . n! olarak tanımlanır. ƒ tarafından üretilen Maclaurin serisi ise ƒ skds0d k ƒ–s0d 2 ƒsnds0d n Á + x = ƒs0d + ƒ¿s0dx + x + x + Á, a k! 2! n! k=0 q ile verilir, yani ƒ’nin x = 0’da ürettiği Taylor serisidir. ƒ tarafından üretilen Maclaurin serisine genelde sadece ƒ’nin Taylor serisi denir. 11.8 ÖRNEK 1 807 Taylor ve Maclaurin Serileri Bir Taylor Serisi Bulmak ƒ(x) = 1@x fonksiyonunun a = 2’de ürettiği Taylor serisini bulun. Eğer yakınsak ise seri nerede 1@x’e yakınsar? Çözüm ƒ(2), ƒ (2), ƒ(2), … katsayılarını bulmamız gerekir. Türev alarak, 1 , 2 ƒsxd = x -1, ƒs2d = 2-1 = ƒ¿sxd = -x -2, ƒ¿s2d = - ƒ–sxd = 2!x -3, ƒ–s2d 1 = 2-3 = 3 , 2! 2 ƒ‡sxd = -3!x -4, ƒ‡s2d 1 = - 4, 3! 2 o o ƒ sndsxd = s -1dnn!x -sn + 1d, 1 , 22 ƒ snds2d s -1dn = n+1 . n! 2 elde ederiz. Taylor serisi ƒs2d + ƒ¿s2dsx - 2d + ƒ–s2d ƒsnds2d sx - 2d2 + Á + sx - 2dn + Á 2! n! 2 = n sx - 2d sx - 2d sx - 2d 1 + - Á + s -1dn + Á. 2 22 23 2n + 1 şeklindedir. Bu sabit terimi 1@2 ve oranı r = –(x – 2)@2 olan bir geometrik seridir. u x – 2u 2 için mutlak yakınsaktır ve toplamı 1>2 1 1 = = x. 1 + sx - 2d>2 2 + sx - 2d olarak bulunur. Bu örnekte, ƒ(x) = 1@x’in a = 2’de ürettiği Taylor serisi, u x – 2u 2 veya 0 x 4 için 1@x’e yakınsar. Taylor Polinomlar› Türevlenebilir bir ƒ fonksiyonunun a noktasındaki lineerizasyonu P1sxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad. ile verilen polinomdur. Bölüm 3.8’de, a’ya yakın x değerlerinde ƒ(x)’e yaklaşmak için bu lineerizasyonu kullandık. ƒ’nin a’da daha yüksek mertebeden türevleri varsa, elde edilebilen her türev için, ƒ’nin daha yüksek mertebeden polinom yaklaşımları da bulunur. Bu polinomlara ƒ’nin Taylor polinomları denir. 808 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler TANIM n. Mertebe Taylor Polinomu ƒ, a’yı iç nokta olarak içeren bir aralıkta k. mertebeden, k = 1, 2, …, N, türevleri var olan bir fonksiyon olsun. 0’dan N’ye kadar olan herhangi bir n tam sayısı için ƒ’nin x = a’da ürettiği n. mertebe Taylor polinomu Pnsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + + ƒ–sad sx - ad2 + Á 2! ƒskdsad ƒsndsad sx - adk + Á + sx - adn . n! k! ile verilir. Bir Taylor polinomundan bahsederken, n. dereceden yerine, n. mertebeden diyoruz, çünkü ƒ(n)(a) sıfır olabilir. Örneğin, ƒ(x) = cos x’in x = 0’daki ilk iki Taylor polinomu P0(x) = 1 ve P1(x) = 1’dir. Birinci mertebe polinomun derecesi 1 değil, sıfırdır. ƒ’nin x = a’daki lineerizasyonunun, a’nın bir komşuluğunda ƒ’nin en iyi lineerizasyonunu vermesi gibi, yükesek mertebe Taylor polinomları da kendi derecelerine göre en iyi polinom yaklaşımlarını verirler. (Alıştırma 32’ye bakın.) e x için Taylor polinomlar› Bulmak ÖRNEK 2 ƒ(x) = ex’in x = 0’da ürettiği Tayor serisini ve Taylor polinomlarını bulun. y 3.0 y P3(x) y ex Çözüm ƒsxd = e x, y P2(x) 2.5 ƒ¿sxd = e x, Á, ƒsndsxd = e x, Á, olduğundan ƒs0d = e 0 = 1, 2.0 y P1(x) ƒ¿s0d = 1, Á, ƒsnds0d = 1, .Á buluruz. ƒ’nin x = 0’da ürettiği Taylor serisi 1.5 ƒs0d + ƒ¿s0dx + ƒ–s0d 2 ƒsnds0d n x + Á + x + Á 2! n! 1.0 = 1 + x + 0.5 xn x2 + Á + + Á 2 n! q xk . k = 0 k! = a –0.5 0 0.5 1.0 fiEK‹L 11.12 ƒ(x) = ex fonksiyonunun ve Taylor polinomlarının grafikleri. P1(x) = 1 + x P2(x) = 1 + x + (x2@2!) P3(x) = 1 + x + (x2@2!) + (x3@3!) Merkez, x = 0 civarındaki yakın uyuma dikkat edin (Örnek 2). x olarak elde edilir. Bu aynı zamanda ex’in Maclaurin serisidir. Bölüm 11.9’ da, serinin her x için ex’e yakınsadığını göreceğiz. x = 0’daki n. mertebe Taylor polinomu Pnsxd = 1 + x + x2 xn + Á + . 2 n! ile verilir. Şekil 11.12’ye bakın. ÖRNEK 3 cos x için Taylor polinomlar› Bulmak ƒ(x) = cos x’in x = 0’da ürettiği Taylor serisi ve polinomlarını bulun. 11.8 Çözüm Taylor ve Maclaurin Serileri 809 Kosinüs ve türevleri şöyledir: ƒsxd = -sin x, ƒ¿sxd = cos x, s3d ƒ sxd = ƒ–sxd = -cos x, o ƒs2ndsxd = s -1dn cos x, sin x, o ƒs2n + 1dsxd = s -1dn + 1 sin x. x = 0’da, kosinüsler 1 ve sinüsler 0, dolayısıyla ƒs2nds0d = s -1dn, ƒs2n + 1ds0d = 0. olur. ƒ’nin x = 0’da ürettiği Taylor serisi ƒs0d + ƒ¿s0dx + ƒ–s0d 2 ƒ‡s0d 3 ƒsnds0d n x + x + Á + x + Á 2! 3! n! = 1 + 0#x - x2 x4 x 2n + 0 # x3 + + Á + s -1dn + Á 2! 4! s2nd! s -1dkx 2k . s2kd! k=0 q = a olarak bulunur. Bu aynı zamanda cos x’in Maclaurin serisidir. Bölüm 11.9’ da, serinin her x için cos x’e yakınsayacağını göreceğiz. ƒ(2n+1)(0) 0 olduğundan mertebeleri 2n ve 2n + 1 olan Taylor polinomları aynıdır: P2nsxd = P2n + 1sxd = 1 - x2 x4 x 2n + - Á + s -1dn . 2! 4! s2nd! x = 0 civarında polinomların ƒ(x) cos x’e ne kadar yaklaştıkları Şekil 11.13’te görülmektedir. Grafiklerin sadece sağ tarafları verilmiştir, çünkü grafikler y-eksenine göre simetriktir. y 2 1 P4 P0 P8 P12 P16 y cos x 0 1 2 3 4 5 6 8 7 9 –1 P2 P6 P10 P14 P18 –2 fiEK‹L 11.13 n → ∞ iken s -1dkx 2k s2kd! k=0 n P2nsxd = a polinomları cos x’e yakınsar. cos x’in keyfi derecede uzaktaki davranışlarını kosinüsün ve türevlerinin x = 0’ daki değerlerini bilerek çıkarabiliriz (Örnek 3). x 810 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ÖRNEK 4 Taylor serisi her x için yak›nsayan, fakat sadece x = 0’da ƒ(x)’e yak›nsayan bir ƒ fonksiyonu. 0, ƒsxd = e -1>x2 e , x = 0 x Z 0 fonksiyonunun (Şekil 11.14) x = 0’da her mertebeden türevinin var olduğu ve (kolay olmasa da) her n için ƒ(n)(0) = 0 olduğu gösterilebilir. Bu, ƒ’nin x = 0’da ürettiği Taylor serisinin ƒs0d + ƒ¿s0dx + ƒ–s0d 2 ƒsnds0d n x + Á + x + Á 2! n! = 0 + 0 # x + 0 # x2 + Á + 0 # xn + Á = 0 + 0 + Á + 0 + Á. olduğunu gösterir. Seri her x için yakınsaktır (toplamı 0’dır), fakat sadece x = 0’da ƒ(x)’e yakınsar. y 1 –4 –3 –2 –1 0 ⎧0 , x0 y ⎨ –1/x2 e , x 0 ⎩ 1 2 3 4 x 2 fiEK‹L 11.14 y = e -1>x ’nin sürekli genişlemesinin grafiği orijinde o kadar düzdür ki oradaki bütün türevleri sıfırdır (Örnek 4). Hala iki soru vardır: 1. 2. Bir Taylor serisinin hangi x değerleri için üretici fonksiyonuna yakınsamasını bekleyebiliriz? Bir fonksiyonun Taylor polinomları verilen bir aralıkta fonksiyona ne gibi bir kesinlikle yaklaşımda bulunurlar? Yanıtlar bir sonraki bölümde Taylor’un bir teoremiyle verilmektedir. ALIfiTIRMALAR 11.8 Taylor Polinomlar› Bulmak 1–8 alıştırmalarında, ƒ’nin a’da ürettiği 0, 1, 2 ve 3.üncü mertebeden Taylor polinomlarını bulun. 1. ƒsxd = ln x, a = 1 2. ƒsxd = ln s1 + xd, a = 0 3. ƒsxd = 1>x, a = 2 4. ƒsxd = 1>sx + 2d, a = 0 5. ƒsxd = sin x, a = p>4 6. ƒsxd = cos x, 7. ƒsxd = 2x, a = 4 8. ƒsxd = 2x + 4, a = p>4 a = 0 x = 0 da Taylor Polinomlar› Bulmak (Maclaurin Serileri) 9–20 alıştırmalarındaki fonksiyonların Maclaurin serilerini bulun. 9. e -x 11. 1 1 + x 13. sin 3x 10. e x>2 1 1 - x x 14. sin 2 12. 11.9 15. 7 cos s -xd 16. 5 cos px x 17. cosh x = e + e 2 x -x 18. sinh x = 19. x 4 - 2x 3 - 5x + 4 e - e 2 -x 20. sx + 1d2 21. ƒsxd = x 3 - 2x + 4, 23. ƒsxd = x 4 + x 2 + 1, a’da ürettiği Taylor serisini bulun. a = 2 22. ƒsxd = 2x 3 + x 2 + 3x - 8, 25. ƒsxd = 1>x , a = -2 27. ƒsxd = e , a = 2 28. ƒsxd = 2x, a = 1 a = -1 ƒ sndsad sx - adn . n! olduğunu gösterin. Yani, Pn(x) Taylor polinomu, x = a’da hem hatası sıfır olan, hem de (x – a)n ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilen ve derecesi n’ye eşit veya n’den küçük olan tek polinomdur. sx - ad2 e = e c1 + sx - ad + + Á d. 2! x a olduğunu göstermek için. ex’in x = a’da ürettiği Taylor serisini kullanın. 30. (Alıştırma 29’un devamı.) ex’in x = 1’de ürettiği Taylor serisini bulun. Yanıtınızı Alıştırma 29’daki formülle karşılaştırın. 31. ƒ(x)’in x = a’da n mertebesine kadar türevleri var olsun. n. mertebe Taylor polinomunun ve ilk n türevinin x = a’daki değerlerinin, ƒ’nin ve ilk n türevinin x = a’daki değerlerine eşit olduğunu gösterin. 11.9 ƒ–sad sx - ad2 + Á 2! + Teori ve Al›flt›rmalar 29. Hata (x – a)n ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir. gsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + a = 0 x x = a’daki yaklaşım hatası sıfır. Esxd b. lim n = 0, x:a sx - ad koşullarını koyarsak, a = 1 26. ƒsxd = x>s1 - xd, a. Esad = 0 a = 1 24. ƒsxd = 3x 5 - x 4 + 2x 3 + x 2 - 2, 2 811 32. Mertebesi ◊ n olan bütün polinomlar arasında, n. mertebe Taylor polinomu en iyi yaklaşımı verir. ƒ(x)’in x = a’da merkezlenmiş bir aralıkta türetilebildiğini ve g(x) = b0 + b1(x – a) + … + bn(x – a)n’in, b0,…, bn sabit katsayılar olmak üzere n. mertebeden bir polinom olduğunu varsayın. E(x) = ƒ(x) – g(x) olsun. g üzerine Taylor Serilerini Bulmak 21–28 alıştırmalarında ƒ’nin x Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini Kuadratik Yaklafl›mlar x = a’da iki kere türetilebilen bir ƒ(x) fonksiyonu tarafından üretilen ve mertebesi 2 olan Taylor polinomuna ƒ’nin x = a’daki kuadratik yaklaşımı denir. 33-38 alıştırmalarında, ƒ’nin x = 0’daki (a) lineerizasyonunu (mertebesi 1 olan Taylor polinomu) ve (b) kuadratik yaklaşımını bulun. 33. ƒsxd = ln scos xd 34. ƒsxd = e sin x 35. ƒsxd = 1> 21 - x 2 36. ƒsxd = cosh x 37. ƒsxd = sin x 38. ƒsxd = tan x Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini Bu bölüm Bölüm 11.8’de cevapsız bırakılan iki soruyu cevaplamaktadır: 1. 2. Bir Taylor serisi ne zaman üretici fonksiyonuna yakınsar? Bir fonksiyonun Taylor polinomları verilen bir aralıkta, fonksiyona ne kadar iyi bir yaklaşımda bulunurlar? Taylor Teoremi Bu soruları aşağıdaki teoremle yanıtlayacağız. 812 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler TEOREM 22 Taylor Teoremi ƒ fonksiyonu ve ƒ , ƒ, …, ƒ(n) türevleri [a, b] veya [b, a] aralıklarında sürekli iseler ve ƒ(n) (a, b) veya (b, a) aralığında türetilebiliyorsa, a ile b arasında ƒsbd = ƒsad + ƒ¿sadsb - ad + + ƒ–sad sb - ad2 + Á 2! ƒsndsad ƒsn + 1dscd sb - adn + sb - adn + 1 . n! sn + 1d! eşitliği sağlanacak şekilde bir c sayısı vardır. Taylor Teoremi Ortalama Değer Teoreminin bir genelleştirilmesidir (Alıştırma 39). Bu bölümün sonunda Taylor teoreminin bir ispatı vardır. Taylor teoremini uygularken, genellikle a’yı sabit tutup, b’ye bağımsız bir değişken gibi bakmak isteriz. Bu gibi durumlarda, b yerine x yazarsak, Taylor teoremini uygulamak kolaylaşır. Bu değişiklikle teorem şu şekli alır: Taylor Formülü a’yı içeren bir I aralığında ƒ’nin her mertebeden türevi varsa, her pozitif n tamsayısı ve I’daki her x için, ƒsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + + ƒ–sad sx - ad2 + Á 2! ƒsndsad sx - adn + Rnsxd, n! (1) dir. Burada Rnsxd = f sn + 1dscd sx - adn + 1 sn + 1d! (c, ile b arasında bira sayı forasome c between and )x. (2) dir. Taylor teoremini bu şekilde ifade ettiğimizde, teorem, her x P I için ƒsxd = Pnsxd + Rnsxd. olduğunu söyler. Rn(x) fonksiyonu (n + 1). türev olan ƒ(n + 1)’nin a ve x’e bağlı olan ve bunların arasında bulunan bir c noktasındaki değeri ile tanımlanır. Denklem, istediğimiz herhangi bir n değeri için, hem ƒ’nin o mertebede bir polinom yaklaşımını, hem de I aralığı boyunca o yaklaşımı kullanmanın vereceği hata için bir formül verir. (1) denklemine Taylor formülü denir. Rn(x) fonksiyonuna n. mertebeden kalan veya ƒ’nin I aralığındaki Pn(x) yaklaşımının hata terimi denir. Her x P I için, n → ∞ iken, Rn(x) → 0 ise, ƒ’nin x = a’da ürettiği Taylor serisinin I aralığı üzerinde ƒ’ye yakınsadığını söyler ve q ƒskdsad sx - adk . ƒsxd = a k! k=0 yazarız. Aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi çoğunlukla c’deki değerini bilmeksizin Rn kalanını tahmin edebiliriz. 11.9 ÖRNEK 1 Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini 813 e x için Taylor Serisi, Tekrar ƒ(x) = ex’in x = 0’da ürettiği Taylor serisinin her reel x değerinde ƒ(x)’e yakınsadığını gösterin. Fonksiyonun I = (– q , q ) aralığında her mertebeden türevi vardır. ƒ(x) = ex ve a = 0 ile (1) ve (2) denklemleri Çözüm ex = 1 + x + xn x2 + Á + + Rnsxd 2! n! Bölüm 11.8, Örnek 2’deki polinom ve Rnsxd = ec xn+1 sn + 1d! c between and x. 0for ilesome x arasında bir c 0için verir. ex, x’in artan bir fonksiyonu olduğundan, ec değeri e0 = 1 ile ex arasında bulunur. x negatifse, c de negatiftir, dolayısıyla ec 1 olur. x sıfırken, ex = 1 ve Rn(x) = 0 olur. x pozitifse, c de pozitiftir ve ec ex olur. Yani, ƒ Rnsxd ƒ … ƒ x ƒn+1 sn + 1d! x 0 xiçin when … 0, xn+1 sn + 1d! x 7 0. xwhen 0 için ve ƒ Rnsxd ƒ 6 e x olur. Son olarak, xn+1 = 0 n: q sn + 1d! lim forxevery her için x, Bölüm 11.1 olduğundan lim Rnsxd = 0, olur ve seri her x için ex’e yakınsar. Böylece, n: q q xk xk x2 + Á + = 1 + x + + Á. 2! k! k = 0 k! ex = a (3) bulunur. Kalan› Tahmin Etmek Çoğunlukla, Örnek 1’de yaptığımız gibi Rn(x)’i tahmin etmek mümkündür. Bu tahmin yöntemi o kadar uygundur ki, bunu, daha sonraki kullanımları için bir teorem olarak ifade edeceğiz. TEOREM 23 Kalan› Tahmin Teoremi x ve a arasındaki her t için ƒ ƒsn + 1dstd ƒ … M olacak şekilde pozitif bir M sabiti varsa, Taylor teoremindeki kalan terim Rn(x) ƒ Rnsxd ƒ … M ƒ x - a ƒ n+1 . sn + 1d! eşitsizliğini sağlar. Bu koşullar her n için geçerliyse ve ƒ Taylor teoreminin diğer koşullarını sağlıyorsa, seri ƒ(x)’e yakınsar. 814 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Artık, Kalan Tahmin Teoreminin ve Taylor Teoreminin, yakınsaklık sorularını yanıtlamak için nasıl kullanıldıklarını gösteren örneklere bakmaya hazırız. Göreceğiniz gibi, bunlar bir fonksiyona Taylor serilerinden biriyle yaklaşım yapılmasının hassaslığını belirlemekte de kullanılırlar. sin x’in x = 0’daki Taylor Serisi ÖRNEK 2 sin x’in x = 0’daki Taylor serisinin her x için x’e yakınsadığını gösterin. Çözüm Fonksiyon ve türevleri şöyledir: ƒsxd = sin x, ƒ¿sxd = cos x, ƒ–sxd = - sin x, ƒ‡sxd = - cos x, o o ƒ(2k)sxd = s -1dk sin x, ƒ(2k + 1)sxd = s -1dk cos x, Dolayısıyla, f s2kds0d = 0 ve and f s2k + 1ds0d = s -1dk . olur. Serinin sadece tek kuvvetli terimleri vardır ve n = 2k + 1 için Taylor teoremi k 2k + 1 sin x = x - s -1d x x3 x5 + - Á + + R2k + 1sxd. 3! 5! s2k + 1d! verir. sin x’in bütün türevlerinin mutlak değerleri 1’den küçük veya 1’e eşittir, dolayısıyla M = 1 ile Kalan Tahmin Teoremini uygulayarak ƒ R2k + 1sxd ƒ … 1 # ƒ x ƒ 2k + 2 . s2k + 2d! buluruz. k → ∞ iken, x’in değeri ne olursa olsun, s ƒ x ƒ 2k + 2>s2k + 2d!d : 0 olduğundan, R2k + 1(x) → 0 olur ve sin x’in Maclaurin serisi her x için sin x’e yakınsar. Böylece, s -1dkx 2k + 1 x3 x5 x7 = x + + Á. 3! 5! 7! k = 0 s2k + 1d! q sin x = a (4) elde edilir. ÖRNEK 3 cos x‘in x = 0 ’daki Taylor Serisi, Tekrar cos x’in x 0’daki Taylor serisinin her x değerinde cos x’e yakınsadığını gösterin. Çözüm cos x’in Taylor polinomuna (Bölüm 11.8, Örnek 3) kalan terimini ekleyerek n = 2k ile cos x’in Taylor formülünü elde ederiz: cos x = 1 - x2 x4 x 2k + - Á + s -1dk + R2ksxd. 2! 4! s2kd! 11.9 Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini 815 Kosinüsün türevlerinin hepsinin mutlak değerleri 1’den küçük veya 1’e eşit olduğundan, M = 1 ile Kalan Tahmin Teoremi ƒ R2ksxd ƒ … 1 # ƒ x ƒ 2k + 1 . s2k + 1d! verir. k → q iken, her x değeri için, R2k → 0 bulunur. Bu nedenle, seri her x için cos x’e yakınsar. s -1dkx 2k x2 x4 x6 = 1 + + Á. 2! 4! 6! s2kd! k=0 q cos x = a ÖRNEK 4 (5) De¤iflken Dönüflümü ile bir Taylor Serisi Bulmak cos 2x’in x = 0’daki Taylor serisini bulun. Çözüm cos 2x’in Taylor serisini cos x’in Taylor serisinde x yerine 2x yazarak bulabiliriz: s2xd4 s2xd6 s -1dks2xd2k s2xd2 + + Á = 1 2! 4! 6! s2kd! k=0 q cos 2x = a = 1 - 22x 2 24x 4 26x 6 + + Á 2! 4! 6! q = a s -1dk k=0 x yerine 2x alınmış (5) denklemi 22kx 2k . s2kd! (5) denklemi – q x q için geçerlidir, bu da – q 2x q için de geçerli olduğunu gösterir, dolayısıyla yeni yaratılan seri her x için yakınsaktır. Alıştırma 45 serinin neden gerçekten de 2x’in Taylor serisi olduğunu açıklamaktadır. ÖRNEK 5 Bir Taylor Serisini Çarp›mla Bulmak x sin x’in x = 0’daki Taylor serisini bulun. Çözüm x sin x’in Taylor serisini sin x’in Taylor serisini (Denklem 4 ) x ile çarparak bulabiliriz. x sin x = x ax = x2 - x3 x5 x7 + + Áb 3! 5! 7! x4 x6 x8 + + Á. 3! 5! 7! sin x serisi her x için yakınsak olduğundan yeni seri her x için yakınsaktır. Alıştırma 45, serinin neden x sin x’in Taylor serisi olduğunu açıklamaktadır. Kesme Hatas› ex’in x = 0’daki Taylor serisi her x için ex’e yakınsar. Fakat hala ex’e, verilen bir hassasiyette yaklaşımda bulunmak için kaç tane terim kullanacağımıza karar vermemiz gerekmektedir. Bu bilgiyi Kalan Tahmin Teoreminden elde ederiz. Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler ÖRNEK 6 Çözüm e’yi 10–6’dan daha küçük bir hatayla hesaplayın. x = 1 alarak Örnek 1’in çözümünü kullanıp e = 1 + 1 + 1 1 + Á + + Rns1d, 2! n! yazabiliriz. Burada Rns1d = e c 1 sn + 1d! 0 ile 1 arasındaki bir c için ile verilir. Bu örneğin amaçları için, e 3 olduğunu bildiğimizi varsayalım. Dolayısıyla, 3 1 6 Rns1d 6 sn + 1d! sn + 1d! olduğundan eminiz, çünkü , 0 c 1 için, 1 ec 3’dür. Denemeyle, 1@9! 10–6 ve 3@10! 10–6 olduğunu buluruz. Yani (n + 1)’i en az 10 veya n’yi en az 9 almamız gerekir. 10–6’dan küçük bir hatayla e = 1 + 1 + 1 1 1 + + Á + L 2.718282. 2 3! 9! buluruz. Hangi x değerleri için sin x yerine, büyüklüğü 3 10–4’ten fazla olmayan bir hatayla x – (x3@3!) yazabiliriz? ÖRNEK 7 Burada, sin x’in Taylor serisinin, sıfırdan farklı her x değeri için bir alterne seri olmasının avantajını kullanacağız. Alterne Seriler Tahmin Teoremine göre (Bölüm 11.6) Çözüm sin x = x - x3 x5 + - Á 3! 5! ------ 816 serisini (x3@3!)’den sonra kesmenin getireceği hata ` ƒ x ƒ5 x5 ` = . 120 5! değerinden büyük olmayacaktır. Dolayısıyla, ƒ x ƒ5 6 3 * 10 -4 120 veya or 5 ƒ x ƒ 6 2360 * 10 -4 L 0.514. Güvenlik için, aşağı yuvarlanmış ise, hata 3 10–4’e eşit veya bundan daha küçük olacaktır. Alterne Seriler Tahmin Teoremi Kalan Tahmin Teoreminin söylemediği bir şeyi daha söyler: yani, sin x için x – (x3@3!) tahmini, x pozitif olduğunda gerçek değerden küçük olan bir tahmindir, çünkü x5@120 pozitiftir. Şekil 11.15 sin x grafiğiyle birlikte birkaç Taylor polinomu yaklaşımını da göstermektedir. P3(x) = x – (x3@3!)’in grafiği –1 x 1 iken neredeyse sinüs eğrisinden ayırt edilememektedir. 11.9 Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini 817 y 2 P5 P1 P9 P13 P17 y sin x 5 6 7 8 1 0 1 2 3 4 P3 P7 9 x –1 P11 P15 P19 –2 fiEK‹L 11.15 s -1dkx 2k + 1 k = 0 s2k + 1d! n P2n + 1sxd = a polinomları n → ∞ iken sin x’e yakınsarlar. P3(x)’in x 1 için sinüs eğrisine ne kadar yakın olduğuna dikkat edin (Örnek 7) Kalan Tahmin Teoreminin verdiği tahminin Alterne Serilen Tahmin Teoreminin verdiği tahminle ne zaman uyuşacağını merak edebilirsiniz. sin x = x - x3 + R3 , 3! yazarsak, Kalan Tahmin Teoremi, daha kötü bir sonuç olan ƒ x ƒ4 ƒ x ƒ4 ƒ R3 ƒ … 1 # 4! = 24 , değerini verir. Fakat x – (x3@3!) = 0 + x + 0x2 – (x3@3!) + 0x4’ün üçüncü mertebe olduğu kadar dördüncü mertebeden de bir Taylor polinomu olduğunu hatırlarsak, sin x = x - x3 + 0 + R4 , 3! olur ve M = 1 ile Kalan Tahmin Teoremi ƒ x ƒ5 ƒ x ƒ5 ƒ R4 ƒ … 1 # 5! = 120 . verir. Bu, Alterne Seriler Tahmin Teoremiyle bulduğumuz sonuçtur. Taylor Serilerini Birlefltirmek Yakınsaklık aralıklarının kesişimlerinde, Taylor serileri toplanabilir, çıkarılabilir, sabitlerle çarpılabilir ve sonuçlar yine Taylor serileri olur. ƒ(x) + g(x)’in Taylor serisi ƒ(x) ve g(x)’in Taylor serilerinin toplamıdır, çünkü ƒ + g’nin n. türevi ƒ(n) + g(n)’dir. Böylece (1 + cos 2x)@2’nin Taylor serisini cos 2x’in Taylor serisine 1 ekleyip, birleştirilmiş sonucu 2’ye bölerek bulabiliriz. sin x + cos x’in Taylor serisi sin x ve cos x’in Taylor serilerinin terim-terim toplanmış halidir. 818 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Euler Özdeflli¤i Hatırlayacağınız gibi, bir kompleks (karmaşık) sayı, a ve b reel sayılar ve i = 2-1. olmak üzere, a + bi şeklinde bir sayıdır. ex’in Taylor serisinde x = iu (u reel) alır ve sonucu basitleştirmek için, i 2 = -1, i 3 = i 2i = -i, i 4 = i 2i 2 = 1, i 5 = i 4i = i, gibi bağıntıları kullanırsak e iu = 1 + i 2u2 i 3u3 i 4u4 i 5u5 i 6u6 iu + + + + + + Á 1! 2! 3! 4! 5! 6! = a1 - u2 u4 u6 u3 u5 + + Á b + i au + - Á b = cos u + i sin u. 2! 4! 6! 3! 5! Bu, e iu = cos u + i sin u olduğunu ispatlamaz, çünkü henüz e’nin kompleks bir kuvvetini almanın ne anlama geldiğini tanımlamadık. Fakat e iu’nın bildiğimiz diğer şeylerle nasıl uyum sağladığını gösterir. TANIM Herhangi bir u reel sayısı için, e iu = cos u + i sin u’dır. (6) Euler özdeşliği denilen (6) denklemi herhangi bir a + bi kompleks sayısı için e a + bi’yi e # e bi olarak yazmamızı sağlar. Özdeşliğin bir sonucu a eip = –1 denklemidir. Bu denklem eip + 1 = 0 şeklinde yazıldığında matematikteki en önemli beş sabiti bir araya toplar. Taylor Teoreminin Bir ‹spat› Taylor teoremini a b olduğunu varsayarak ispatlayacağız. a b için ispat da aynıdır. Pnsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + ƒ–sad f sndsad sx - ad2 + Á + sx - adn 2! n! Taylor polinomu ve bunun ilk n tane türevi, x = a’da ƒ fonksiyonuna ve onun ilk n türevine uyarlar. K bir sabit olmak üzere, K(x – a)n + 1 gibi bir terim eklersek bu uyumu bozmayız, çünkü böyle bir terim ve bu terinim ilk n türevi x = a’da sıfırdır. Yeni fonksiyon fnsxd = Pnsxd + Ksx - adn + 1 ve bunun ilk n türevi x = a’da ƒ’ye ve ilk n türevine uyacaktır. Şimdi y = fn(x) eğrisinin x = b’de esas eğri y = ƒ(x)’e uymasını sağlayacak özel bir K değeri seçelim. Sembolik olarak, or ƒsbd = Pnsbd + Ksb - adn + 1, veya yazılır. K = ƒsbd - Pnsbd sb - adn + 1 . (7) 11.9 Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini 819 (7) denklemiyle belirlenmiş K ile Fsxd = ƒsxd - fnsxd fonksiyonu, [a, b] aralığında her x için, orijinal ƒ fonksiyonu ile yaklaşım fonksiyonu fn arasındaki farkı ölçer. Şimdi Rolle teoremini kullanacağız (Bölüm 4.2). İlk olarak, F(a) = F(b) = 0 olduğundan ve hem F hem de F türevi [a, b]’da sürekli olduklarından (a, b)’deki bir c1 için F (c1) = 0 olduğunu biliyoruz. Sonra, F (a) = F (c1) = 0 olduğundan ve hem F hem de F türevleri [a, c1]’ de sürekli olduklarından (a, c1)’deki bir c2 için F(c2) = 0 olduğunu biliyoruz. Rolle Teoremini F, F, …, F(n – 1)’e art arda uygulamak (a, c2)’de F(c3) = 0 olacak şekilde bir c3 (a, c3)’de F(4)(c4) = 0 olacak şekilde bir c4 o (a, cn – 1)’de F(n)(cn) = 0 olacak şekilde bir cn bulunduğunu gösterir. Son olarak, F(n) [a, cn]’de sürekli ve (a, cn)’de türetilebilir olduğundan ve F(n)(a) = F(n)(cn) = 0 olduğundan Rolle Teoremi, (a, cn) aralığında F(n + 1) (cn + 1) = 0 (8) olacak şekilde bir cn + 1 sayısı bulunduğunu söyler. F(x) = ƒ(x) – Pn(x) – K(x – a)n + 1’in toplam n + 1 kere türevini alırsak, F sn + 1dsxd = ƒsn + 1dsxd - 0 - sn + 1d!K. (9) buluruz. (8) ve (9) denklemleri birlikte (a, b)’de bir c = cn + 1 sayısı için K = ƒsn + 1dscd sn + 1d! for some number c = (10) cn + 1 in sa, b olduğunu gösterir. (7) ve (10) denklemleri ise ƒsbd = Pnsbd + ƒsn + 1dscd sb - adn + 1 . sn + 1d! olduğunu gösterir. Bu da ispatı tamamlar. ALIfiTIRMALAR 11.9 De¤iflken Dönüflümü ile Taylor Serileri Daha Fazla Taylor Serisi 1–6 alıştırmalarındaki fonksiyonların x = 0’da Taylor serilerini bulmak için değişken dönüşümü kullanın (Örnek 4’teki gibi). 7–18 alıştırmalarındaki fonksiyonların x = 0’daki Taylor serilerini bulun. 1. e -5x 4. sin a px b 2 2. e -x>2 3. 5 sin s -xd 5. cos 2x + 1 6. cos A x 3>2> 22 B 7. xe x 10. sin x - x + x3 3! x2 - 1 + cos x 2 8. x 2 sin x 9. 11. x cos px 12. x 2 cos sx 2 d 820 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 13. cos2 x (İpucu: cos2 x = s1 + cos 2xd>2 .) 14. sin2 x 17. 15. 1 s1 - xd2 x2 1 - 2x 18. 16. x ln s1 + 2xd 2 s1 - xd3 Maclaurin Serilerini Bulmak ve Tan›mlamak Hata Tahmini 19. Yaklaşık olarak hangi x değerlerinde sin x yerine büyüklüğü 5 10–4’ten fazla olmayan bir hatayla x – (x3@6) yazabilirsiniz? Yanıtınızı açıklayın. 20. cos x yerine 1 – (x2@2) yazılırsa ve u x u 0.5 ise, hata hakkında ne gibi bir tahmin yapılabilir? 1 – (x2@2) çok mu fazla, yoksa çok mu azdır? Yanıtınızı açıklayın. 21. u x u 10–3 iken, sin x = x yaklaşımı ne kadar yakındır? Hangi x değerlerinde x sin x olur? küçükken 21 + x = 1 + sx>2d u x u 0.01 iken hatayı tahmin edin. 22. x 2 2 T b. –9 x 9 için ƒ(x) = (1 – cos x)@x ile y = (1@2) – (x @24) ve y = (1@2) fonksiyonlarının grafiklerini birlikte çizin. Grafikler arasındaki ilişkiyi yorumlayın. yaklaşımı kullanılır. 23. x küçükken e x = 1 + x + sx 2>2d yaklaşımı kullanılır. u x u 0.1 iken hatayı tahmin etmek için Kalan Tahmin Teoremini kullanın. 24. (Alıştırma 23’ün devamı.) x 0 iken, ex serisi alterne bir seridir. Alterne Seri Teoremini kullanarak –0.1 x 0 iken ex yerine 1 + x + (x2@2) yazmanın vereceği hatayı tahmin edin. Tahmininizi Alıştırma 23’te bulduğunuzla karşılaştırın. 25. u x u 0.5 iken, sinh x = x + (x3@3!) yaklaşımının hatasını tahmin edin. (İpucu: R3 değil, R4 kullanın.) 26. 0 h 0.01 iken, eh yerine büyüklüğü h’nin %0.6’sından büyük olmayan bir hatayla 1 + h yazılabileceğini gösterin. e0.01 = 1.01 alın. 27. Hangi pozitif x değerlerinde ln (1 + x) yerine, x’in büyüklüğünün en çok %1’i kadar bir hatayla, x yazabilirsiniz? 28. x = 1’de tan–1 x’in Maclaurin serisini kullanarak p@4’ü tahmin etmeyi planlıyorsunuz. Alterne Seriler Tahmin Teoremini kullanarak, tahmininizin 2 ondalık basamak doğrulukta olduğundan emin olmak için serinin kaç terimini almanız gerektiğini belirleyin. 29. a. sin x’in Taylor serisini ve Alterne Seriler Tahmin Teoremini kullanarak sin x x2 6 x 6 1, x Z 0 . 1 6 olduğunu gösterin. x = 0’daki Taylor serisinin bir başka adının Maclaurin serisi olduğunu hatırlayın. 31–34 alıştırmalarındaki serilerden her biri bir ƒ(x) fonksiyonunun bir noktadaki Maclaurin serisidir. Hangi fonksiyon ve hangi nokta? Serinin toplamı nedir? 31. s0.1d - s0.1d3 s0.1d5 s -1dks0.1d2k + 1 + - Á + + Á 3! 5! s2k + 1d! k 32. 1 - k 2k + 1 33. s -1d p p5 p p3 + 5 - Á + 2k + 1 + Á - 3 # 3 3 #5 3 3 3 s2k + 1d 34. p - pk p2 p3 + - Á + s -1dk - 1 + Á 2 3 k 35. ex ve sin x’in Maclaurin serilerini çarparak ex sin x’in Maclaurin serisinin sıfırdan farklı ilk beş terimini bulun. 36. ex ve cos x’in Maclaurin serilerini çarparak ex cos x’in Maclaurin serisinin sıfırdan farklı ilk beş terimini bulun. 37. sin2 x = (1 – cos 2x)@2 bağıntısını kullanarak sin2 x’in Maclaurin serisini bulun. Sonra bu serinin türevini alarak 2 sin x cos x’in Maclaurin serisini bulun. Bunun sin 2x serisi olup olmadığını kontrol edin. 38. (Alıştırma 37’nin devamı.) cos2 x = cos 2x + sin2 x bağıntısını kullanarak cos2 x için bir kuvvet serisi elde edin. Teori ve Örnekler 39. Taylor Teoremi ve Ortalama Değer Teoremi Ortalama Değer Teoreminin (Bölüm 4.2, Teorem 4) nasıl Taylor Teoreminin özel bir durumu olduğunu açıklayın. 40. Büküm noktalarında lineerizasyon İki kere türetilebilen bir ƒ(x) fonksiyonunun grafiğinin x = a’da bir büküm noktası varsa, ƒ’nin x = a’daki lineerizasyonunun aynı zamanda ƒ’nin x = a’daki kuadratik yaklaşımı olduğunu gösterin. Bu, teğetlerin büküm noktalarına neden o kadar iyi uyum sağladıklarını açıklar. 41. (İkinci) ikinci türev testi Aşağıdaki testi doğrulamak için T b. –5 x 5 için ƒ(x) = (sin x)@x ile y = 1 – (x @6) ve y = 1 fonksiyonlarının grafiklerini birlikte çizin. Grafikler arasındaki ilişkiyi yorumlayın. 2 30. a. cos x’in Taylor serisini ve Alterne Seriler Tahmin Teoremini kullanarak 1 - cos x x2 1 1 6 , 6 2 2 24 2 x 2k s -1d spd p4 p2 + 4 - Á + 2k + Á 2# # 4 2! 4 4! 4 # s2k!d x Z 0. olduğunu gösterin. (Bu, Bölüm 2.2, Alıştırma 52’deki eşitsizliktir.) ƒsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + ƒ–sc2 d sx - ad2 2 denklemini kullanın. ƒ’nin sürekli birinci ve ikinci türevlerinin var ve ƒ (a) = 0 olduğunu varsayın. a. İçi a’yı kapsayan bir aralık boyunca ƒ 0 ise, ƒ’nin a’da bir yerel maksimumu vardır; b. İçi a’yı kapsayan bir aralık boyunca ƒ 0 ise, ƒ’nin a’da bir yerel minimumu vardır. 11.9 42. Kübik bir yaklaşım a = 0 ve n = 3 ile Taylor formülünü kullanarak ƒ(x) = 1@(1 – x)’in x = 0’daki kübik yaklaşımını bulun. u xu 0.1 iken yaklaşımdaki hatanın büyüklüğü için bir üst sınır bulun. k 43. a. n = 2 ile Taylor formülünü kullanarak ƒ(x) = (1 + x) ’ye (k bir sabit) x = 0’daki kuadratik yaklaşımı bulun. b. k = 3 ise, [0, 1] aralığındaki yaklaşık olarak hangi x değerlerinde, kuadratik yaklaşımdaki hata 1@100’den küçük olur? 44. P’ye yaklaşımları iyileştirmek a. P, p’ye n ondalık basamak kesinlikte bir yaklaşım olsun. P + sin P’nin 3n ondalık basamak kesinlikte bir yaklaşım vereceğini gösterin. (İpucu: P = p + x alın.) T b. Bunu bir hesap makinesiyle deneyin. q 45. ƒsxd = g n = 0 an x n tarafından üretilen Taylor serisi q n g n = 0 an x serisidir. Yakınsaklık yarıçapı c 0 olan bir q g n = 0 an x n kuvvet serisiyle tanımlanan bir fonksiyonun, (–c, c) aralığının her noktasında fonksiyona yakınsayan bir Taylor serisi q vardır. ƒsxd = g n = 0 an x n tarafından üretilen Taylor serisinin q n g n = 0 an x serisinin kendisi olduğunu göstererek bunu gösterin. Bunun hemen görülen bir sonucu, Yakınsak kuvvet serilerin türevlerinin alınması veya integrasyonuyla elde edilen serilerin, temsil ettikleri fonksiyonların ürettiği Taylor serileri olmaları gibi, Taylor serilerini x’in kuvvetleri ile çarpılmasından elde edilen x sin x = x 2 - x4 x6 x8 + + Á 3! 5! 7! Taylor Serisinin Yak›nsakl›¤›; Hata Tahmini 821 2 –1 3 T 48. a. y = (1@3) – (x )@5 ve y = (x – tan x)@x eğrilerinin grafiklerini y = 1@3 eğrisiyle birlikte çizin. b. Gördüklerinizi bir Taylor serisiyle açıklayın. x - tan-1 x lim ? x:0 x3 nedir? Euler Özdeflli¤i 49. e’nin aşağıdaki kuvvetlerini a + bi şeklinde yazmak için (6) denklemini kullanın. b. e ip>4 a. e -ip c. e -ip>2 50. (6) Denklemini kullanarak e iu + e -iu ve cos u = and 2 olduğunu gösterin. sin u = e iu - e -iu . 2i 51. Alıştırma 50’deki bağıntıları eiu ve e–iu’nın Taylor serilerini birleştirerek doğrulayın. 52. Aşağıdakileri gösterin. a. cosh iu = cos u , b. sinh iu = i sin u . 53. ex ve sin x’in Taylor serilerini çarparak, ex sin x’in Taylor serisinin x5’e kadar olan terimlerini bulun. Bu seri e x # e ix = e s1 + idx . serisinin sanal (imajiner) kısmıdır. Bunu yanıtınızı kontrol etmekte kullanın. Hangi x değerleri için bu seri ex sin x’e yakınsamalıdır? 54. a ve b reel olmak üzere, e(a + ib)x’i ve x4 x5 x 2e x = x 2 + x 3 + + + Á, 2! 3! gibi serilerdir. 46. Çift fonksiyonların ve tek fonksiyonların Taylor serileri (Böq lüm 11.7, Alıştırma 45’in devamı.) ƒsxd = g n = 0 an x n fonksiyonunun açık bir (–c, c) aralığındaki her x için yakınsadığını varsayın. Aşağıdakileri gösterin. a. ƒ çiftse, a1 = a3 = a5 = … = 0’dır; yani ƒ’nin serisi sadece x’in çift kuvvetlerini içerir. b. a0 = a2 = a4 = … = 0’dır; yani ƒ’nin serisi sadece x’in tek kuvvetlerini içerir. e sa + ibdx = e ax # e ibx = e axscos bx + i sin bxd . denklemiyle tanımlarız. Bu denklemin sağ tarafının türevini alarak d sa + ibdx e = sa + ibde sa + ibdx . dx olduğunu gösterin. Yani bildiğimiz (d@dx)ekx = kekx kuralı kompleks k’ler için de geçerlidir. 55. eiu’nın tanımını kullanarak reel u, u1 ve u2 sayıları için aşağıdakileri gösterin. a. e iu1e iu2 = e isu1 + u2d, b. e -iu = 1>e iu . 56. Kompleks iki a + ib ve c + id sayısı ancak ve ancak a = c ve b = d ise eşittir. Bunu kullanarak, C = C1 + iC2 kompleks bir integrasyon sabiti olmak üzere 47. Periyodik fonksiyonların Taylor polinomları a. Her x için uƒ(x) u M olacak şekilde pozitif bir M sabitinin var olduğunu göstererek, her sürekli periyodik ƒ(x), – x , fonksiyonunun büyüklüğünün sınırlı olduğunu gösterin. b. ƒ(x) = cos x’in ürettiği pozitif dereceli her Taylor polinomunun grafiğinin u x u arttıkça cos x’in grafiğinden uzaklaşması gerektiğini gösterin. Bunu Şekil 11.13’te görebilirsiniz. sin x’in Taylor polinomları da benzer şekilde davranır (Şekil 11.15). L e ax cos bx dx and ve e sa + ibdx dx = a - ib sa + ibdx e + C, a2 + b2 L e ax sin bx dx eşiğinden L integrallerini hesaplayın. 822 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Step 4: Her polinomun Rn(x) kalanını hesaplayın. ƒ(n + 1)(c) yerine Adım 3’teki M tahminini kullanarak, Rn(x)’in grafiğini çizin. (a) sorusunu yanıtlayan x değerlerini bulun. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Lineer, Kuadratik ve Kübik Yaklafl›mlar n = 1 ve a = 0 ile Taylor formülü bir fonksiyonun x = 0’daki lineerizasyonunu verir. n = 2 ve n = 3 ile, standart kuadratik ve kübik yaklaşımları elde ederiz. Bu alıştırmalarda, bu yaklaşımlarla ilgili hataları araştıracağız. İki sorunun yanıtını arıyoruz: Step 5: Tahmin ettiğiniz hatayı gerçek hata Ensxd = ƒ ƒsxd - Pnsxd ƒ ile, En(x)’in grafiğini belirlenen aralıkta çizerek karşılaştırın. Bu (b) sorusunu yanıtlamaya yardımcı olacaktır. a. Hangi x değerleri için fonksiyon yerine, 10–2’den küçük bir hata ile, söz konusu yaklaşımlar yazılabilir? Step 6: Fonksiyonun ve üç Taylor yaklaşımının grafiklerini birlikte çizin. Grafiklerin 4 ve 5 adımlarında bulduklarınızla ilişkisini tartışın. b. Belirlenen aralıkta fonksiyon yerine söz konusu yaklaşımları almakla yapacağımız maksimum hata nedir? Bir BCS kullanarak, 57–62 alıştırmalarında verilen fonksiyonlar ve aralıklar için (a) ve (b)’deki soruları yanıtlamak için aşağıdaki adımları gerçekleştirin. 57. ƒsxd = 1 21 + x , Adım 1: Fonksiyonu belirtilen aralıkta çizin. 58. ƒsxd = s1 + xd3>2, Adım 2: x = 0’daki P1(x), P2(x) ve P3(x) Taylor polinomlarını bulun. 59. ƒsxd = Step 3: Her Taylor polinomunun kalanıyla ilişkili olan (n + 1). türevi ƒ(n + 1)(c)’yi hesaplayın. Türevi, verilen aralıkta c’nin bir fonksiyonu olarak çizin ve maksimum mutlak değeri M’yi tahmin edin. 61. ƒsxd = e -x cos 2x, 11.10 3 ƒxƒ … 4 - 1 … x … 2 2 x , ƒxƒ … 2 x + 1 60. ƒsxd = scos xdssin 2xd, ƒ x ƒ … 2 62. ƒsxd = e 2 x>3 sin 2x, ƒxƒ … 1 ƒxƒ … 2 Kuvvet Serilerinin Uygulamalar› Bu bölüm kuvvet ve kök bulmada kullanılan binom serilerini tanıtmakta ve bazen serilerin, bir başlangıç değer problemine yaklaşımda bulunmakta, elemanter olmayan integrallerin hesaplanmasında ve belirsiz formlara yol açan limitlerin hesaplanmasında, nasıl kullanıldığını göstermektedir. tan–1 x’in Taylor serisinin bir çıkarılışını verecek ve sık kullanılan seriler için bir referans tablosuyla bölümü bitireceğiz. Kuvvetler ve Kökler ‹çin Binom Serileri m bir sabitken, ƒ(x) = (1 + x)m’nin ürettiği Taylor serisi 1 + mx + msm - 1dsm - 2d 3 Á msm - 1d 2 x + x + 2! 3! + msm - 1dsm - 2d Á sm - k + 1d k Á x + . k! (1) ile verilir. Binom serisi denilen bu seri u x u 1 için mutlak yakınsaktır. Seriyi türetmek 11.10 Kuvvet Serilerinin Uygulamalar› 823 için, önce fonksiyonu ve türevlerini yazarız: ƒsxd = s1 + xdm ƒ¿sxd = ms1 + xdm - 1 ƒ–sxd = msm - 1ds1 + xdm - 2 ƒ‡sxd = msm - 1dsm - 2ds1 + xdm - 3 o skd ƒ sxd = msm - 1dsm - 2d Á sm - k + 1ds1 + xdm - k . Sonra bunları x = 0’da hesaplar ve bu değerleri Taylor serisi formülüne koyarak (1) denklemini elde ederiz. m sıfıra eşit veya sıfırdan büyük bir tamsayı ise, seri (m + 1) terimden sonra durur, çünkü k = m + 1’den sonraki terimler sıfırdır. m pozitif bir tamsayı veya sıfır değilse, seri sonsuzdur ve u x u 1 için yakınsaktır. Nedenini anlamak için, uk’yı xk’yı içeren terim olarak alın. Sonra mutlak yakınsaklık için Oran Testini uygulayarak uk + 1 m - k x` :ƒxƒ k → ∞ ` uk ` = ` k + 1 as k : q . olduğunu görün. Binom serilerini türetişimiz sadece bunun (1 + x)m tarafından üretildiğini ve u x u 1 için yakınsadığını göstermektedir. Türetiş serinin (1 + x)m’ye yakınsadığını göstermez. Seri bu fonksiyona yakınsar, fakat bunu ispatsız kabul edeceğiz. Binom Serisi –1 x 1 için q m s1 + xdm = 1 + a a b x k , k k=1 ve m a b = m, 1 msm - 1d m a b = , 2! 2 olmak üzere msm - 1dsm - 2d Á sm - k + 1d m dir.for k Ú 3. k 3 için a b = k! k ÖRNEK 1 Binom Serisini Kullanmak m = –1 ise a -1 b = -1, 1 a -1s -2d -1 b = = 1, 2! 2 ve a -1s -2ds -3d Á s -1 - k + 1d -1 k! = s -1dk a b = s -1dk . olur. b = k! k! k 824 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Bu katsayı değerleri ve x yerine –x ile binom formülü, bildiğimiz q s1 + xd-1 = 1 + a s -1dkx k = 1 - x + x 2 - x 3 + Á + s -1dkx k + Á . k=1 geometrik serisini verir. ÖRNEK 2 Binom Serisini Kullanmak Bölüm 3.8, Örnek 1’den küçük u x u’ler için 21 + x L 1 + sx>2d olduğunu biliyoruz. m = 1@2 ile binom serisi, Alterne Seriler Tahmin Teoreminden gelen hata tahminleriyle birlikte, kuadratik ve daha yüksek mertebeden yaklaşımları da verir: x s1 + xd1>2 = 1 + + 2 3 1 1 1 1 a b a- b a- b a b a- b 2 2 2 2 2 x2 + x3 2! 3! 3 5 1 1 a b a- b a- b a- b 2 2 2 2 x4 + Á + 4! 5x 4 x x2 x3 + + Á. 2 8 16 128 x’e değişken dönüşümü uygulamak başka yaklaşımları da verir. Örneğin, = 1 + Küçük x 2 için 2 4 1 – x2 ≈ 1 – x – x 2 8 Küçük 1 yani büyük x için x 1– 1 ≈1– 1 – 1 x 2x 8x 2 bulunur. Diferansiyel Denklemlerin ve Bafllang›ç De¤er Problemlerinin Kuvvet Serisi Çözümleri Bir başlangıç değer problemi veya diferansiyel denklemin çözümü için basit bir ifade bulamazsak, çözüm hakkında başka yollardan bilgi almaya çalışırız. Bunun bir yolu çözümün bir kuvvet serisi temsilini bulmaya çalışmaktır. Eğer bulabilirsek, hemen çözümün polinom yaklaşımları için bir kaynak elimize geçer, bu da aradığımız tek şey olabilir. İlk örnek (Örnek 3), Bölüm 9.2’nin yöntemleriyle çözülebilecek bir birinci derece lineer diferansiyel denklemle ilgilenmektedir. Örnek, bundan haberimiz yokmuş gibi, denklemi bir kuvvet serisiyle nasıl çözeceğimizi gösterir. İkinci örnek (Örnek 4) daha önce gördüğümüz yöntemlerle çözülemeyen bir denklemle uğraşır. ÖRNEK 3 Bir Bafllang›ç De¤er Probleminin Seri Çözümü Aşağıdaki başlangıç değer problemini çözün. y¿ - y = x, ys0d = 1. Çözüm y = a0 + a1 x + a2 x 2 + Á + an - 1x n - 1 + an x n + Á . şeklinde bir çözüm olduğunu varsayarız. (2) 11.10 Kuvvet Serilerinin Uygulamalar› 825 Amacımız, hangi ak katsayıları için, serinin ve y¿ = a1 + 2a2 x + 3a3 x 2 + Á + nan x n - 1 + Á (3) birinci türevinin, verilen diferansiyel denklemi ve başlangıç koşulunu sağladığını bulmaktır. y – y serisi (2) ve (3) denklemlerindeki serilerin farkıdır: y¿ - y = sa1 - a0 d + s2a2 - a1 dx + s3a3 - a2 dx 2 + Á + snan - an - 1 dx n - 1 + Á . (4) y – y = x denklemini sağlayacaksa, (4) Denklemindeki seri x’e eşit olmalıdır. Bölüm 11.7, Alıştırma 45’te gördüğünüz gibi, kuvvet serisi temsilleri tek olduğu için, (4) Denklemindeki katsayılar aşağıdaki denklemleri sağlamalıdır: a1 - a0 = 0 2a2 - a1 = 1 Sabit terimler 3a3 - a2 = 0 x2’nin katsayıları o nan - an - 1 = 0 xn–1’in katsayıları o x’in katsayıları o o Ayrıca, (2) Denkleminden x = 0 iken, y = a0 olduğunu görebiliriz, yani a0 = 1’ dir (bu başlangıç koşuludur). Hepsini bir araya koyarsak, a0 = 1, a3 = a1 = a0 = 1, 1 + a1 1 + 1 2 = = , 2 2 2 an - 1 2 an = n = , Á n! a2 = a2 2 2 = # = ,Á, 3 3 2 3! buluruz. Bu katsayı değerlerini y denkleminde (2 Denklemi) yerine koymak y = 1 + x + 2# x2 x3 xn + 2# + Á + 2# + Á 2! 3! n! x2 x3 xn = 1 + x + 2 a + + Á + + Áb 2! 3! n! ('''''')''''''* x x – 1 –x’in Taylor theeTaylor series for eserisi -1-x = 1 + x + 2se x - 1 - xd = 2e x - 1 - x. verir. Başlangıç değer probleminin çözümü y = 2ex – 1 – x’tir. Kontrol için, ys0d = 2e 0 - 1 - 0 = 2 - 1 = 1 ve y¿ - y = s2e x - 1d - s2e x - 1 - xd = x. olduğunu görürüz. ÖRNEK 4 Bir Diferansiyel Denklemi Çözmek Aşağıdaki denklemin bir kuvvet serisi çözümünü bulun: y + x2y = 0 (5) 826 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Çözüm y = a0 + a1 x + a2 x 2 + Á + an x n + Á , (6) şeklinde bir çözüm olduğunu varsayar ve hangi ak katsayıları için, serinin ve y– = 2a2 + 3 # 2a3 x + Á + nsn - 1dan x n - 2 + Á 2 (7) 2 türevinin (5) denklemini sağladığını buluruz. x y serisi x kere (6) denkleminin sağ tarafıdır: x 2y = a0 x 2 + a1 x 3 + a2 x 4 + Á + an x n + 2 + Á . (8) y– + x 2y (7) ve (8) denklemlerindeki serilerin toplamıdır: y– + x 2y = 2a2 + 6a3 x + s12a4 + a0 dx 2 + s20a5 + a1 dx 3 + Á + snsn - 1dan + an - 4 dx n - 2 + Á . (9) n–2 (8) Denkleminde x ’nin katsayısının an – 4 olduğuna dikkat edin. y ve ikinci türevi y (5) Denklemini sağlayacaklarsa, (9) Denkleminin sağ tarafındaki x’in kuvvetlerinin katsayılarının her biri sıfır olmalıdır: 2a2 = 0, 6a3 = 0, 12a4 + a0 = 0, 20a5 + a1 = 0, (10) n 4 için, n(n – 1) an + an – 4 = 0 (11) dır. (6) Denkleminden a0 = y(0) a1 = y (0) olduğunu görebiliriz. Diğer bir deyişle, serinin ilk iki katsayısı y ve y ’nün x = 0’daki değerleridir. (10)’daki denklemler ve (11)’deki tekrarlama formülü bütün katsayıları a0 ve a1 cinsinden hesaplamamızı sağlar. (10)’daki denklemlerden ilk ikisi a2 = 0, a3 = 0 verir. (11) Denklemi an – 4 = 0 ise, an = 0 olacağını gösterir, dolayısıyla a6 = 0, a7 = 0, a10 = 0, a11 = 0 ve her n = 4k + 2 veya 4k + 3 olduğunda, an = 0 olur. Diğer katsayılar için -an - 4 an = nsn - 1d buluruz, böylece a0 -a0 -a4 , a8 = # = # # # 4#3 8 7 3 4 7 8 -a8 -a0 a12 = = # # # # # 11 # 12 3 4 7 8 11 12 a4 = ve -a5 -a1 a1 , a9 = # = # # # 5#4 9 8 4 5 8 9 -a9 -a1 = # # # # # . a13 = 12 # 13 4 5 8 9 12 13 a5 = olur. 11.10 Kuvvet Serilerinin Uygulamalar› 827 Yani cevap en iyi olarak iki farklı serinin toplamı biçiminde ifade edilir—biri a0 ile, diğeri a1 ile çarpılmış olarak. y = a0 a1 - x4 x8 x 12 + + Áb 3#4 3#4#7#8 3 # 4 # 7 # 8 # 11 # 12 + a1 ax - x5 x9 x 13 + # # # - # # # # # + Áb . # 4 5 4 5 8 9 4 5 8 9 12 13 İki seri de, oran testiyle görüleceği gibi, her x için mutlak yakınsaktır. Elemanter Olmayan ‹ntegralleri Hesaplamak Taylor serileri elemanter olmayan integralleri seriler cinsinden ifade etmekte kullanılabilir. 2 1 sin x dx gibi integraller ışığın kırılması incelemelerinde ortaya çıkarlar. 1 sin x dx’i bir kuvvet serisi olarak ifade edin. 2 ÖRNEK 5 Çözüm sin x serisinden sin x 2 = x 2 - x6 x 10 x 14 x 18 + + - Á. 3! 5! 7! 9! elde ederiz. Dolayısıyla, L sin x 2 dx = C + x3 x 11 x 15 x 10 x7 - # + + - Á. # # 3 7 3! 11 5! 15 7! 19 # 9! olur. ÖRNEK 6 Bir Belirli ‹ntegrali Bulmak 1 2 10 sin x dx’i 0.001’den küçük bir hatayla bulun. Çözüm Örnek 5’teki belirsiz integralden 1 L0 sin x 2 dx = 1 1 1 1 1 - # + + - Á. 3 7 3! 11 # 5! 15 # 7! 19 # 9! bulunur. Seri alternedir. Deneyerek 1 L 0.00076 11 # 5! teriminin sayısal olarak 0.001’den küçük olan ilk terim olduğunu buluruz. Bundan önce gelen iki terimin toplamı 1 1 1 sin x 2 dx L L 0.310. 3 42 L0 verir. İki terim daha alırsak, 10–6’dan daha küçük bir hatayla 1 L0 sin x 2 dx L 0.310268 tahmininde bulunabilirdik. Bundan sadece bir terim daha fazla alarak,1.08 10–9 civarında bir hatayla 828 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 1 L0 sin x 2 dx L 1 1 1 1 1 + + L 0.310268303, 3 42 1320 75600 6894720 buluruz. Yamuk kuralındaki hata formülüyle bu hassaslığı garantilemek 8.000 alt aralık gerektirirdi. Arktanjantlar Bölüm 11.7, Örnek 5’te tan–1 x serisini, türev alıp, d 1 tan-1 x = = 1 - x2 + x4 - x6 + Á dx 1 + x2 bularak ve integre edip x7 x3 x5 + Á. + 5 7 3 elde ederek bulmuştuk. Ancak, bu sonucun dayandığı terim terime integrasyon teoremini ispatlamadık. Şimdi bu seriyi, yeniden, tan-1 x = x - s -1dn + 1t 2n + 2 1 = 1 - t 2 + t 4 - t 6 + Á + s -1dnt 2n + , 2 1 + t 1 + t2 (12) sonlu formülünün iki tarafını da integre ederek bulacağız. Burada son terim, kalan terimleri, ilk terimi a = s -1dn + 1t 2n + 2 ve oranı r = –t2 olan bir geometrik seri olarak toplamaktan gelir. (12) Denkleminin iki tarafını da t = 0’dan t = x’e kadar integre etmek tan-1 x = x - x 2n + 1 x3 x5 x7 + + Á + s -1dn + Rnsxd, 5 7 3 2n + 1 verir. Burada s -1dn + 1t 2n + 2 dt. 1 + t2 L0 x Rnsxd = ile verilmektedir. İntegrandın paydası 1’e eşit veya 1’den daha büyüktür; dolayısıyla ƒxƒ ƒ Rnsxd ƒ … L0 t 2n + 2 dt = ƒ x ƒ 2n + 3 . 2n + 3 olur. u x u 1 ise, n → ∞ iken, bu eşitsizliğin sağ tarafı sıfıra yaklaşır. Dolayısıyla, u x u 1 ise, limn: q Rnsxd = 0 olur ve s -1dnx 2n + 1 , 2n + 1 n=0 q tan-1 x = a tan-1 x = x - ƒ x ƒ … 1. x3 x5 x7 + + Á, 5 7 3 (13) ƒxƒ … 1 buluruz. tan–1 x’in yüksek mertebeden türevlerinin formülleri uygun şekilde düzenlenebilir olmadıklarından, doğrudan Taylor serisini bulmak yerine bu yolu takip ettik. (13) denkleminde x = 1 alırsak, Leibniz formülünü elde ederiz: s -1dn p 1 1 1 1 = 1 - + - + - Á + + Á. 5 7 4 3 9 2n + 1 Seri çok yavaş yakınsadığından fazla sayıda ondalık basamak hassasiyeti ile p’ye yaklaşımlarda kullanılmamaktadır. x’in sıfıra yakın değerlerinde tan–1 x’in serisi çok daha hızlı yakınsamaktadır. Bu nedenden dolayı, p’yi hesaplamak için tan–1 x’in serisini kullananlar çeşitli trigonometrik özdeşlikler kullanırlar. 11.10 Kuvvet Serilerinin Uygulamalar› 829 Örneğin, a = tan-1 1 2 1 b = tan-1 , 3 and ise tan sa + bd = 1 1 tan a + tan b 2 + 3 p = = 1 = tan 1 1 - tan a tan b 4 1 6 ve p 1 1 = a + b = tan-1 + tan-1 . 4 2 3 olur. Şimdi, (13) Denklemi x = 1@2 ile tan–1 (1@2)’yi ve x = 1@3 ile tan–1 (1@3)’ü hesaplamakta kullanılabilir. Bu sonuçların toplamının 4 ile çarpımı p’yi verir. Belirsiz Formlar› Hesaplamak Bazen belirsiz formları, içerilen fonksiyonları Taylor serisi olarak ifade ederek hesaplayabiliriz. ÖRNEK 7 Kuvvet Serisi Kullan›lan Limitler lim ln x x:1 x - 1 . limitini hesaplayın. ln x’i (x –1)’in kuvvetleri cinsinden bir Taylor serisi ile temsil ederiz. Bu, ln x’in x = 1’de ürettiği Taylor serisini doğrudan hesaplayarak veya Bölüm 11.7, Örnek 6’daki ln x serisinde x yerine x – 1 yazarak yapılabilir. Her iki yoldan da, Çözüm ln x = sx - 1d elde ederiz ve buradan lim ln x x:1 x - 1 = lim a1 x:1 1 sx - 1d2 + Á , 2 1 sx - 1d + Á b = 1. 2 buluruz. ÖRNEK 8 Kuvvet Serisi Kullan›lan Limitler lim x:0 limitini hesaplayın. sin x - tan x . x3 830 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Çözüm x5’li terime kadar sin x ve tan x’in Taylor serileri sin x = x - x3 x5 + - Á, 3! 5! tan x = x + x3 2x 5 + + Á. 3 15 ile verilir. Buradan sin x - tan x = - x3 x5 x2 1 - Á = x 3 a- - Áb 2 8 2 8 ve sin x - tan x x2 1 = lim a- - Áb 3 2 8 x:0 x:0 x lim 1 = - . 2 bulunur. limx→0((1@sin x) – (1@x)’i hesaplamak için seri kullanırsak, sadece limiti bulmakla kalmaz, aynı zamanda csc x için bir yaklaşım formülü keşfederiz. ÖRNEK 9 csc x ‹çin Yaklafl›m Formülü lim a x:0 1 1 - xb. sin x limitini hesaplayın. Çözüm x - sin x 1 1 - x = = sin x x sin x x3 a x - ax - x3 x5 + - Áb 3! 5! x # ax - x3 x5 + - Áb 3! 5! x2 1 + Áb 3! 5! x2 1 + Á 3! 5! = = x . x2 x2 + Á 1 x 2 a1 + Áb 3! 3! Dolayısıyla, x2 1 + Á 3! 5! 1 1 lim a - x b = lim § x ¥ = 0. x:0 sin x x:0 x2 Á 1 + 3! olur. Sağdaki bölümden, u x u küçük ise, x 1 1 1 - x L x# = 6 3! sin x olacağını görürüz. or veya x 1 csc x L x + . 6 11.10 Kuvvet Serilerinin Uygulamalar› 831 TABLO 11.1 S›k Kullan›lan Taylor Serileri q 1 = 1 + x + x 2 + Á + x n + Á = a x n, 1 - x n=0 ƒxƒ 6 1 q 1 = 1 - x + x 2 - Á + s -xdn + Á = a s -1dnx n, 1 + x n=0 ƒxƒ 6 1 q ex = 1 + x + x2 xn xn + Á + + Á = a , 2! n! n = 0 n! ƒxƒ 6 q sin x = x - q s -1dnx 2n + 1 x3 x5 x 2n + 1 + Á = a , + - Á + s -1dn 3! 5! s2n + 1d! n = 0 s2n + 1d! cos x = 1 - s -1d x x 2n x2 x4 + - Á + s -1dn + Á = a , 2! 4! s2nd! s2nd! n=0 n 2n q ln s1 + xd = x - ƒxƒ 6 q ƒxƒ 6 q q s -1dn - 1x n xn x2 x3 + - Á + s -1dn - 1 n + Á = a , n 2 3 n=1 -1 6 x … 1 1 + x x 2n + 1 x 2n + 1 x3 x5 + Á + = 2 tanh-1 x = 2 ax + + + Áb = 2 a , 5 1 - x 3 2n + 1 2n + 1 n=0 q ln q tan-1 x = x - ƒxƒ 6 1 n 2n + 1 s -1d x x 2n + 1 x3 x5 - Á + s -1dn + + Á = a , 5 3 2n + 1 2n + 1 n=0 ƒxƒ … 1 Binom Serileri s1 + xdm = 1 + mx + msm - 1dx 2 msm - 1dsm - 2dx 3 msm - 1dsm - 2d Á sm - k + 1dx k + Á + + Á + 2! 3! k! q m = 1 + a a bx k, k k=1 ƒ x ƒ 6 1, Burada m k 3 için a b = m, 1 msm - 1d m a b = , 2! 2 msm - 1d Á sm - k + 1d m a b = k! k for k Ú 3. ile verilir. m m q Not: Binom serilerini kapalı olarak yazmak için, s1 + xdm = g k = 0 a bx k . verecek şekilde, a b ’ı 1 olarak tanımlamak ve 0 k 0 x = 1 almak (genellikle dışlanan x = 0 durumunda bile) alışkanlık haline gelmiştir. m pozitif bir tamsayıysa, seri xm’de kesilir ve sonuç her x için yakınsak olur. ALIfiTIRMALAR 11.10 7. s1 + x 3 d-1>2 Binom Serileri 1>2 8. s1 + x 2 d-1>3 1 9. a1 + x b 1. s1 + xd1>2 11–14 alıştırmalarındaki fonksiyonların Binom serilerini bulun. 1>2 4. s1 - 2xd 2. s1 + xd1>3 3. s1 - xd-1>2 x 5. a1 + b 2 x 6. a1 - b 2 -2 -2 11. s1 + xd4 2 10. a1 - x b 1>3 1–10 alıştırmalarındaki fonksiyonların Binom serilerinin ilk dört terimini bulun. 12. s1 + x 2 d3 832 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 14. a1 - 13. s1 - 2xd3 x b 2 x 4 44. Fsxd = 2 t 2e -t dt, L0 [0, 1] x Bafllang›ç De¤er Problemleri 45. Fsxd = 15–32 alıştırmalarındaki başlangıç değer problemlerinin seri çözümlerini bulun. 46. Fsxd = tan-1 t dt, (a) [0, 0.5] L0 x ln s1 + td L0 t (b) [0, 1] dt, (a) [0, 0.5] (b) [0, 1] y s0d = 1 16. y¿ - 2y = 0, y s0d = 1 17. y¿ - y = 1, y s0d = 0 18. y¿ + y = 1, y s0d = 2 Belirsiz Formlar 19. y¿ - y = x, y s0d = 0 20. y¿ + y = 2x, y s0d = -1 47–56 alıştırmalarındaki limitleri serilerle hesaplayın. 15. y¿ + y = 0, 2 y s0d = 1 21. y¿ - xy = 0, 23. s1 - xdy¿ - y = 0, 2 22. y¿ - x y = 0, y s0d = 2 24. s1 + x dy¿ + 2xy = 0, y s0d = 3 49. lim y¿s0d = 1 ve y s0d = 0 26. y– + y = 0, y¿s0d = 0 ve y s0d = 1 27. y– + y = x, y¿s0d = 1 ve y s0d = 2 28. y– - y = x, y¿s0d = 2 ve y s0d = -1 51. lim y¿s0d = b ve y s0d = a 0.1 35. L0 L0 e -x - 1 dx x 0.25 1 21 + x 4 dx 36. 3 2 1 + x 2 dx L0 T 37–40 alıştırmalarında, integralin değerini büyüklüğü 10–8’den küçük bir hatayla bulmak için seri kullanın. (Yanıt bölümü integrallerin değerlerini 10 ondalık basamağa yuvarlanmış olarak verir.) 0.1 37. L0 0.1 sin x x dx 38. 0.1 2 e -x dx L0 1 1 - cos x dx x2 1 t8 t4 + yaklaşımı kulla41. 10 cos t 2 dt . integralinde cos t2’ye 1 2 4! nılırsa, hatayı tahmin edin. 1 t t2 t3 42. 10 cos 2t dt . integralinde cos 2t’ye 1 - + 2 4! 6! yaklaşımı kullanılırsa, hatayı tahmin edin. 39. L0 21 + x 4 dx 40. L0 43–46 alıştırmalarında, verilen aralıkta büyüklüğü 10–3’ten küçük bir hatayla F(x)’e yaklaşımda bulunan bir polinom bulun. x 43. Fsxd = L0 sin t 2 dt, [0, 1] sin u - u + su3>6d u5 u :0 52. lim tan-1 y - sin y y 3 cos y 54. lim sx + 1d sin x: q 1 x + 1 x2 - 4 x:2 ln sx - 1d 56. lim Teori ve Örnekler T 33–36 alıştırmalarında, integralin değerini büyüklüğü 10 ’ten küçük bir hatayla bulmak için seri kullanın. (Yanıt bölümü integrallerin değerlerini 5 ondalık basamağa yuvarlanmış olarak verir.) L0 50. lim y:0 ln s1 + x 2 d x:0 1 - cos x –3 0.2 y3 55. lim Yaklafl›mlar ve Elemanter Olmayan ‹ntegraller 34. y - tan-1 y x: q y¿s0d = 1 ve y s0d = 0 sin x 2 dx t 53. lim x 2se -1>x - 1d y¿s0d = b ve y s0d = a 0.2 1 - cos t - st 2>2d 4 e x - e -x x x:0 48. lim 2 2 30. y– - x 2y = 0, 33. x y:0 y¿s2d = -2 ve y s2d = 0 32. y– - 2y¿ + y = 0, e x - s1 + xd t: 0 29. y– - y = -x, 31. y– + x y = x, 47. lim x:0 25. y– - y = 0, 2 y s0d = 1 57. ln (1 + x)’in Taylor serisinde x yerine –x yazarak ln(1 – x) serisini bulun. Sonra bunu ln (1 + x)’in Taylor serisinden çıkararak, uxu 1 için, 1 + x x3 x5 ln = 2 ax + + + Á b. 5 1 - x 3 olduğunu gösterin. 58. ln (1.1)’i büyüklüğü 10–8’den küçük bir hatayla bulmak için ln (1 + x)’in Taylor serisinde kaç terim almalısınız? Yanıtınızı açıklayın. 59. Alterne Seriler Tahmin Teoremine göre, p@4’ü büyüklüğü 10–3’ten küçük bir hatayla bulduğunuzdan emin olmak için tan–1 1’in Taylor serisinin kaç terimini almanız gerekir? Yanıtınızı açıklayın. 60. ƒ(x) = tan–1 x’in Taylor serisinin uxu 1 için ıraksadığını gösterin. T 61. Pi’yi hesaplamak p = 48 tan-1 1 1 1 + 32 tan-1 - 20 tan-1 57 18 239 denkleminin sağ tarafındaki her terimi büyüklüğü 10–6’dan küçük bir hatayla hesaplamak için tan–1 x’in Taylor serisinin kaç terimini q almanız gerekir? Bunun tersine, g n = 1s1>n 2 d p2/6’ya o kadar yavaş yakınsar ki, 50 terim bile iki ondalık basmak hassaslık vermez. 62. tan t ’nin Taylor serisinin sıfırdan farklı ilk üç terimini 0’dan x’e kadar integre ederek, ln sec x’in Taylor serisinin ilk üç terimini elde edin. 11.11 63. a. sin–1 x’in Taylor serisinin sıfırdan farklı ilk dört terimini üretmek için Binom serisi ve 1 # 3 # 5 # Á # s2n - 1d x 2n + 1 . 2 # 4 # 6 # Á # s2nd 2n + 1 n=1 q sin-1 x = x + a 70. u x u 1 için tan–1 x serisi. eşitliğini kullanın. Yakınsaklık yarıçapı nedir? b. cos-1 x için bir seri (a) şıkkındaki sonucu kullanarak cos–1 x’in Taylor serisinin sıfırdan farklı ilk beş terimini bulun. 64. a. sinh p 1 1 1 + Á, - x + 2 5x 5 3x 3 tan-1 x = x için bir seri x sinh -1 x = tan-1 x = dt L0 21 + t 2 . p 1 1 1 + Á, - x + 2 5x 5 3x 3 x 7 1 x 6 -1 , serilerini fonksiyonunun Taylor serisinin sıfırdan farklı ilk dört terimini bulun. –1 T b. (a) şıkkındaki serinin ilk üç terimini kullanarak sinh 0.25’i hesaplayın. Hesaplama hatasının büyüklüğünün bir üst sınırını bulun. 65. –1@(1 + x) serisinden 1@(1 + x)2’in Taylor serisini elde edin. 2 2 833 69. sin–1 x için bir seri (1 – x2)–1@2’nin binom serisini integre ederek, u x u 1 için aşağıdaki eşitliği gösterin. d sin-1 x = s1 - x 2 d-1>2 dx -1 Fourier Serileri 1 1 1 1 1 1 1 = 2 - 4 + 6 - 8 + Á = 2 # 1 + t2 t 1 + s1>t 2 d t t t t serisini birinci durumda x’ten ∞’a, ikincisindeyse –∞’dan x’e kadar integre ederek bulun. 71. g n = 1 tan-1s2>n2 d’nın değeri q 2 66. 2x@(1 + x ) için bir seri bulmak üzere 1@(1 + x) ’nin Taylor serisini kullanın. a. İki açının farkının tanjantını kullanarak T 67. P’yi hesaplamak İngiliz matematikçi Wallis 2#4#4#6#6#8# Á p = # # # # # # Á . 4 3 3 5 5 7 7 tan stan-1 sn + 1d - tan-1 sn - 1dd = 2 n2 olduğunu gösterin. b. formülünü keşfetti. Bu formülle p’yi 2 ondalık basamak hassaslıkla bulun. T 68. Alıştırma 57’deki formülü kullanarak n = 1, 2, 3, …, 10 için bir doğal logaritma, ln n, tablosu oluşturun fakat, ln 4 = 2 ln 2, ln 6 = ln 2 + ln 3, ln 8 = 3 ln 2, ln 9 = 2 ln 3 ve ln 10 = ln 2 + ln 5 bağıntılarından yararlanarak işi çok az logaritmanın serisini hesaplamaya indirgeyin. Alıştırma 57’de aşağıdaki değerleri yerine koyarak işe başlayın: 1 , 3 11.11 1 , 9 n=1 -1 2 2 n = tan-1 sN + 1d + tan-1 N - p . 4 olduğunu gösterin. c. g n = 1 tan-1 q 2 . değerini bulun. n2 1 . 13 Fourier Serileri TARİHSEL BİYOGRAFİ Jean-Baptiste Joseph Fourier (1766–1830) 1 , 5 N a tan Taylor serilerinin bir ƒ fonksiyonuna polinomlarla yaklaşmak için nasıl kullanılabileceğini gördük. Taylor polinomları özel bir x = a noktası yakınlarında ƒ fonksiyonuna uyan bir elbise verir, fakat uzak noktalarda yaklaşımdaki hata büyük olabilir. Geniş aralıklar üzerinde çoğu kez iyi yaklaşımlar veren ve Taylor polinomlarının işe yaramadığı süreksiz fonksiyonlarda çoğu kez işe yarayan başka bir yöntem vardır. Joseph Fourier tarafından tanıtılan bu yöntem sinüs ve kosinüs fonksiyonları toplamları ile fonksiyonlara yaklaşır. Yöntem, radyo sinyalleri ve alternatif akım gibi periyodik fonksiyonları incelemek, ısı iletimi problemlerini çözmek ve bilimde ve mühendislikteki birçok başka problemi çözmek için çok elverişlidir. 834 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Bir ƒ fonksiyonuna [0, 2p] aralığı üzerinde sinüs ve kosinüs fonksiyonlarının bir toplamı ile yaklaşmak istediğimizi varsayın, ƒnsxd = a0 + sa1 cos x + b1 sin xd + sa2 cos 2x + b2 sin 2xd + Á + san cos nx + bn sin nxd veya toplam notasyonu ile n ƒnsxd = a0 + a sak cos kx + bk sin kxd. (1) k=1 a0, a1, a2,… , an ve b1, b2,… , bn sabitleri için, ƒn(x)’i ƒ(x)’e ‘‘muhtemel en iyi’’ yaklaşım yapacak, değerler seçmek isteyebiliriz. ‘‘Muhtemel en iyi’’ kavramı aşağıdaki şekilde tanımlanır: 1. 2. 3. ƒn(x) ve ƒ(x), 0’dan 2p’ye integre edildiklerinde aynı değeri verirler. ƒn(x) cos kx ve ƒ(x) cos kx, (k = 1,… , n) 0’dan 2p’ye integre edildiklerinde aynı değeri verirler. ƒn(x) sin kx ve ƒ(x) sin kx, (k = 1,… , n) 0’dan 2p’ye integre edildiklerinde aynı değeri verirler. ƒn üzerine toplam 2n + 1 koşul koyuyoruz: 2p L0 2p ƒnsxd dx = 2p L0 2p ƒnsxd cos kx dx = L0 2p L0 ƒsxd dx, L0 ƒsxd cos kx dx, k = 1, Á , n, ƒsxd sin kx dx, k = 1, Á , n. 2p ƒnsxd sin kx dx = L0 Aşağıdaki şekilde devam ederek a0, a1, a2,… , an ve b1, b2,… , bn katsayıları bütün bu koşullar sağlanacak şekilde seçilebilir. cos kx ve sin kx’in [0, 2p] üzerindeki integralleri k 1 için sıfır olduğundan (1) Denkleminin iki tarafını 0’dan 2p’ye integre etmek 2p ƒnsxd dx = 2pa0 L0 verir. Sadece a0 sabit terimi ƒn’nin [0, 2p] üzerindeki integraline katkıda bulunur. Benzer bir hesaplama bütün diğer terimler için uygulanır. (1) Denkleminin iki tarafını cos x ile çarpar ve 0’dan 2p’ye integre edersek 2p ƒnsxd cos x dx = pa1 . L0 elde ederiz. Bu, 2p cos px cos px dx = p L0 ile birlikte p, q ve m tamsayılar ve p 2p L0 q iken 2p cos px cos qx dx = L0 2p cos px sin mx dx = L0 sin px sin qx dx = 0 11.11 Fourier Serileri 835 olmasından elde edilir (9–13 alıştırmaları). (1) Denkleminin iki tarafını sin x ile çarpar ve 0’dan 2p’ye integre edersek 2p ƒnsxd sin x dx = pb1 . L0 elde ederiz. cos 2x, sin 2x, Á , cos nx, sin nx ile benzer tarzda devam ederek her defasında sıfırdan farklı sadece bir terim, sinüs kare ile veya kosinüs kare ile bir terim, elde ederiz. Özet olarak, 2p L0 ƒnsxd dx = 2pa0 2p L0 ƒnsxd cos kx dx = pak, k = 1, Á , n 2p L0 ƒnsxd sin kx dx = pbk, k = 1, Á , n ƒn yerine ƒ yazıldığında soldaki integraller aynı kalacak şekilde ƒn’yi seçeriz. Dolayısıyla bu eşitlikleri, ƒ’den a0, a1, a2,… , an ve b1, b2,… , bn katsayılarını bulmak için kullanabiliriz: 2p a0 = 1 ak = p 1 ƒsxd dx 2p L0 (2) 2p L0 1 bk = p ƒsxd cos kx dx, k = 1, Á , n (3) k = 1, Á , n (4) 2p L0 ƒsxd sin kx dx, Bu katsayıları bulmak için gerekli tek koşul yukarıdaki integrallerin var olmasıdır. n’yi sonsuza götürür (n → q ) ve bu kuralları bir sonsuz serinin katsayılarını elde etmek için kullanırsak sonuçta elde edilen toplama ƒ(x)’in Fourier serisi denir q a0 + a sak cos kx + bk sin kxd. (5) k=1 ÖRNEK 1 Bir Fourier Serisi Aç›l›m› Bulmak Fourier serileri, Taylor serileri ile temsil edilemeyen bazı serileri temsil etmek için kullanılabilir. Örneğin Şekil 11.16a’da gösterilen ƒ adım fonksiyonu ƒsxd = e 1, 0if 0 x… xp…isep 2, pif p x6x2p … ise 2p. 836 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler y y 2 2 1 1 p 0 x 2p –2p –p p 0 (a) fiEK‹L 11.16 2p 3p 4p x (b) (a) ƒsxd = e 0 … x … p p 6 x … 2p 1, 2, adım fonksiyonu (b) ƒ’nin Fourier serisinin grafiği periyodiktir ve her süreksizlik noktasındaki değeri 3@2 dir (Örnek 1). ƒ’nin Fourier serisinin katsayıları (2), (3) ve (4) Denklemleri kullanılarak hesaplanır. 2p a0 = 1 ƒsxd dx 2p L0 p = 2p 3 1 a 1 dx + 2 dxb = 2p L0 2 Lp 1 ak = p 2p ƒsxd cos kx dx L0 1 = p a p 2p cos kx dx + L0 Lp 2 cos kx dxb p 2p sin kx 2 sin kx 1 = p ac d + c d b = 0, k k 0 p 1 bk = p 2p L0 1 = p a ƒsxd sin kx dx p L0 2p sin kx dx + Lp 2 sin kx dxb p 2p cos kx 2 cos kx 1 = p a cd + cd b k k 0 p k = s -1d - 1 cos kp - 1 = . kp kp Dolayısıyla, a0 = 3 , 2 a1 = a2 = Á = 0, k Ú 1 11.11 Fourier Serileri 2 , 5p b6 = 0, Á 837 ve 2 b1 = - p , b2 = 0, b3 = - 2 , 3p b4 = 0, b5 = - bulunur. Fourier serisi 3 sin 3x sin 5x 2 + Áb . - p asin x + + 5 2 3 dir. Şuna dikkat edin; ƒ(x) fonksiyonunun 1’den 2’ye sıçradığı x = p’de bütün sinüs terimleri ortadan kalkar ve serinin değeri olarak 3@2 kalır. Bu, ƒ(p) = 1 olduğundan ƒ’nin p’deki değeri değildir. Fourier serisi ayrıca x = 0’da ve x = 2p’de de 3@2 değerini alır. Aslında, Fourier serisindeki bütün terimler periyodiktir, 2p periyotlu, ve serinin x + 2p’deki değeri x’teki değeri ile aynıdır. Elde etmiş olduğumuz seri, tanım kümesi bütün reel sayılar olan ve 2p uzunluğundaki her aralıkta tekrarlanan bir kalıpla Şekil 11.16b’de grafiği çizilen periyodik fonksiyonu temsil etmektedir. Fonksiyon, x = np, n = 0, 1, 2,… de sıçrama yapar ve bu noktalardaki değeri, her iki taraftan tek taraflı limitlerin ortalama değeri olan 3@2dir. ƒ fonksiyonunun Fourier serisinin yakınsaklığı Şekil 11.17’de gösterilmiştir. y y y 2 f 2 f 2 f 1.5 f1 1.5 f3 1.5 f5 1 0 1 1 p (a) 2p x p (b) 0 2p y x p (c) 0 x y 2 f 2 f 1.5 f9 1.5 f15 1 1 p (d) 0 fiEK‹L 11.17 Örnek 1’deki ƒsxd = e 2p 1, 2, 2p x 0 p (e) 2p x 0 … x … p ise fonksiyonunun ƒ1, ƒ3, ƒ5, ƒ9 ve ƒ15 Fourier yaklaşım fonksiyonları. p 6 x … 2p ise 838 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler Fourier Serilerinin Yak›nsakl›¤› Taylor serileri bir fonksiyon ve türevlerinin tek bir x = a noktasındaki değerlerinden hesaplanır ve Örnek 1’deki ƒ gibi süreksiz fonksiyonların davranışlarını yansıtamazlar. Bir Fourier serisinin böyle fonksiyonları temsil etmekte kullanılabilmesinin nedeni, bir fonksiyonun Fourier serisinin bazı integrallerin varlığına dayanmasıdır. Oysa Taylor serisi bir fonksiyonun tek bir nokta civarındaki türevlerine dayanmaktadır. Bir fonksiyon süreksiz olsa bile integrali var olabilir. Fourier serilerini oluşturmak için kullanılan katsayılar tam olarak, ƒ’ye ƒn ile yaklaşımdaki hatanın karesinin integralini minimize edecek şekilde seçilmesi gerekenlerdir. Yani, a0, a1, a2,… , an ve b1, b2,… , bn katsayılarını söylediğimiz gibi seçmekle 2p L0 [ƒsxd - ƒnsxd]2 dx integrali minimize edilir. Taylor serileri bir nokta civarında bir fonksiyona ve türevlerine yaklaşmak için kullanışlı iken, Fourier serileri bir aralık üzerine dağılmış bir hatayı minimize ederler. Fourier serilerinin yakınsaklığı ile ilgili bir sonucu ispatsız ifade ediyoruz. Bir fonksiyonun bir I aralığı üzerinde sonlu sayıda süreksizlik noktası varsa ve bu noktalarda her iki taraftan tek-yanlı limitler mevcut ise fonksiyon I aralığı üzerinde parçalı sürekli dir. (Bölüm 5, Ek–Alıştırmalar 11–18’e bakın. ) TEOREM 24 ƒ(x), aralığında ƒ ve ƒ ’nün parçalı sürekli olduğu bir fonksiyon olsun. Bu durumda ƒ, sürekli olduğu bütün noktalarda kendi Fourier serisine eşittir. ƒ’nin süreksiz olduğu bir noktasında Fourier serisi ƒsc + d + ƒsc - d 2 değerine yakınsar. Burada ƒ(c+) ve ƒ(c–) değerleri c’deki tek yanlı limitlerdir. ALIfiTIRMALAR 11.11 Fourier Serileri Bulmak 1–8 alıştırmalarında, verilen fonksiyonun Fourier serisini bulun. Her bir fonksiyonu çizin. 1. ƒsxd = 1 0 … x … 2p . 2. ƒsxd = e 1, -1, 3. ƒsxd = e x, x - 2p, x 2, 4. ƒsxd = e 0, 5. ƒsxd = e x 0 … x … p p 6 x … 2p 0 … x … p p 6 x … 2p 0 … x … p p 6 x … 2p 0 … x … 2p . 6. ƒsxd = e e x, 0, 7. ƒsxd = e cos x, 0, 8. ƒsxd = e 2, -x, 0 … x … p p 6 x … 2p 0 … x … p p 6 x … 2p 0 … x … p p 6 x … 2p Teori and Örnekler 9–13 alıştırmalarındaki sonuçları gerçekleyin. p ve q pozitif tamsayılardır. 2p 9. L0 herall p için cos px dx = 0 for p. 11.11 2p 10. p için sin px dx = 0 her for all p. L0 2p 11. cos px cos qx dx = e 0, p, if p Z q p q ise. if p = q L0 (İpucu: cos A cos B = (1@2) [cos (A + B) + cos (A – B)].) 2p 0, if p Z q sin px sin qx dx = e 12. p q ise. p, if p = q L0 (İpucu: sin A sin B = (1@2) [cos (A – B) – cos (A + B)].) 2p her all p ve q için sin px cos qx dx = 0 for p and q. L0 (İpucu: sin A cos B = (1@2) [sin (A + B) + sin (A – B)].) 13. Bölüm 11 Fourier Serileri 839 14. Fonksiyonların toplamlarının Fourier Serileri ƒ ve g Teorem 24’ün koşullarını sağlayan iki fonksiyon ise ƒ + g’nin [0, 2p]’deki Fourier serisi ƒ’nin Fourier serisi ile g’nin Fourier serisinin toplamı mıdır? Cevabınızı açıklayın. 15. Terim-terime türetme a. Örnek 3’teki ƒ(x)’in Fourier serisinin 0 x 2p iken ƒ(x)’e yakınsadığını göstermek için Teorem 24’ü kullanın. b. ƒ (x) = 1 olmasına rağmen, (a)’daki Fourier serisinin terimterime türetilmesi ile elde edilen serinin ıraksak olduğunu gösterin. 16. Örnek 4’te tanımlanan Fourier serisinin Değerini bulmak için Teq p2 1 orem 24’ü kullanın ve = a 2 . olduğunu gösterin. 6 n=1 n Bölüm Tekrar Sorular› 1. Sonsuz bir dizi nedir? Böyle bir dizinin yakınsaması veya ıraksaması ne anlama gelir? Örnekler verin. 15. p-serileri ne zaman yakınsar veya ıraksar? Nereden biliyorsunuz? Yakınsak ve ıraksak p-serilerine örnekler verin. 2. Azalmayan bir dizi nedir? Hangi koşullar altında böyle bir dizinin limiti vardır? Örnekler verin. 16. Doğrudan Karşılaştırma Testi ve Limit Karşılaştırma Testi nedir? Bu testlerin altında yatan neden nedir? Kullanımlarına örnekler verin. 3. Dizilerin limitlerini hesaplamak için hangi teoremler vardır? Örnekler verin. 4. Hangi teorem bazen bir dizinin limitini hesaplamak için l’Hôpital kuralını kullanmamızı sağlar? Bir örnek verin. 5. Diziler ve serilerle çalışırken, hangi altı dizi limiti karşımıza çıkabilir? 17. Oran ve Kök Testleri nedir? Her zaman yakınsaklığı veya ıraksaklığı belirleyecek bilgiyi verirler mi? Örnekler verin. 18. Alterne seri nedir? Böyle bir serinin yakınsaklığını belirlemek için hangi teorem vardır? 6. Sonsuz bir seri nedir? Böyle bir serinin yakınsaması veya ıraksaması ne anlama gelir? Örnekler verin. 19. Bir alterne serinin toplamını bulurken yapılan hatayı serinin kısmi toplamlarından biriyle nasıl belirlersiniz? Belirlemenin altında yatan neden nedir? 7. Bir geometrik seri nedir? Böyle bir seri ne zaman yakınsar veya ıraksar? Yakınsadığında, toplamı nedir? Örnekler verin. 20. Mutlak yakınsaklık ve koşullu yakınsaklık nedir? İkisi arasındaki ilişki nedir? 8. Geometrik serilerin dışında, hangi yakınsak ve ıraksak serileri biliyorsunuz? 21. Mutlak yakınsak veya koşullu yakınsak bir serinin terimlerini yeniden düzenleme hakkında ne biliyorsunuz? Örnek verin. 9. Iraksaklık için n. Terim Testi nedir? Testin altında hangi fikir yatar? 22. Bir kuvvet serisi nedir? Bir kuvvet serisinin yakınsaklığını nasıl test edersiniz? Olası sonuçlar nedir? 10. Yakınsak serilerin terim-terime toplamları ve farkları ile ıraksak ve yakınsak serilerin bir sabitle çarpımı hakkında ne söylenebilir? 23. Aşağıdakiler hakkındaki temel bilgiler nedir? 11. Bir yakınsak seriye sonlu sayıda terim eklerseniz ne olur? Peki ya ıraksak bir seriye? Yakınsak veya ıraksak bir seriden sonlu sayıda terim çıkarırsanız ne olur? 12. Bir seriyi nasıl yeniden indislersiniz? Bunu neden yapmak isteyesiniz? 13. Hangi koşullar altında terimleri negatif olmayan sonsuz bir seri yakınsar veya ıraksar? Neden terimleri negatif olmayan serilerle çalışıyoruz? 14. İntegral Testi nedir? Arkasındaki neden nedir? Kullanımına bir örnek verin. a. Kuvvet serilerinin terim-terime türevinin alınması? b. Kuvvet serilerinin terim-terim integrasyonu? c. Kuvvet serilerinin çarpımı? örnekler verin. 24. Bir ƒ(x) fonksiyonunun x = a’da ürettiği Taylor serisi nedir? Seriyi inşa etmek için ƒ hakkında ne bilmeniz gerekir? Bir örnek verin. 25. Maclaurin serisi nedir? 26. Bir Taylor serisi her zaman üretildiği fonksiyona yakınsar mı? Açıklayın. 27. Taylor polinomları nedir? Yararları nedir? 840 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 28. Taylor formülü nedir? Fonksiyonlara yaklaşım yapmak için Taylor polinomlarını kullanmaktan gelen hata hakkında ne söyler? Özel olarak, Taylor formülü bir lineerizasyon ve bir kuadratik yaklaşımdaki hata için ne söyler? 29. Binom serisi nedir? Hangi aralıkta yakınsar? Nasıl kullanılır? 30. Bazen kuvvet serilerini başlangıç değer problemlerini çözmek için nasıl kullanırsınız? 31. Bazen, elemanter olmayan integrallerin değerlerini tahmin etmek için kuvvet serilerini nasıl kullanırsınız? Bölüm 11 32. 1@(1 – x), 1@(1 + x), ex, sin x, cos x, ln (1 + x), ln [(1 + x)@(1 – x)] ve tan–1 x’in Taylor serileri nedir? Bu seriler yerine kısmi toplamlarını yazmanın getireceği hatayı nasıl tahmin edersiniz? 33. Fourier serisi nedir? [0, 2p] aralığında tanımlı bir ƒ(x) fonksiyonu için a0, a1, a2, … ve b1, b2, … Fourier katsayılarını nasıl hesaplarsınız? 34. ƒ ve ƒ [0, 2p] üzerinde parçalı sürekli iken ƒ(x)’in Fourier serisinin yakınsaklığı hakkındaki teoremi ifade edin. Problemler Yak›nsak veya Iraksak Diziler Yak›nsak veya Iraksak Seriler 1–18 problemlerinde n.inci terimleri görülen dizilerin hangileri yakınsar, hangileri ıraksar? Yakınsak her dizinin limitini bulun. 25–40 problemlerindeki serilerin hangileri mutlak yakınsak, hangileri koşullu yakınsak ve hangileri ıraksaktır? Yanıtlarınızı açıklayın. 1. an = 1 + s -1dn n 1 - 2n 2n np 5. an = sin 2 2. an = 1 - s -1dn 2n q 28. a 6. an = sin np n + ln n 9. an = n ln s2n 3 + 1d 10. an = n 33. a n n n 3 An 15. an = ns21>n - 1d 17. an = sn + 1d! n! 1 12. an = a1 + n b 3 14. an = a n b -n 1>n n 16. an = 22n + 1 18. an = s -4d n! q q 20. a 1 n = 3 s2n - 3ds2n - 1d q q 22. a q q 9 n = 1 s3n - 1ds3n + 2d n=0 -2 n=1 2n q 1 30. a 2 n = 2 n sln nd q ln n ln sln nd n=3 32. a q n = 1 n2n 2 + 1 34. a n=1 q q 35. a 36. a n + 1 n! n=1 n=1 s -3dn n! n=1 q s -1dn 3n 2 n3 + 1 s -1dnsn 2 + 1d 2n 2 + n - 1 q 2n 3n n n=1 n 37. a 38. a q 1 39. a q 1 40. a n = 2 n2n 2 - 1 41–50 problemlerinde, (a) serinin yakınsaklık yarıçapı ve aralığını bulun. Sonra serinin (b) mutlak yakınsak ve (c) koşullu yakınsak olduğu x değerlerini belirleyin. sx + 4dn n3n n=1 q n = 2 nsn + 1d 21. a s -1d s -1dn Kuvvet Serileri 19–24 problemlerindeki serilerin toplamlarını bulun. 19. a n n = 1 ln sn + 1d n = 1 2nsn + 1dsn + 2d n Yak›nsak Seriler 23. a e -n 29. a 3 s -1dn q 13. an = q ln n 3 n=1 n 31. a 27. a n=1 q ln s2n + 1d 8. an = n q -5 26. a n 1 n = 1 2n ln sn 2 d 7. an = n n - 5 11. an = a n b q 1 n = 1 2n 4. an = 1 + s0.9dn 3. an = q 25. a -8 n = 3 s4n - 3ds4n + 1d 3 24. a s -1dn n 4 n=1 41. a q 43. a s -1dn - 1s3x - 1dn n=1 n2 sx - 1d2n - 2 n = 1 s2n - 1d! q 42. a sn + 1ds2x + 1dn s2n + 1d2n n=0 q 44. a q q 45. a 46. a xn n n n=1 xn n = 1 2n Bölüm 11 Problemler sn + 1dx 2n - 1 3n n=0 s -1dnsx - 1d2n + 1 2n + 1 n=0 q q 47. a 48. a q q 50. a scoth ndx n 49. a scsch ndx n n=1 n=1 Elemanter Olmayan ‹ntegraller 77–80 Problemlerinde, integrallerin değerine büyüklüğü 10–8’den küçük bir hatayla yaklaşım yapmak için seri kullanın. (Yanıt bölümü integrallerin değerlerini 10 ondalık basamağa yuvarlanmış olarak verir.) Maclaurin Serisi 1>2 51–56 problemlerindeki serilerin her biri bir ƒ(x) fonksiyonunun x = 0 noktasındaki Taylor serisinin belirli bir noktadaki değeridir. Hangi fonksiyon ve hangi nokta? Serinin toplamı nedir? 1 1 1 51. 1 - + - Á + s -1dn n + Á 4 16 4 52. 8 2n 2 4 + - Á + s -1dn - 1 n + Á 3 18 81 n3 54. 1 - p2n p2 p4 + Á + - Á + s -1dn 2n 9 # 2! 81 # 4! 3 s2nd! 1 23 1 + 9 23 L0 tan-1 x x dx 80. x sin sx 3 d dx L0 1>64 L0 tan-1 x 2x dx Belirsiz Formlar e u - e -u - 2u u - sin u u :0 7 sin x x:0 e 2x - 1 82. lim 81. lim t: 0 1 1 - 2b 2 - 2 cos t t 84. lim ssin hd>h - cos h 85. lim - Á 1 - cos z z : 0 ln s1 - zd + sin z h2 h:0 2 45 23 + s -1dn - 1 1>2 79. 78. 83. lim a sln 2d2 sln 2dn + Á + + Á 55. 1 + ln 2 + 2! n! - L0 1 3 e -x dx T a. Limiti hesaplamak için kuvvet serisi kullanın. b. Hesabınızı desteklemek için bir grafik çizici kullanın. p3 p2n + 1 p5 + - Á + s -1dn + Á 3! 5! s2n + 1d! 1 77. 81–86 problemlerinde: 53. p - 56. 841 86. lim y 2 y:0 cos y - cosh y 87. sin 3x’in bir seri temsilini kullanarak, 1 s2n - 1d A 23 B 2n - 1 + Á lim a x:0 sin 3x r + 2 + sb = 0 . x3 x 57–64 problemlerindeki fonksiyonların x = 0’daki Taylor serilerini bulun. olmasını sağlayacak r ve s değerlerini bulun. 1 57. 1 - 2x 1 58. 1 + x3 88. a. Bölüm 11.10, Örnek 9’daki csc x < 1@x + x@6 yaklaşımının sin x < 6x@(6 + x2) yaklaşımına yol açtığını gösterin. 59. sin px 60. sin 61. cos sx 5>2 d 62. cos 25x 63. e 2x 3 2 T b. ƒ(x) = sin x – x ve g(x) = sin x – (6x@(6 + x )) fonksiyonlarının grafiklerini karşılaştırarak sin x < x ve sin x < 6x@(6 + x2) yaklaşımlarının hassaslıklarını karşılaştırın. Bulduklarınızı tanımlayın. 2 spx>2d 64. e -x Taylor Serileri Teori ve Örnekler 65–68 problemlerinde, ƒ’nin x = a’da ürettiği Taylor serisinin sıfırdan farklı ilk dört terimini bulun. 89. a. 65. ƒsxd = 23 + x 2 at x = -1 66. ƒsxd = 1>s1 - xd at x = 2 67. ƒsxd = 1>sx + 1d at x = 3 68. ƒsxd = 1>x at n=1 serisinin yakınsadığını gösterin. x = a 7 0 Bafllang›ç De¤er Problemleri 69–76 Problemlerindeki başlangıç değer problemlerini çözmek için kuvvet serileri kullanın. 69. y¿ + y = 0, ys0d = -1 70. y¿ - y = 0, ys0d = -3 71. y¿ + 2y = 0, ys0d = 3 72. y¿ + y = 1, ys0d = 0 73. y¿ - y = 3x, ys0d = -1 74. y¿ + y = x, ys0d = 0 75. y¿ - y = x, ys0d = 1 76. y¿ - y = -x, 1 1 a asin 2n - sin 2n + 1 b q ys0d = 2 T b. Serinin toplamına yaklaşım yapmak için sinüslerin n = 20’ye kadar toplamının kullanılmasının getireceği hatanın büyüklüğünü bulun. Yaklaşım çok mu büyük, çok mu küçüktür? Yanıtınızı açıklayın. q 1 1 90. a. a atan - tan b serisinin yakınsadığını gösterin. 2n 2n + 1 n=1 T b. Serinin toplamına yaklaşım yapmak için tanjantların –tan (1@41)’e kadar toplamının kullanılmasının getireceği hatanın büyüklüğünü bulun. Yaklaşım çok mu büyük, çok mu küçüktür? Yanıtınızı açıklayın. 842 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler 91. Aşağıdaki serinin yakınsaklık yarıçapını bulun. Aşağıdaki serinin ıraksadığını gösterin. 2 # 5 # 8 # Á # s3n - 1d n x . 2 # 4 # 6 # Á # s2nd n=1 q a3 a1 a2 + + + Á 1 2 3 a 92. Aşağıdaki serinin yakınsaklık yarıçapını bulun. 103. Problem 102’deki sonucu kullanarak 3 # 5 # 7 # Á # s2n + 1d n a 4 # 9 # 14 # Á # s5n - 1d sx - 1d . n=1 q q 1 n ln n n=2 1 + a 93. g n = 2 ln s1 - s1>n 2 dd serisinin n. kısmi toplamının bir kapalıform formülünü bulun ve bunu kullanarak serinin yakınsaklığını veya ıraksaklığını belirleyin. 104. 10 x 2e x dx.’in değerini çabuk bir şekilde tahmin etmek istediğinizi varsayın. Bunu yapmanın birkaç yolu vardır. 94. Serinin n. kısmi toplamının n → ∞ iken limitini bularak q g k= 2 s1>sk 2 - 1dd toplamını hesaplayın. a. 10 x 2e x dx.’i tahmin etmek için n = 2 ile yamuk kuralını kullanın. 95. a. Aşağıdaki serinin yakınsaklık aralığını bulun. b. x2ex’in Taylor serisinin sıfırdan farklı ilk üç terimini yazarak, x2ex’in dördüncü Taylor polinomu P(x)’i elde edin. 1 10 Psxd dx için başka bir tahmin elde etmek üzere q 1 3 1 6 Á x + x + 6 180 1 # 4 # 7 # Á # s3n - 2d 3n x + Á. + s3nd! y = 1 + dx 2 = x ay + b d. ƒ(x) = x2ex’in bütün türevleri x 0 için pozitiftir. Bunun neden ƒ(x)’e [0, 1] aralığında yapılan bütün Maclaurin polinom yaklaşımlarının çok küçük olduğu sonucuna varmanızı sağladığını açıklayın. (İpucu: ƒ(x) = Pn(x) + Rn(x).) 96. a. x2@(1 + x) fonksiyonunun Maclaurin serisini bulun. b. Seri x = 1’de yakınsar mı? Açıklayın. 97. g n = 1 an ve g n = 1 bn negatif olmayan sayıların yakınsak seriq leriyse, g n = 1 an bn hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. q q 98. g n = 1 an q g n = 1 bn ve negatif olmayan sayıların ıraksak seriq leriyse, g n = 1 an bn hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. 99. 5xn6 sayacağını veya ikisinin de ıraksayacağını ispatlayın. q dizisinin ve g k= 1 sxk + 1 - xk d serisinin ikisinin de yakın- 100. g n = 1 an yakınsak ise ve her n için an 7 0 q g n = 1 san>s1 + an dd serisinin de yakınsayacağını gösterin. q ise 101. (Bölüm 4.7, Alıştırma 27’nin devamı) Bölüm 4.7’deki Alıştırma 27’yi yaptıysanız, pratikte Newyon yönteminin ƒ(x) = (x – 1)40’ın kökünden, x = 1, yararlı bir tahminini veremeyecek kadar uzakta durduğunu görmüşsünüzdür. Yine de x0 1 olan herhangi bir başlama değeri için, Newton yönteminin ürettiği yaklaşımların x0, x1, x2,…, xn,… dizisinin gerçekten 1’e yakınsadığnı gösterin. 102. a1, a2, a3, …, an’nin aşağıdaki koşulları sağlayan pozitif sayılar olduklarını varsayın. i. a1 Ú a2 Ú a3 Ú Á ; ii. a2 + a4 + a8 + a16 + Á serisi ıraksar. 1 1 2 x şeklinde bir diferansiyel denklemi sağladığını gösterin ve a ile b sabitlerini bulun. q 1 10 x e dx.’i kullanın. c. ƒ(x) = x2ex’in ikinci türevi her x 0 için pozitiftir. Bunun, (a) şıkkında elde edilen yamuk kuralı tahmininin neden çok büyük olduğu sonucuna varmanızı sağladığını açıklayın. (İpucu: İkinci türev size bir fonksiyonun grafiği hakkında ne söyler? Bununla, bu grafiğin altında kalan alana yapılan yamuk yaklaşımının ilişkisi nedir? b. Serinin tanımladığı fonksiyonun d 2y serisinin ıraksadığını gösterin. 1 e. 10 x 2e x dx.’i kısmi integrasyonla hesaplayın. Fourier Serileri 105–108 problemlerindeki fonksiyonların Fourier serilerini bulun. Her fonksiyonu çizin. 105. ƒsxd = e 0, 1, 0 … x … p p 6 x … 2p 106. ƒsxd = e x, 1, 0 … x … p p 6 x … 2p 107. ƒsxd = e p - x, x - 2p, 108. ƒsxd = ƒ sin x ƒ , 0 … x … p p 6 x … 2p 0 … x … 2p Bölüm 11 Bölüm 11 16. Aşağıdaki sonsuz serinin limitini bulun. 1–4 alıştırmalarındaki formüllerle tanımlanan g n = 1 an serilerinin hangileri yakınsak, hangileri ıraksaktır? Yanıtınızı açıklayın. q q q 1. a 2. a 1 n + s1>2d n = 1 s3n - 2d n=1 q q 3. a s -1dn tanh n 4. a n=1 1 + stan-1 nd2 n2 + 1 logn sn!d n=2 + 7 3 7 3 2 2 2 + + + + + + 10 10 5 10 7 10 2 10 3 10 4 10 6 7 3 + + Á. 10 8 10 9 17. Aşağıdaki seriyi hesaplayın. n3 a n=0 L n 5–8 alıştırmalarındaki formüllerle tanımlanan serilerinin hangileri yakınsak, hangileri ıraksaktır? Yanıtınızı açıklayın. an + 1 = 1 dx . 1 + x2 18. nsn + 1d an sn + 2dsn + 3d q nx n a sn + 1ds2x + 1dn (İpucu: Birkaç terim yazarak, hangi çarpanların sadeleştiğini görün ve genelleştirin.) 6. a1 = a2 = 7, an + 1 = n an sn - 1dsn + 1d 7. a1 = a2 = 1, an + 1 = 1 1 + an n=1 serisinin mutlak yakınsak olduğu bütün x değerlerini bulun. if n Ú 2 ise if n Ú 2 ise n tek ise, an = n>3n n+1 q q g n = 1 an 8. an = 1>3n 843 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar Yak›nsakl›k veya Iraksakl›k 5. a1 = 1, Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar n çift ise 19. Euler sabitini genelleştirmek Şekil, ikinci türevi (0, ) aralığında pozitif olan iki kere türetilebilen, azalan bir pozitif ƒ fonksiyonunun grafiğini göstermektedir. Her n için An sayısı, eğri ile (n, ƒ(n)) ve (n + 1, ƒ(n + 1)) noktalarını birleştiren aya benzer bölgenin alanıdır. a. Şekli kullanarak g n = 1 An 6 s1>2dsƒs1d - ƒs2dd . olduğunu gösterin. q Taylor Serilerinin Merkezlerini Seçmek ƒsxd = ƒsad + ƒ¿sadsx - ad + snd ƒ–sad sx - ad2 + Á 2! sn + 1d scd ƒ ƒ sad sx - adn + sx - adn + 1 + n! sn + 1d! Taylor formülü ƒ’nin x’teki değerini ƒ’nin ve türevlerinin x = a’daki değerleri cinsinden ifade eder. Bundan dolayı, sayısal hesaplamalarda noktasının, ƒ’nin ve türevlerinin değerlerini bildiğimiz bir nokta olması gerekir. Ayrıca, a’nın da ƒ’nin ilgilendiğimiz değerlerine, (x – a)n + 1’in kalanı ihmal edebileceğimiz kadar küçük olmasını sağlayacak şekilde yakın olmasını isteriz. 9–14 alıştırmalarında, fonksiyonu verilen nokta civarında temsil etmesi için hangi Taylor serisini seçersiniz? (Birden fazla yanıt olabilir.) Seçtiğiniz serinin sıfırdan farklı ilk dört terimini yazın. 9. cos x x = 1 civarında x 11. e x = 0.4 civarında 13. cos x x = 69 civarında Teori ve Örnekler 10. sin x x = 6.3 civarında 12. ln x x = 1.3 civarında 14. tan–1 x x = 2 civarında 15. a ve b, 0 a b olmak üzere sabitler olsun. 5sa n + b n d1>n6 dizisi yakınsar mı? Yakınsarsa, limiti nedir? b. Aşağıdaki limitin varlığını gösterin. n 1 lim c a ƒskd - sƒs1d + ƒsndd 2 n: q k=1 n L1 ƒsxd dx d . c. Sonra aşağıdaki limitin varlığını gösterin. n lim c a ƒskd n: q k=1 n L1 ƒsxd dx d . ƒ(x) = 1@x ise, (c) şıkkındaki limit Euler sabitidir (Bölüm 11.3, Alıştırma 41). (Kaynak: “Convergence with Pictures”, P .J. Rippon, American Mathematical Monthly, Vol. 93, No. 6, 1986, sayfa 476-78.) 844 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler y 23. q b nx n a ln n n=2 kuvvet serisinin yakınsaklık yarıçapını 5 yapacak b değerini bulun. A1 A2 … 24. sin x, ln x ve ex’in polinom olmadığını nereden biliyorsunuz? Yanıtınızı açıklayın. A3 25. f(1) A2 lim sin saxd - sin x - x x3 x:0 A3 f(2) f(4) 0 1 2 limitinin sonlu olduğu bir a değeri bulun ve limiti hesaplayın. y f(x) f(3) 3 26. … 4 lim x 5 20. Bu alıştırma alt kenarları 2b olan “yukarı doğru” eşkenar üçgenle ilgilidir. Şeklin devamının gösterdiği gibi esas üçgenden “aşağı doğru” eşkenar üçgenler çıkarılmaktadır. Esas üçgenden çıkarılan üçgenlerin alanlarının toplamı sonsuz bir seri oluşturur. a. Bu sonsuz seriyi bulun. x:0 2b 2b 2b 2b 2b T 2b 2b 2b • • • n: q cos sa>nd n b , n lim a1 - n: q a constant , 0 olmak üzere cos sa>nd b , bn ƒsnd un C un + 1 = 1 + n + n 2 , (1) olmasını sağlayacak C, K ve N sabitleri varsa, g n = 1 un serisi, C 1 ise yakınsak ve C 1 ise ıraksaktır. q q Raabe testinin sonuçlarının g n = 1 s1>n 2 d ve g n = 1 s1>nd . serileri hakkında bildiklerinizle uyuştuğunu gösterin. q 28. (Alıştırma 27’nin devamı.) g n = 1 un serisinin terimlerinin q u1 = 1, s2n - 1d2 un . s2nds2n + 1d un + 1 = tekrarlama formülüyle verildiğini varsayın. Serinin yakınsak olup olmadığını belirlemek için Raabe testini kullanın. limiti a’nın değerine bağlı mıdır? Bağlıysa, nasıl? b. a ve b birer sabit ve b = -1 . olacak şekilde a ve b değerlerini bulun. 2b 21. a. a bir sabit olmak üzere lim a1 - 2x 2 27. Raabe (veya Gauss) testi İspat vermeden göstereceğimiz aşağıdaki test Oran Testi’nin genişletilmişidir. q Raabe testi: g n = 1 un pozitif sabitlerden oluşan bir seri ise ve her n N için ƒ ƒsnd ƒ 6 K olmak üzere b. Bu sonsuz serinin toplamını ve dolayısıyla esas üçgenden çıkarılan toplam alanı bulun. c. Esas üçgendeki her nokta çıkarılır mı? Neden çıktığını veya çıkmadığını açıklayın. cos saxd - b n a and b constant, b Z 0 , limiti b’nin değerine bağlı mıdır? Bağlıysa, nasıl? 29. g n = 1 an yakınsak ise her n için an Z 1 ve an 7 0 ise q a. g n = 1 a n2 serisinin yakınsak olduğunu gösterin. q b. g n = 1 an >s1 - an d yakınsak mıdır? Açıklayın. q 30. (Alıştırma 29’un devamı) g n = 1 an yakınsak ise ve her n için q 1 7 an 7 0 ise, g n = 1 ln s1 - an d’in yakınsak olduğunu gösterin. (İpucu: Önce ƒ ln s1 - an d ƒ … an>s1 - an d . olduğunu gösterin.) q 31. Nicole Oresme’nin Teoremi Nicole Oresme’nin c. (a) ve (b)’de bulduklarınızı analizle doğrulayın. 22. g n = 1 an yakınsak ise q a a q n=1 1 + 1 + sin san d n b 2 serisinin de yakınsak olacağını gösterin. n 1 # 1 # 2 + 3 + Á + n-1 + Á = 4. 2 4 2 olduğunu söyleyen teoremini ispatlayın. (İpucu: 1>s1 - xd = 1 + g n = 1 x n . denkleminin iki tarafının da türevini alın.) ) q Bölüm 11 32. a. ƒ x ƒ 7 1 için, q nsn + 1d 2x 2 = n x sx - 1d3 n=1 a bağıntısının iki kere türevin alıp, sonucu x ile çarpıp, x yerine 1@x yazarak aşağıdaki eşitliği gösterin. q ax n+1 x2 1 - x = n=1 b. (a) şıkkını kullanarak q nsn + 1d . xn n=1 x = a denkleminin 1’den büyük gerçek çözümünü bulun. 33. P /2’nin hızlı bir tahmini. Bölüm 11.1’deki Alıştırma 127’yi yaptıysanız, x0 = 1 ile başlayan ve xn + 1 = xn + cos xn tekrarlama formülüyle üretilen dizinin hızla p@2’ye yakınsadığını görmüşsünüzdür. Yakınsaklığın süratini açıklamak için, n = (p@2) – xn olsun. (Aşağıdaki şekle bakın.) Bu durumda p Pn + 1 = - xn - cos xn 2 = Pn - cos a p - Pn b 2 1 1 = A P B 3 - 5! A Pn B 5 + Á . 3! n olur. Bu eşitliği kullanarak, 0 6 Pn + 1 6 1 sP d3 . 6 n 36. Beklenen değer Rastgele bir X değişkeninin 1, 2, 3,… değerlerini p1, p2, p3, … olasılıklarıyla aldığını varsayın. Burada pk X’in k’ye eşit olma olasılığıdır (k = 1, 2, 3, …). Ayrıca pk 0 ve q g k = 1 pk = 1 . olduğunu da varsayın. E(X) ile gösterilen X’in q beklenen değeri, serinin yakınsaması koşuluyla, g k = 1 k pk , q sayısıdır. Aşağıdaki her durum için, g k = 1 pk = 1 olduğunu gösterin ve varsa E(X)’i hesaplayın (İpucu: Alıştırma 35’e bakın). a. pk = 2-k b. pk = 1 1 1 = k k + 1 ksk + 1d 5k - 1 6k T 37. Güvenli ve etkili dozaj Tek bir ilaç dozundan dolayı kandaki konsantrasyon, zamanla ilaç vucüttan atıldıkça, normalde azalır. Dolayısıyla, konsantrasyonun belirli bir seviyenin altına düşmemesi için, dozların periyodik olarak tekrarlanması gerekebilir. Tekrarlanan dozların etkisi için bir model (n + 1) dozdan hemen önce kalan konsantrasyonu en xn cosxn xn 1 x 34. g n = 1 an pozitif sayılardan oluşan yakınsak bir seriyse, q g n = 1 ln s1 + an d ?’in yakınsaklığı hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. q Konsantrasyon (mg/mL) olarak verir. Burada C0 tek bir dozun sağladığı konsantrasyon (mg/mL), k azalma sabiti (saat–1) ve t0 da dozlar arasındaki zamandır (saat). Şekle bakın. y 0 c. Endüstriyel bir operasyona istatistik kontrol uygulayan bir mühendis olarak, oynar kayıştan rastgele alınan parçaları inceliyorsunuz. Örneklenen her parçayı “iyi” veya “kötü” olarak sınıflıyorsunuz. Bir parçanın iyi olma olasılığı p ve kötü olma olasılığı q = 1 – p ise, bulunan ilk kötü parçanın incelenen n.inci parça olma olasılığı pn–1q’dur. İlk kötü parçaya kadar (kötü parçayı da içerecek şekilde) incelenen ortalama parça q sayısı g n = 1 np n - 1q .’dur. 0 p 1 olduğunu varsayarak bu toplamı hesaplayın. Rn = C0 e -kt0 + C0 e -2k t0 + Á + C0 e -nk t0 , olduğunu gösterin. 1 845 b. İki zar atıldığında, 7 gelme olasılığı p = 1@6’dır. Zarları sürekli olarak atarsanız, ilk olarak n.inci atışta 7 gelme olasılığı q = 1 – p = 5@6 olmak üzere qn–1 p’dir. İlk olarak bir 7 gelene q kadar atış sayısının beklenen değeri g n = 1 nq n - 1p .’dir. Bu serinin toplamını bulun. c. pk = = Pn - sin Pn Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar C C1 ⫽ C0 ⫹ C0e–kt0 Cn⫺1 C2 Rn C0 R2 R1 ⫽ C0e–kt0 0 t0 R3 t Zaman (saat) 35. Kalite kontrolü. a. 1@(1 – x)2 için bir seri elde etmek üzere a. Rn’yi kapalı formda tek bir kesir olarak yazın ve R = limn→∞ Rn limitini bulun. 1 = 1 + x + x2 + Á + xn + Á 1 - x serisinin türevini alın. b. C0 = 1 mg/mL, k = 0.1 sa–1 ve t0 = 10 sa için R1 ve R10’u hesaplayın. R10 R’nin ne kadar iyi bir tahminidir? 846 Bölüm 11: Sonsuz Diziler ve Seriler c. k = 0.01 sa–1 ve t0 = 10 sa ise, Rn (1@2) R olmasını sağlayacak en küçük n değerini bulun. (Kaynak: Prescribing Safe and Effective Dosage, B. Horelick ve S. Koont, COMAP, Inc., Lexington MA.) 38. İki doz arasındaki zaman (Alıştırma 37’nin devamı) Eğer bir ilacın bir CL konsantrasyonunun altında etkisiz, daha yüksek bir CH konsantrasyonunun üstünde ise zararlı olduğu biliniyorsa, güvenli (CH’nin üstünde değil), ama etkili (CL’nin altında değil) bir konsantrasyon sağlayacak C0 ve t0 değerlerinin bulunması gerekir. Şekle bakın. Dolayısıyla serisi yakınsaksa, yakınsayacağı söylenir. Her n için, an –1 ise q ve g n = 1 ƒ an ƒ yakınsak ise çarpımın yakınsak olacağını gösterin. (İpucu: uan u 1@2 ise ƒ ln s1 + an d ƒ … olduğunu gösterin.) 40. p bir sabitse, q 1 + a n=3 n R = CL ve C0 + R = CH Kandaki konsantrasyon C En yüksek güvenli seviye CH q La En düşük etkili seviye t0 0 t Yani, C0 = CH – CL olur. Bu değerler Alıştırma 37’nin (a) şıkkında elde edilen R denklemine koyulursa, ortaya çıkan denklem 1 CH ln . k CL şeklinde sadeleşir. Etkili bir seviyeye hızlı bir şekilde ulaşmak için, CH mg/mL’lık bir konsantrasyon üretecek bir “yükleme” dozu verilebilir. Bundan sonra her t0 saatte bir konsantrasyonu C0 = CH – CL mg/mL miktarında arttıracak bir dozla devam edilebilir. a. t0 için yukarıda verilen denklemi doğrulayın. b. k = 0.05 sa–1 ve en yüksek güvenli konsantrasyon e kere en düşük etkili konsantrasyon ise, dozlar arasındaki güvenli ve etkili konsantrasyonu garantileyecek zaman uzunluğunu bulun. 41. a. Şu teoremi ispatlayın: 5cn6, her tn = g k = 1 ck toplamının sınırlı olmasını sağlayacak şekilde sayılardan oluşan bir q diziyse, serisi yakınsar ve değeri g n = 1 cn >n q g n = 1 tn>(n(n + 1)) .’e eşittir. n İspatın taslağı: c1 yerine t1 ve n 2 için cn yerine 2n + 1 tn – tn – 1 yazın. s2n + 1 = g k = 1 ck > k, ise s2n + 1 = t1 a1 - d. k = 0.2 sa–1 olduğunu ve en küçük etkili konsantrasyonun 0.03 mg@mLolduğunu varsayın. 0.1 mg@mL’lik konsantrasyon sağlayan tek bir doz veriliyor. İlaç yaklaşık ne kadar süre etkili kalacaktır? 39. Sonsuz bir çarpım q q s1 + an d = s1 + a1 ds1 + a2 ds1 + a3 d Á n=1 sonsuz çarpımının, çarpımın doğal logaritması alınarak elde edilen q a ln s1 + an d , 1 1 1 b + t2 a - b 2 2 3 + Á + t2n a t2n + 1 1 1 b + 2n 2n + 1 2n + 1 2n tk t2n + 1 . + 2n + 1 k sk + 1d k=1 = a olduğunu gösterin. Bir M sabiti için, ƒ tk ƒ 6 M olduğundan, q tk a k sk + 1d c. CH = 2 mg@mL, CL = 0.5 mg@mL ve k = 0.02 sa–1 ise, ilacı vermek için bir program belirleyin. n=1 dx ƒ1sxdƒ2sxd Á ƒnsxdsƒn + 1sxddp p 1 ise yakınsar, p 1 ise ıraksar. Zaman t0 = 1 # ln n # [ln sln nd]p serisinin a. p 1 ise yakınsayacağını, b. p 1 ise ıraksayacağını gösterin. Genelde, ƒ1(x) = x, ƒn+1(x) = ln (ƒn(x)) ise ve n 1, 2, 3, … değerlerini alıyorsa, ƒ2(x) = ln x, ƒ3(x) = ln (ln x)), … buluruz. ƒn(a) 1 ise, C0 CL ƒ an ƒ … 2 ƒ an ƒ 1 - ƒ an ƒ k=1 serisi mutlak yakınsaktır ve n → ∞ iken s2n+1’in bir limiti var2n dır. s2n = g k = 1 ck >k, ise, n → ∞ iken, s2n+1– s2n = c2n+1@(2n +1) sıfıra yaklaşır, çünkü u c2n+1u = u t2n+1 – t2nu 2M’dir. Dolayısıyla serisi yakınsar ve limit gck >k q g k = 1 tk >sk sk + 1dd. olur. b. Bahsedilen teoremin aşağıdaki alterne harmonik seriye nasıl uygulanacağını gösterin. 1 - 1 1 1 1 1 + - + - + Á. 5 2 3 4 6 Bölüm 11 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar 847 c. x 0 ise, c. 1 1 1 1 1 1 1 - - + + - - + Á. 5 7 2 3 4 6 x ƒ Rn + 1 ƒ … serisinin yakınsadığını gösterin (İlk terimden sonra, işaretleri iki negatif, iki pozitif, iki negatif, iki pozitif şeklinde gider). olduğunu gösterin. a İpucu: t, 0’dan x’e değişirken, ve and 1 + t Ú 1 t n + 1>s1 + td … t n + 1 , ve ` n+1 n+1 s -1d t 1 = 1 - t + t 2 - t 3 + Á + s -1dnt n + 1 + t 1 + t olduğunu gösterin. . b. (a) şıkkındaki denklemi 0’dan x’e kadar t’ye göre integre ederek x2 x3 x4 + + Á 2 3 4 xn+1 + s -1d + Rn + 1 n + 1 n x ƒstd dt ` … L0 x L0 ƒ ƒstd ƒ dt.bolur. d. –1 x 0 ise ƒ Rn + 1 ƒ … ` n+2 ƒxƒ tn+1 dt ` = . sn + 2ds1 - ƒ x ƒ d L0 1 - ƒ x ƒ x olduğunu gösterin. a İpucu: x t 0 ise, ƒ 1 + t ƒ Ú 1 - ƒ x ƒ ve ` olmak üzere, n+1 ƒtƒ tn+1 .bolur. ` … 1 + t 1 - ƒxƒ a a. Uzun bölme veya başka bir yolla ln s1 + xd = x - xn+2 . n + 2 a 42. -1 6 x … 1 için yakınsaklığı q x)’e for to lnlns1(1++ xd g n = 1 [s -1dn - 1x n]>n ’nin L0 t n + 1 dt = x tn+1 Rn + 1 = s -1dn + 1 dt . L0 1 + t olduğunu gösterin. e. Yapılan tartışmaları kullanarak, n n+1 x - s -1d x x2 x3 x4 + + Á + 2 3 4 n + 1 + Á serisinin –1 x 1 için, ln (1 + x)’e yakınsadığını gösterin.) Bölüm 11 Teknoloji Uygulama Projeleri Mathematica / Maple Modülü Zıplayan Top Model, zıplayan bir topun yüksekliğini ve zıplaması sona erene kadar geçen zamanı tahmin eder. Mathematica / Maple Modülü Bir Fonksiyonun Taylor Polinomları Yaklaşımları Bir grafik animasyon, Taylor polinomlarının, tanım kümeleri içindeki bir aralık üzerinde her mertebeden türevleri var olan fonksiyonlara yakınsadıklarını göstermektedir. Bölüm 12 VEKTÖRLER VE UZAYDA GEOMETRİ G‹R‹fi Birçok gerçek-dünya probleminde ve yüksek matematikte calculus uygulayabilmek için üç boyutlu uzayın matematiksel bir tanımına gereksinim duyarız. Bu bölümde üç-boyutlu koordinat sistemini ve vektörleri tanıtıyoruz. xy-düzleminde koordinatlar hakkındaki bildiklerimize dayanarak, uzaydaki koordinatları, xy-düzleminin üstündeki ve altındaki mesafeyi ölçen üçüncü bir eksen ekleyerek kurarız. Vektörler, uzayda doğruları, düzlemleri, yüzeyleri ve eğrileri tanımlamada basit yollar verdiklerinden, uzayın analitik geometrisini incelemek için kullanılırlar. Kitabın geri kalanında bu geometrik kavramları, uzayda hareketi ve çok değişkenli fonksiyonları ve bunların bilimdeki, mühendislikteki, ekonomideki ve yüksek matematikteki çok önemli uygulamalarını incelemek için kullanıyoruz. 12.1 Üç Boyutlu Koordinat Sistemleri z z = sabit (0, 0, z) (0, y, z) (x, 0, z) 0 P(x, y, z) (0, y, 0) y (x, 0, 0) y = sabit x x = sabit (x, y, 0) fiEK‹L 12.1 Kartezyen koordinat sistemi sağ el kuralına göredir. 848 Uzayda noktaların yerlerini belirlemek için, Şekil 12.1’deki gibi düzenlenmiş ikişer ikişer aralarında dik üç tane koordinat ekseni kullanırız. Şekilde gösterilen Ox, Oy ve Oz eksenleri sağ - el kuralı ile belirlenmiş bir koordinat sistemi oluştururlar. Sağ elinizi parmaklarınız pozitif x-ekseninden pozitif y-eksenine doğru kıvrılacak şekilde tutarsanız, başparmağınız z-eksenini gösterir. Böylece, z-ekseninin pozitif yönünden aşağıya, xy-düzlemine baktığınızda, düzlemdeki pozitif açılar, pozitif z-ekseni çevresinde pozitif x-ekseninden saat yönünün tersine doğru ölçülürler. (Sol-el kuralı ile belirlenmiş bir koordinat sisteminde Şekil 12.1’deki z-ekseni aşağıyı gösterecekti ve düzlemdeki açılar, pozitif x-ekseninden saat yönünde ölçüldüklerinde pozitif olacaklardı. Bu, xy-düzlemindeki açıları ölçmek için kullandığımız anlaşma değildir. Sağ-el ve sol-el kuralına göre belirlenmiş koordinat sistemleri özdeş değildirler.) Uzaydaki bir P noktasının (x, y, z) Kartezyen koordinatları, P’den geçen ve eksenlere dik olan düzlemlerin eksenleri kestikleri noktalardır. Uzayın Kartezyen koordinatlarına, bunları tanımlayan eksenler dik açılarla kesiştiklerinden, dikdörtgen koordinatlar da denir. x-eksenindeki noktaların y- ve z-koordinatları sıfıra eşittir. Yani koordinatları (x, 0, 0) şeklindedir. Benzer şekilde, y-eksenindeki noktaların koordinatları (0, y, 0) şeklinde ve z-eksenindeki noktaların koordinatları da (0, 0, z) şeklindedir. Koordinat eksenleri tarafından belirlenen düzlemler, standart denklemi z = 0 olan xydüzlemi; standart denklemi x = 0 olan yz-düzlemi ve standart denklemi y = 0 olan xz-düzlemi dir. Bunlar orijin (0, 0, 0) da kesişirler (Şekil 12.2). Orijin ayrıca basit olarak sadece 0 ile ve bazen O harfi ile tanımlanır. Üç koordinat düzlemi x = 0, y = 0 ve z = 0 uzayı sekizde bir bölge adı verilen sekiz hücereye bölerler. Nokta koordinatlarının hepsinin pozitif olduğu sekizde bir bölgeye birinci sekizde bir bölge denir, diğer yedi bölge için belirli bir sayılama yoktur. 12.1 Üç Boyutlu Koordinat Sistemleri 849 x-eksenine dik bir düzlemdeki noktaları hepsinin x-koordinatı, düzlemin x-eksenini kestiği sayı olan aynı x-koordinatıdır. y- ve z- koordinatları herhangi sayılar olabilir. Benzer şekilde, y-eksenine dik bir düzlemdeki noktaların ortak bir y-koordinatı, z-eksenine dik bir düzlemdeki noktaların da ortak bir z-koordinatı vardır. Bu düzlemlerin denklemlerini yazmak için, ortak koordinatıyla isimlendiririz. x = 2 düzlemi x-eksenine x = 2’de dik olan düzlemdir. y = 3 düzlemi y-eksenine y = 3’te dik olan düzlemdir. z = 5 düzlemi z-eksenine z = 5’te dik olan düzlemdir. Şekil 12.3 x = 2, y = 3 ve z = 5 düzlemlerini, kesişim noktaları (2, 3, 5) ile birlikte göstermektedir. z z (0, 0, 5) (2, 3, 5) xz-düzlemi: y 0 y 3, z 5 doğrusu z 5 düzlemi yz-düzlemi: x 0 x 2, z 5 doğrusu x 2 düzlemi xy-düzlemi: z 0 y 3 düzlemi Orijin 0 (0, 3, 0) (2, 0, 0) (0, 0, 0) y y x x x 2, y 3 doğrusu fiEK‹L 12.2 x = 0, y = 0 ve z = 0 düzlemleri uzayı sekiz tane sekizde bir bölgeye bölerler. fiEK‹L 12.3 x = 2, y = 3 ve z = 5 düzlemleri (2, 3, 5) noktasından geçen üç doğru belirlerler. Şekil 12.3’teki x = 2 ve y = 3 düzlemleri z-eksenine paralel bir doğruda kesişirler. Bu doğru x = 2, y = 3 denklem çiftiyle tanımlanır. Bir (x, y, z) noktası ancak ve ancak x = 2 ve y = 3 ise bu doğru üzerindedir. Aynı şekilde, y = 3 ve z = 5 düzlemlerinin kesişim doğrusu y = 3, z = 5 denklem çiftiyle tanımlanır. Bu doğru x eksenine paraleldir. x = 2 ve z = 5 düzlemlerinin y-eksenine paralel olan kesişim doğrusu x = 2, z = 5 denklem çiftiyle tanımlanır. Aşağıdaki örneklerde, koordinat denklemlerini ve eşitsizliklerini tanımladıkları nokta kümeleri ile eşliyoruz. ÖRNEK 1 Denklem ve Eflitsizlikleri Geometrik Olarak Yorumlamak (a) z Ú 0 (b) x = -3 (c) z = 0, x … 0, y Ú 0 (d) x Ú 0, y Ú 0, z Ú 0 (e) -1 … y … 1 (f) y = -2, z = 2 xy-düzleminin üzerinde ve yukarısındaki noktalardan oluşan yarı uzay. x-eksenine x = –3’te dik olan düzlem. Düzlem yz-düzleminin 3 birim gerisinde ve ona paraleldir. xy-düzleminin ikinci dörtte bir bölgesi. Birinci sekizde bir bölge. y = –1 ve y = 1 düzlemleri arasındaki dilim (düzlemler dahil). y = –2 ve z = 2 düzlemlerinin kesiştikleri doğru. Başka bir deyişle, (0, –2, 2) noktasından geçen x-eksenine paralel doğru. 850 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri ÖRNEK 2 z x2 y2 4, z 3 çemberi Denklemleri Çizmek Hangi P(x, y, z) noktaları aşağıdaki denklemleri sağlar? (2, 0, 3) x2 + y2 = 4 (0, 2, 3) ve z=3 Noktalar yatay z = 3 düzleminde bulunurlar ve bu düzlemde x2 + y2 = 4 çemberini oluştururlar. Bu nokta kümesine “z = 3 düzlemindeki x2 + y2 = 4 çemberi” veya daha da basit olarak “x2 + y2 = 4, z = 3 çemberi” deriz (Şekil 12.4). Çözüm z3 düzlemi Uzayda Uzakl›k ve Küreler (0, 2, 0) (2, 0, 0) y xy-düzleminde iki nokta arasındaki uzaklık formülü uzaydaki noktalara genişletilir. x2 y2 4, z 0 x fiEK‹L 12.4 z = 3 düzlemi içindeki x2 + y2 = 4, z = 3 çemberi (Örnek 2) P1(x1, y1, z1) ve P2(x2, y2, z2) Arasındaki Uzaklık ƒ P1 P2 ƒ = 2sx2 - x1 d2 + s y2 - y1 d2 + sz2 - z1 d2 ‹spat Yüzleri koordinat düzlemlerine paralel, P1 ve P2 noktaları karşı köşelerde olan bir dikdörtgensel kutu kurarız (Şekil 12.5). Kutunun şekilde gösterilen köşeleri A(x2, y1, z1) ve B(x2, y2, z1)’ ise kutunun üç kenarı, P1A, AB) ve BP2’nin uzunlukları ƒ P1 A ƒ = ƒ x2 - x1 ƒ , z P1(x1, y1, z1) P2(x2, y2, z2) ƒ AB ƒ = ƒ y2 - y1 ƒ , dir. P1BP2 ve P1AB üçgenlerinin her ikisi de dik açılı olduğundan Pisagor teoremini iki defa uygulamak ƒ P1 P2 ƒ 2 = ƒ P1 B ƒ 2 + ƒ BP2 ƒ 2 0 A(x2, y1, z1) B(x2, y2, z1) y ƒ BP2 ƒ = ƒ z2 - z1 ƒ . ve and ƒ P1 B ƒ 2 = ƒ P1 A ƒ 2 + ƒ AB ƒ 2 verir (Şekil 12.5’e bakın). Dolayısıyla ƒ P1 P2 ƒ 2 = ƒ P1 B ƒ 2 + ƒ BP2 ƒ 2 x = ƒ P1 A ƒ 2 + ƒ AB ƒ 2 + ƒ BP2 ƒ 2 fiEK‹L 12.5 P1 ve P2 arasındaki uzaklığı P1AB ve P1BP2 dik üçgenlerine Pisagor teoremini uygulayarak buluruz. 2 2 2 ƒ P1 B ƒ = ƒ P1 A ƒ + ƒ AB ƒ . yazın = ƒ x2 - x1 ƒ 2 + ƒ y2 - y1 ƒ 2 + ƒ z2 - z1 ƒ 2 = sx2 - x1 d2 + sy2 - y1 d2 + sz2 - z1 d2 Bu yüzden ƒ P1 P2 ƒ = 2sx2 - x1 d2 + sy2 - y1 d2 + sz2 - z1 d2 dir. ÖRNEK 3 ‹ki Nokta Aras›ndaki Uzakl›¤› Bulmak P1(2, 1, 5) ve P2(–2, 3, 0) arasındaki uzaklık ƒ P1 P2 ƒ = 2s -2 - 2d2 + s3 - 1d2 + s0 - 5d2 = 216 + 4 + 25 = 245 L 6.708. olarak bulunur. 12.1 z P0(x0, y0, z0) P(x, y, z) 851 Üç Boyutlu Koordinat Sistemleri Uzaklık formülünü uzayda küre denklemleri yazmak için kullanabiliriz (Şekil 12.6). Bir P(x, y, z) noktası, sadece ƒ P0 P ƒ = a veya sx - x0 d2 + sy - y0 d2 + sz - z0 d2 = a 2 . a olduğunda, P0(x0, y0, z0) merkezli, a yarıçaplı bir kürenin üzerindedir. Yarıçapı a ve Merkezi (x0, y0, z0) Olan Kürenin Standart Denklemi 0 sx - x0 d2 + sy - y0 d2 + sz - z0 d2 = a 2 y x fiEK‹L 12.6 (x0, y0, z0) merkezli ve a yarıçaplı kürenin standart denklemi şöyledir: ÖRNEK 4 Bir Kürenin Merkezini ve Yar›çap›n› Bulmak Aşağıdaki kürenin merkezini ve yarıçapını bulun. x 2 + y 2 + z 2 + 3x - 4z + 1 = 0. sx - x0 d2 + s y - y0 d2 + sz - z0 d2 = a 2 . Çözüm Bir kürenin merkezini ve yarıçapını bir çemberin merkezini ve yarıçapını bulduğumuz gibi buluruz. x-, y- ve z-terimlerini gerekli olduğu şekilde kareye tamamlarız ve her kuadratiği karesi alınmış lineer bir ifade olarak yazarız. Sonra, standart şekildeki denklemden, merkez ve yarıçapı okuruz. Elimizdeki küre için x 2 + y 2 + z 2 + 3x - 4z + 1 = 0 sx 2 + 3xd + y 2 + sz 2 - 4zd = -1 2 2 2 3 3 -4 -4 ax 2 + 3x + a b b + y 2 + az 2 - 4z + a b b = -1 + a b + a b 2 2 2 2 ax + 2 2 3 9 21 b + y 2 + sz - 2d2 = -1 + + 4 = . 2 4 4 buluruz. Bu standart formdan x0 = –3@2, y0 = 0, z0 = 2, ve a = 221>2.’ i okuruz. Merkez (–3/2, 0, 2) ve yarıçap 221>2.’dir. ÖRNEK 5 2 Denklemleri ve Eflitsizlikleri Yorumlamak 2 (a) x + y + z 2 6 4 (b) x 2 + y 2 + z 2 … 4 (c) x 2 + y 2 + z 2 7 4 (d) x 2 + y 2 + z 2 = 4, z … 0 x2 + y2 + z2 = 4 küresinin içi. x2 + y2 + z2 = 4 küresiyle sınırlanan katı top. Başka bir deyişle, içiyle birlikte x2 + y2 + z2 = 4 küresi. x2 + y2 + z2 = 4 küresinin dışı. x2 + y2 + z2 = 4 küresinden xy-düzlemiyle (z = 0 düzlemi) kesilmiş alt yarım küre. Kutupsal koordinatların, xy-düzleminde noktaları yerleştirmek için başka bir yol vermesi gibi (Bölüm 10.5), üç boyutlu uzay için de, burada geliştirilen Kartezyen Koordinat sisteminden farklı alternatif koordinat sistemleri vardır. Bu koordinat sistemlerinden ikisini Bölüm 15.6’da inceleyeceğiz. 852 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri ALIfiTIRMALAR 12.1 25. (1, 3, –1)’den geçen ve aşağıdakilere paralel doğru Kümeler, Denklemler ve Eflitsizlikler 1–12 alıştırmalarında koordinatları, verilen denklem çiftlerini sağlayan, uzaydaki nokta kümelerinin geometrik tanımını verin. 1. x = 2, y = 3 2. x = -1, 3. y = 0, z = 0 4. x = 1, 5. x 2 + y 2 = 4, 2 2 7. x + z = 4, 2 2 2 z = -2 2 8. y + z = 1, y = 0 10. x + y + z = 25, x = 0 z = 0 12. x 2 + s y - 1d2 + z 2 = 4, y = 0 z = 0 14. a. 0 … x … 1 30. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve x = 2, y = 2 ve z = 2 düzlemleriyle sınırlı katı küp. b. x Ú 0, y … 0, b. 0 … x … 1, 0 … y … 1, z = 0 0 … y … 1 0 … z … 1 15. a. x 2 + y 2 + z 2 … 1 b. x 2 + y 2 + z 2 7 1 16. a. x 2 + y 2 … 1, b. x 2 + y 2 … 1, c. x + y 1, 2 2 z = 0 z = 3 z’de kısıtlama yok. 17. a. x 2 + y 2 + z 2 = 1, z Ú 0 b. x 2 + y 2 + z 2 … 1, z Ú 0 18. a. x = y, z = 0 b. x = y z’de kısıtlama yok. 19. Aşağıdaki verilenlere dik düzlem a. (3, 0, 0)’da x-eksenine dik b. (0, –1, 0)’da y-eksenine dik c. (0, 0, –2)’de z-eksenine dik 20. 20. (3, –1, 2)’den geçen ve aşağıdakilere dik düzlem b. y-ekseni c. z-ekseni 21. 21. (3, –1, 1)’den geçen ve aşağıdakilere paralel düzlem a. xy-düzlemi b. yz-düzlemi c. xz-düzlemi 22. 22. (0, 0, 0) merkezli, 2 yarıçaplı şu düzlemlerdeki çember a. xy-düzlemi b. yz-düzlemi c. xz-düzlemi 23. 23. (0, 2, 0) merkezli, 2 yarıçaplı şu düzlemlerdeki çember a. xy-düzlemi b. yz-düzlemi c. y = 2 düzlemi 24. 24. (–3, 4, 1) merkezli, 1 yarıçaplı ve şu düzlemlere paralel çember a. xy-düzlemi b. yz-düzlemi 31. xy-düzleminde ve altında bulunan noktalardan oluşan yarım uzay. 32. Merkezi orijinde olan 1 yarıçaplı kürenin üst yarıküresi. 33. Merkezi (1, 1, 1)’de olan 1 yarıçaplı kürenin (a) içi ve (b) dışı. 34. Merkezleri orijinde olan 1 ve 2 yarıçaplı kürelerle sınırlı kapalı bölge. (Kapalı kürelerin de dahil edilmesi gerektiği anlamına gelir. Küreleri dışarıda bırakmak isteseydik, kürelerle sınırlı açık bölgeyi isterdik. Bu açık ve kapalı aralıkları tanımlamamıza benzer: kapalı uç noktalar dahil, açık uç noktalar dışarıda bırakılmış anlamına gelir. Kapalı kümeler sınırları içerir, açık kümeler bunları dışarıda bırakır.) Uzakl›k 19-28 alıştırmalarında, verilen kümeyi tek bir denklem veya bir denklem çiftiyle tanımlayın. a. x-ekseni 28. 28. Uzayda (0, 0, 1) noktasından 2 birim ve, aynı zamanda, (0, 0, –1) noktasından 2 birim uzakta bulunan noktalar kümesi. 29. z = 0 ve z = 1 düzlemleriyle sınırlı dilim (düzlemler dahil). 13–18 alıştırmalarında, koordinatları verilen eşitsizlikleri veya denklem ve eşitsizlik kombinasyonlarını sağlayan uzaydaki nokta kümelerini tanımlayın. c. 0 … x … 1, 26. Uzayda orijinden ve (0, 2, 0) noktasından eşit uzaklıklı noktalar kümesi. 29–34 alıştırmalarındaki kümeleri tanımlayacak eşitsizlikleri yazın. y = -4 11. x 2 + y 2 + sz + 3d2 = 25, y Ú 0, c. z-ekseni x = 0 2 13. a. x Ú 0, b. y-ekseni 27. (1, 1, 3) noktasından geçen ve z-eksenine dik düzlemle, merkezi orijinde olan 5 yarıçaplı kürenin kesiştiği çember. y = 0 6. x 2 + y 2 = 4, z = 0 9. x 2 + y 2 + z 2 = 1, z = 0 a. x-ekseni c. xz-düzlemi 35–40 alıştırmalarında, P1 ve P2 noktaları arasındaki uzaklığı bulun. 35. P1s1, 1, 1d, P2s3, 3, 0d 36. P1s -1, 1, 5d, P2s2, 5, 0d 37. P1s1, 4, 5d, P2s4, -2, 7d 38. P1s3, 4, 5d, P2s2, 3, 4d 39. P1s0, 0, 0d, P2s2, -2, -2d 40. P1s5, 3, -2d, P2s0, 0, 0d Küreler 41–44 alıştırmalarındaki kürelerin merkezlerini ve yarıçaplarını bulun. 41. sx + 2d2 + y 2 + sz - 2d2 = 8 42. ax + 2 2 2 1 1 1 21 b + ay + b + az + b = 2 2 2 4 43. A x - 22 B 2 + A y - 22 B 2 + A z + 22 B 2 = 2 44. x 2 + ay + 2 2 29 1 1 b + az - b = 3 3 9 45–48 alıştırmalarında merkez ve yarıçapları verilmiş olan kürelerin denklemlerini bulun. 12.2 Merkez Vektörler 853 Yarıçap Teori ve Örnekler 45. (1, 2, 3) 214 46. s0, -1, 5d 2 53. P(x, y, z) noktasından aşağıdakilere olan uzaklığın formülünü bulun. 47. s -2, 0, 0d 23 48. s0, -7, 0d 7 a. x-ekseni 49–52 alıştırmalarındaki kürelerin merkez ve yarıçaplarını bulun. 49. x 2 + y 2 + z 2 + 4x - 4z = 0 c. z-ekseni a. xy-düzlemi b. yz-düzlemi 55. Köşeleri, A( –1, 2, 1), 50. x 2 + y 2 + z 2 - 6y + 8z = 0 c. xz-düzlemi B(1, –1, 3) ve C(3, 4, 5) olan üçgenin çevresini bulun. 51. 2x 2 + 2y 2 + 2z 2 + x + y + z = 9 56. P(3, 1, 2) noktasının A(2, –1, 3) ve B(4, 3, 1) noktalarına eşit uzaklıkta olduğunu gösterin. 52. 3x 2 + 3y 2 + 3z 2 + 2y - 2z = 9 12.2 b. y-ekseni 54. P(x, y, z) noktasından aşağıdakilere olan uzaklığın formülünü bulun. Vektörler Ölçtüğümüz şeylerin bazıları büyüklükleriyle belirlenirler. Örneğin, kütle, uzunluk veya zamanı kaydetmek için, sadece bir sayı yazmamız ve uygun bir ölçüm birimi adlandırmamız gerekir. Fakat bir kuvveti, yer değiştirmeyi veya hızı tanımlamak için daha fazla bilgiye ihtiyacımız var. Bir kuvveti tanımlamak için, ne kadar büyük olduğunun yanı sıra, hangi yönde etkidiğini de kaydetmemiz gerekir. Bir cismin yer değiştirmesini tanımlamak için, ne kadar uzağa gittiğinin yanı sıra, hangi yönde yer değiştirdiğini de bilmemiz gereklidir. Bir cismin hızını tanımlamak için, ne kadar süratli gittiğinin yanı sıra, ne tarafa gittiğini de bilmemiz gereklidir. Bitiş noktası B Başlangıç noktası AB A fiEK‹L 12.7 1 AB . yönlü doğru parçası Bileflen Formu Kuvvet, yer değiştirme veya hız gibi bir nicelik vektör olarak adlandırılır ve bir yönlü doğru parçası ile temsil edilir (Şekil 12.7). Ok hareketin yönünü işaret eder. Uzunluğu da uygun şekilde seçilmiş bir birimle hareketin büyüklüğünü verir. Örneğin, bir kuvvet vektörü kuvvetin etkidiği yönü gösterir; uzunluğu da kuvvetin gücünün bir ölçüsüdür; bir hız vektörü hareketin yönünü gösterir, uzunluğu da hareket eden cismin süratidir. Şekil 12.8, düzlemde veya uzayda bir yol boyunca hareket eden bir parçacığın belirli bir noktadaki hız vektörü v’yi göstermektedir. (Vektörlerin bu uygulaması Bölüm 13’te incelenmektedir.) y z v v 0 x 0 (a) iki boyut x y (b) üç boyut fiEK‹L 12.8 (a) düzlemde (b) uzayda bir yol boyunca hareket eden bir parçacığın hız vektörü. Yol içindeki ok parçacığın hareketinin yönünü göstermektedir. 854 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri y B A Vektör, Bafllang›ç ve Bitifl Noktas›, Uzunluk TANIMLAR 1 Düzlemde bir vektör yönlü bir doğru parçasıdır. AB yönlü doğru parçasının 1 başlangıç noktası A ve bitiş noktası B dir; uzunluğu u AB u ile gösterilir. İki vektörün yönleri ve büyüklükleri aynıysa, bu vektörler eşittir. D C P O x F E fiEK‹L 12.9 Burada gösterilen düzlemdeki dört ok (yönlü doğru parçaları) aynı uzunlukta ve yöndedir. Dolayısıyla aynı vektörü temsil ederler ve 1 1 1 1 AB = CD = OP = EF . yazarız. z P(x1, y1, z1) 0 Q(x2, y2, z2) PQ’nun konum vektörü v 具v1, v2, v3典 v2 x (v1, v2, v3) v3 v1 y 1 fiEK‹L 12.10 Standart konumdaki bir PQ vektörünün başlangıç noktası orijindedir. 1 PQ yönlü doğru parçası ve v paralel ve aynı yöndedirler. Vektörleri çizerken kullandığımız okların uzunlukları aynıysa, paralelseler ve aynı yönü gösteriyorlarsa, başlangıç noktalarına bakılmaksızın, aynı vektörü temsil ettikleri anlaşılır (Şekil 12.9). Ders kitaplarda, vektörler genellikle küçük, koyu harflerle yazılırlar. Örneğin, u, v ve w gibi. Bazen, bir kuvvet vektörünü belirtmek için F gibi büyük, koyu harfler kullanırız. u, s y, w El yazısında, harflerin üzerine küçük oklar çizmek gelenek olmuştur. Örneğin, s s , ve s . gibi. F Bir vektörün yönü konusunda daha emin olabilmek için, vektörleri cebirsel olarak temsil etmenin bir yoluna gereksinim duyarız. 1 1 v = PQ . olsun. PQ’ya eşit ve başlangıç noktası orijinde olan yalnız bir doğru parçası vardır (Şekil 12.10). Bu doğru parçası, v’nin standart konumdaki temsilcisi ve normalde v vektörünü temsil etmek için kullanacağımız vektördür. Standart konumda olduğunda v’yi bitiş noktasının sv1, v2 , v3 d koordinatlarını yazarak belirtebiliriz. Düzlemde bir v vektörünün sv1, v2 d bitiş noktasının iki koordinatı vardır. TANIMLAR Bileflen Formu v vektörü düzlemde, başlangıç noktası orijinde ve bitiş noktası (v1, v2)’de olan vektöre eşit, iki-boyutlu bir vektör ise v’nin bileşen formu v = 8v1, v29. dir. v vektörü, başlangıç noktası orijinde ve bitiş noktası (v1, v2, v3)’de olan vektöre eşit, üç-boyutlu bir vektör ise v’nin bileşen formu v = 8v1, v2 , v39. dir. Dolayısıyla, iki boyutlu bir vektör bir v = 8v1, v29 reel sayı ikilisi, üç boyutlu bir vektör bir v = 8v1, v2 , v39 reel sayı üçlüsüdür. v1, v2 ve v3 sayılarına v’nin bileşenleri denir. Şunu gözleyin, v = 8v1, v2 , v39 vektörü, başlangıç noktası Psx1, y1, z1 d ve bitiş noktası olan Q2(x2, y2, z2) yönlü doğru parçası ile temsil edilirse x1 + v1 = x2, y1 + v2 = y2 ve 1 z1 + v3 = z2 dir (Şekil 12.10’a bakın). Böylece, PQ’nun bileşenleri v1 = x2 – x1, v2 = y2 – y1 ve v3 = z2 – z1 dir. 1 Özet olarak, Psx1, y1, z1 d ve Qsx2 , y2 , z2 d, noktaları verildiğinde PQ ’ya eşit standart konumdaki vektör v = 8x2 - x1, y2 - y1, z2 , -z19. dir. Düzlemde Psx1, y1 d ve Qsx2 , y2 d noktaları ile iki boyutlu bir v vektörü için v = 8x2 - x1, y2 - y19. dir. Düzlemsel vektörlerin üçüncü bileşenleri yoktur. Bu anlayış ile vektör cebrini üç boyutlu vektörler için geliştireceğiz ve iki boyutlu vektörler (düzlemsel bir vektör ) için basitçe üçüncü bileşeni sileceğiz. 12.2 Vektörler 855 İki vektör ancak ve yalnız standart konum vektörleri özdeş ise eşittir. Böylece, 8u1, u2 , u39 ve 8v1, v2 , v39 ancak ve yalnız u1 = v1, u2 = v2 ve u3 = v3 ise eşittir. 1 PQ vektörünün büyüklüğü veya uzunluğu, kendisini temsil eden herhangi bir yönlü 1 doğru parçasının uzunluğudur. Özel olarak, PQ vektörünün standart konum vektörü v = 8x2 - x1, y2 - y1, z2 - z19 ise uzaklık formülü v’nin, ƒ v ƒ veya ƒ ƒ v ƒ ƒ . ile gösterilen, büyüklüğünü veya uzunluğunu verir. 1 v = PQ vektörünün büyüklüğü veya uzunluğu negatif olmayan ƒ v ƒ = 2v12 + v22 + v32 = 2sx2 - x1 d2 + s y2 - y1 d2 + sz2 - z1 d2 reel sayısıdır. (Şekil 12.10’a bakın.) Uzunluğu sıfır olan tek vektör sıfır vektör 0 = 0, 0 veya 0 = 0, 0, 0 dır. Bu vektör aynı zamanda belirli bir yönü olmayan tek vektördür. ÖRNEK 1 Bir Vektörün Bileflen Formu ve Uzunlu¤u Başlangıç noktası P(–3, 4, 1) ve Q(–5, 2, 2) bitiş noktası olan vektörün (a) bileşen formunu ve (b) uzunluğunu bulunuz. Çözüm 1 (a) PQ’yu temsil eden v standart konum vektörünün bileşenleri v2 = y2 – y1 = 2 – 4 = –2 v1 = x2 – x1 = –5 – (– 3) = –2, ve v3 = z2 – z1 = 2 – 1 = 1 1 dir. PQ’nun bileşen formu v = –2, –2, 1 dir. 1 (b) v = PQ’nun büyüklük veya uzunluğu y ƒ v ƒ = 2s -2d2 + s -2d2 + s1d2 = 29 = 3. dir. F = 具a, b典 45 x ÖRNEK 2 Bir Arabay› Hareket Ettiren Kuvvet Küçük bir araba, düzgün yatay bir zemin üzerinde zeminle 45°’lik açı yapan 20 lb’lik bir F kuvvetiyle çekiliyor (Şekil 12.11). Arabayı ileri doğru çeken etkin kuvvet nedir? fiEK‹L 12.11 Arabayı öne doğru çeken kuvvet yatayla (pozitif x-ekseni) 45°’lik açı yapan 20 lb’lik bir F vektörü ile temsil edilmektedir ( Örnek 2). Çözüm Etkin kuvvet, F = a, b’nin a = ƒ F ƒ cos 45° = s20d a 22 b L 14.14 lb. 2 ile verilen yatay bileşenidir. F’nin iki boyutlu bir vektör olduğuna dikkat edin. 856 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Vektör Cebri ‹fllemleri Vektörleri içeren iki temel işlem vektör toplamı ve skaler çarpım dır. Bir skaler basit olarak bir reel sayıdır. Vektörlerden farkını vurgulamak istediğimizde bu şekilde adlandırılır. Skalerler pozitif, negatif veya sıfır olabilirler. TANIMLAR Vektör Toplam› ve bir Vektörün bir Skalerle çarp›m› u = 8u1, u2 , u39 ve v = 8v1, v2 , v39 vektörler, k bir skaler olsun. Toplama: u + v = u1 + v1, u2 + v2, u3 + v3 Skalerle Çarpım: ku = ku1, ku2, ku3 Vektörleri, karşılıklı bileşenlerini toplayarak toplarız. Bir vektörü bir skalerle çarpmak için vektörün her bileşenini bu skalerle çarparız. Tanımlar düzlemsel vektörlere de uygulanır. Fark sadece iki bileşenin olmasıdır; u1, u2 ve v1, v2. Vektör toplama tanımı Şekil 12.12a’da geometrik olarak gösterilmiştir. Burada bir vektörün başlangıç noktası diğerinin bitiş noktasına yerleştirilmiştir. Başka bir yorum Şekil 12.12b’de gösterilmiştir (toplamın paralelkenar kuralı). Toplam vektöre sonuç vektör denir ve paralelkenarın köşegenidir. Fizikte kuvvetler, hızlar, ivmeler v.s. vektörel olarak toplanırlar. Böylece, elektrik ve yer çekiminden dolayı bir parçacığa etki eden kuvvet bu iki kuvvet vektörünü toplayarak elde edilir. y y 具u1 v1, u2 v2典 v2 v u+v u+v v v1 u u u2 0 x u1 (a) fiEK‹L 12.12 kuralı. x 0 (b) (a) Vektör toplamının geometrik yorumu (b) Vektör toplamının paralelkenar Şekil 12.13 u vektörünün ve k skalerinin k u çarpımının bir geometrik yorumunu göstermektedir. k 0 ise k u’nun yönü u’nun yönü ile aynıdır; k 0 ise ku’nun yönü u’nun yönü ile terstir. u ile ku’nun uzunluklarını karşılaştırdığımızda 1.5u 2 2 2 ƒ ku ƒ = 2sku1 d2 + sku2 d2 + sku3 d2 = 2k 2su 1 + u 2 + u 3 d u fiEK‹L 12.13 2u –2u u’nun skaler katları. = 2k 2 2u 12 + u 22 + u 32 = ƒ k ƒ ƒ u ƒ . olduğunu görürüz. k u’nun uzunluğu k skalerinin mutlak değeri defa u vektörünün uzunluğudur. (–1)u = –u vektörünün uzunluğu u vektörünün uzunluğu ile aynı fakat yönü u’nun yönü ile terstir. 12.2 Vektörler 857 İki vektörün u – v farkı ile uv u – v = u + (–v) v ifadesini kastediyoruz. u = u1, u2, u3 ve v = v1, v2, v3 ise u - v = 8u1 - v1, u2 - v2, u3 - v39 u (a) dir. (u – v) + v = u olduğuna ve dolayısıyla v vektörüne (u – v) vektörünü eklemenin u vektörünü verdiğine dikkat edin ( Şekil 12.14a ). Şekil 12.14b, u – v farkını u + (–v) toplamı olarak göstermektedir. v ÖRNEK 3 Vektörler Üzerinde ‹fllemler u = –1, 3, 1 ve v = 4, 7, 0 verilsin. u –v u (–v) (a) 2u + 3v (b) u - v (c) ` 1 u` . 2 vektörlerini bulunuz. (b) Çözüm fiEK‹L 12.14 (a) u – v vektörü, v’ye eklendiğinde u’yu verir. (b) u – v u + (–v) (a) 2u + 3v = 28-1, 3, 19 + 384, 7, 09 = 8-2, 6, 29 + 812, 21, 09 = 810, 27, 29 (b) u - v = 8-1, 3, 19 - 84, 7, 09 = 8-1 - 4, 3 - 7, 1 - 09 = 8-5, -4, 19 (c) ` 2 2 2 3 1 1 3 1 1 1 1 u ` = ` h- , , i ` = a- b + a b + a b = 211. 2 2 2 2 2 2 2 2 C Sıradan aritmetiğin bir çok özelliği vektör işlemleri için de geçerlidir. Bu özellikler vektör toplamı ve bir skalerle çarpım tanımları kullanılarak kolayca gerçeklenebilir. Vektör İşlemlerinin Özellikleri u, v, w vektörler ve a, b skalerler olsun. 1. 3. 5. 7. 9. u + v = v + u u + 0 = u 0u = 0 asbud = sabdu sa + bdu = au + bu 2. su + vd + w = u + sv + wd 4. u + s -ud = 0 6. 1u = u 8. asu + vd = au + av Vektör işlemlerinin önemli bir uygulaması havacılıkta ortaya çıkar. ÖRNEK 4 Yere Göre Sürat ve Yön Bulmak Durgun havada doğuya doğru 500-mil/sa ile uçmakta olan bir Boeing® 767® uçağı, doğunun 60° kuzeyi yönünde 70-mil/sa ile esen bir kuyruk rüzgarı ile karşılaşıyor. Uçak pusulasını doğuyu gösterir şekilde tutuyor, fakat rüzgardan dolayı yeni bir sürat ve yön kazanıyor. Bunlar nelerdir? 858 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Çözüm u = uçağın hızı ve v = kuyruk rüzgarının hızı ise, u uu = 500 ve u vu = 70 tir (Şekil 12.15). Uçağın yere göre hızı, u + v sonuç vektörünün büyüklüğü ve yönü ile verilmiştir. Pozitif x-ekseni ile doğuyu ve pozitif y-ekseni ile kuzeyi temsil edersek, u ve v’nin bileşen formları N v 30˚ 70 uv u 500 u = 8500, 09 E u v = 870 cos 60°, 70 sin 60°9 = 835, 35239. ve and olur. Bu nedenle u + v = 8535, 35239 ÖLÇEKLİ DEĞİL fiEK‹L 12.15 Örnek 4’te uçağın u ve rüzgarın v hızlarını temsil eden vektörler. ƒ u + v ƒ = 25352 + s3513d2 L 538.4 ve u = tan-1 3523 L 6.5°. 535 Şekil 12.15 olur. Uçağın yere göre yeni sürati yaklaşık olarak 538.4 mil/sa ve yeni yönü 6.5° kuzey doğu dur. Birim Vektörler Uzunluğu 1 olan bir v vektörüne birim vektör denir. Standart birim vektörler i = 81, 0, 09, j = 80, 1, 09, ve and k = 80, 0, 19. dir. Herhangi bir v = v1, v2, v3 vektörü, standart birim vektörlerin bir lineer birleşimi olarak aşağıdaki şekilde yazılabilir: v = 8v1, v2 , v39 = 8v1, 0, 09 + 80, v2 , 09 + 80, 0, v39 = v181, 0, 09 + v280, 1, 09 + v380, 0, 19 z OP2 x2i y2j z2k = v1 i + v2 j + v3 k. P2(x2, y2, z2) v1 skalerine (veya sayısına) v vektörünün i-bileşeni, v2’ye j-bileşeni ve v3’e kbileşeni deriz. Bileşen formunda P1x1, y1, z1’den P2x2, y2, z2’ye vektörü 1 P1 P2 = sx2 - x1 di + s y2 - y1 dj + sz2 - z1 dk k O dir (Şekil 12.16). v 0 ise, uzunluğu ƒ v ƒ sıfır değildir ve P1P2 j i y x ` P1(x1, y1, z1) 1 1 v` = ƒ v ƒ = 1. ƒvƒ ƒvƒ OP1 x1i y1j z1k fiEK‹L 12.16 P1’den P2’ye vektörü 1 P1 P2 = sx2 - x1 di + s y2 - y1 dj + sz2 - z1 dk. dır. olur. Yani, v> ƒ v ƒ vektörü v yönünde bir birim vektördür. Bu vektöre sıfırdan farklı v vektörünün yönü denir. ÖRNEK 5 Bir Vektörün Yönünü Bulmak P1(1, 0, 1)’den P2(3, 2, 0)’a giden vektör yönünde bir u birim vektörü bulun. 12.2 Çözüm Vektörler 859 1 P1 P2’yi uzunluğuyla böleriz: 1 P1 P2 = s3 - 1di + s2 - 0dj + s0 - 1dk = 2i + 2j - k 1 ƒ P1 P2 ƒ = 2s2d2 + s2d2 + s -1d2 = 24 + 4 + 1 = 29 = 3 1 2i + 2j - k P1 P2 2 1 2 u = 1 = = i + j - k. 3 3 3 3 ƒ P1 P2 ƒ 1 u birim vektörü P1 P2 ’nin yönüdür. ÖRNEK 6 H›z’› Süratin ve Yönün Çarp›m› Olarak ‹fade Etmek v = 3i – 4j bir hız vektörü ise, v’yi uzunluğunun ve hareket yönündeki bir birim vektörü çarpımı olarak ifade edin. Çözüm TARİHSEL BİYOGRAFİ Sürat, v’nin büyüklüğü (uzunluğu) dur: ƒ v ƒ = 2s3d2 + s -4d2 = 29 + 16 = 5. v> ƒ v ƒ birim vektörü v ile aynı yöndedir: Hermann Grassmann (1809–1877) 3i - 4j v 3 4 = = i - j. 5 5 5 ƒvƒ Dolayısıyla, 3 4 v = 3i - 4j = 5 a i - jb . 5 5 (')'* Uzunluk (Sürat) Hareketin yönü v yazarak sıfırdan farklı herhangi bir v vektörünü, iki önemli v ƒ ƒ özelliği, uzunluk ve yönü cinsinden ifade edebiliriz. Özet olarak, v = ƒ v ƒ v 0 ise, v 1. v, yönünde bir birim vektördür; ƒvƒ v 2. v = ƒ v ƒ vektörü v’yi uzunluğu ve yönü cinsinden ifade eder. v ƒ ƒ ÖRNEK 7 Bir Kuvvet Vektörü 6 Newton’luk bir kuvvet v = 2i + 2j – k vektörü yönünde uygulanıyor. F kuvvetini büyüklüğünün ve yönünün bir çarpımı olarak ifade edin. v Çözüm Kuvvet vektörünün büyüklüğü 6 ve yönü , dir. Dolayısıyla, ƒvƒ 2i + 2j - k 2i + 2j - k v F = 6 = 6 = 6 2 2 2 3 ƒvƒ 22 + 2 + s -1d 2 2 1 = 6 a i + j - kb . 3 3 3 dir. 860 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Bir Do¤ru Parças›n›n Orta Noktas› Vektörler çoğunlukla geometride faydalıdırlar. Örneğin, bir doğru parçasının orta noktasının koordinatları ortalama almakla bulunur. P1(x1, y1, z1) ve P2(x2, y2, z2) noktalarını birleştiren doğru parçasının orta noktası M x1 + x2 y1 + y2 z1 + z2 a , , b. 2 2 2 noktasıdır. Nedenini anlamak için, P1(x1, y1, z1) ⎛ x x2 y1 y2 z1 z2 ⎛ , , M⎝ 1 2 2 2 ⎝ P2(x2, y2, z2) 1 1 1 1 1 1 1 1 OM = OP1 + sP1 P2 d = OP1 + sOP2 - OP1 d 2 2 1 1 1 sOP1 + OP2 d 2 y1 + y2 x1 + x2 z1 + z2 = i + j + k. 2 2 2 olduğunu gözleyin (Şekil 12.17) = ÖRNEK 8 Orta Noktalar› Bulmak O P1(3, –2, 0) ve P2(7, 4, 4) noktalarını birleştiren doğru parçasının orta noktası fiEK‹L 12.17 Orta noktasının koordinatları, P1 ve P2 koordinatlarının ortalamasıdır. a 3 + 7 -2 + 4 0 + 4 , , b = s5, 1, 2d. 2 2 2 noktasıdır. ALIfiTIRMALAR 12.2 13. Pozitif x-ekseni ile u = 2p>3 açısını yapan birim vektör Düzlemde Vektörler 1–8 alıştırmalarında u = 3, –2 ve v = –2, 5 olsun. Vektörün (a) bileşen formunu ve (b) büyüklüğünü (uzunluğunu) bulun. 1. 3u 2. -2v 3. u + v 4. u - v 5. 2u - 3v 6. -2u + 5v 3 4 7. u + v 5 5 8. - 5 12 u + v 13 13 9–16 alıştırmalarında vektörün bileşen formunu bulun. 1 9. P = (1, 3) ve Q = (2, –1) olmak üzere PQ , vektörü 10. O orijin ve P, R = (2, –1) ve S = (–4, 3) noktalarını birleştiren RS 1 doğru parçasının orta noktası olmak üzere, OP vektörü 11. A = s2, 3d noktasından orijine olan vektör 1 12. A = (1, –1), B = (2, 0), C = (–1, 3) ve D = (–2, 2) olmak üzere AB 1 ve CD ,’nin toplamı 14. Pozitif x-ekseni ile u = -3p>4 açısını yapan birim vektör 15. 0, 1 vektörünü orijin etrafında saat yönünün tersine 120° çevirmekle elde edilen birim vektör 16. 1, 0 vektörünü orijin etrafında saat yönünün tersine 135° çevirmekle elde edilen birim vektör Uzayda Vektörler 17–22 alıştırmalarında her vektörü v = v1i + v2j + v3k formunda ifade edin. 1 17. P1 = (5, 7, –1) noktası ve P2 = (2, 9, –2) noktası ise P1 P2 1 18. P1 = (1, 2, 0) noktası ve P2 = (–3, 0, 5) noktası ise P1 P2 1 19. A = (–7, –8, 1) noktası ve B = (–10, 8, 1) noktası ise AB 1 20. A = (1, 0, 3) noktası ve B = (–1, 4, 5) noktası ise AB 21. u = 81, 1, -19 ve v = 82, 0, 39 ise 5u - v 22. u = 8-1, 0, 29 ve v = 81, 1, 19 ise -2u + 3v 12.2 Vektörler 861 32. Uzunluğu ve yönü verilen vektörleri bulun. Hesaplamayı, yazmadan yapmayı deneyin. Geometri ve Hesaplama 23–24 alıştırmalarında belirtilen vektörü çizmek için vektörleri gerektiği şekilde uç uca ekleyin. 23. w u v a. u + v b. u + v + w c. u - v d. u - w Uzunluk Yön a. 7 -j 3 4 - i - k b. 22 5 5 13 3 4 12 c. i j k 12 13 13 13 1 1 1 d. a 7 0 i + j k 22 23 26 33. v = 12i – 5k yönünde, büyüklüğü 7 olan bir vektör bulun. 34. v = (1@2)i – (1@2)j – (1@2)k’nın ters yönünde, büyüklüğü 3 olan bir vektör bulun. 24. Noktalarla Belirlenen Vektörler; Orta Noktalar v 35–38 alıştırmalarında 1 a. P1 P2’nin yönünü ve u b. P1P2 doğru parçasının orta noktasını bulun. P2s2, 5, 0d w a. u - v b. u - v + w c. 2u - v d. u + v + w P2s4, -2, 7d 37. P1s3, 4, 5d P2s2, 3, 4d P2s2, -2, -2d 38. P1s0, 0, 0d 1 39. AB = i + 4j - 2k ve B = (5, 1, 3) ise A’yı bulun. 1 40. AB = -7i + 3j + 8k ve A = (–2, –3, 6) ise B’yi bulun. Teori ve Uygulamalar Uzunluk ve Yön 25–30 alıştırmalarında her vektörü uzunluğunun ve yönünün bir çarpımı olarak ifade edin. 25. 2i + j - 2k 26. 9i - 2j + 6k 3 4 27. 5k 28. i + k 5 5 j 1 i 1 1 k i j k + + 29. 30. 26 26 26 23 23 23 31. Uzunluğu ve yönü verilen vektörleri bulun. Hesaplamayı, yazmadan yapmayı deneyin. Uzunluk Yön a. 2 i b. 23 1 c. 2 -k 3 4 j + k 5 5 3 6 2 i - j + k 7 7 7 d. 7 35. P1s -1, 1, 5d 36. P1s1, 4, 5d 41. Lineer Birleşim u = 2i + j, v = i + j ve w = i – j olsun. u = av + bw olacak şekilde a ve b skalerleri bulun. 42. Lineer Birleşim u = i – 2j, v = 2i + 3j ve w = i + j olsun u1 vektörü v’ye paralel u2 vektörü w’ya paralel olmak üzere u = u1 + u2 olarak yazın (Alıştırma 41’e bakın). 43. Kuvvet vektörü Bir bavulu (aşağıda çizili) büyüklüğü uFu = 10 lb olan bir kuvvetle çekiyorsunuz. F’nin i- ve j- bileşenlerini bulun. F 30° 44. Kuvvet vektörü Bir uçurtma ipi, uçurtmaya yatayla 45°’lik bir açı yapan 12 lb’luk (uFu = 12) bir kuvvet uygulamaktadır. F’nin yatay ve dikey bileşenlerini bulun. 862 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri c. ΔABC’nin kenarortalarının kesiştikleri noktanın koordinatlarını bulun. Bölüm 6.4, Alıştırma 29’a göre, bu nokta plakanın kütle merkezidir. 45° F z C(1, 1, 3) 45. Hız Bir uçak kuzeyin 25° batısı yönünde 800 km@sa ile uçuyor. Pozitif x-ekseninin doğuyu ve pozitif y-ekseninin kuzeyi gösterdiğini kabul ederek uçağın hızının bileşen formunu bulun. 46. Hız Bir uçak güneyin 10° doğusu yönünde 600 km@sa ile uçuyor. Pozitif x-ekseninin doğuyu ve pozitif y-ekseninin kuzeyi gösterdiğini kabul ederek uçağın hızının bileşen formunu bulun. 47. Konum Bir kuş yuvasından doğunun 60° kuzeyi yönünde 5 km uçuyor ve buradaki bir ağaçta durup dinleniyor. Sonra 10 km güneydoğuya uçarak bir telefon direğinde duruyor. Orijini kuşun yuvası olan, x-ekseninin doğuyu, y-ekseninin kuzeyi gösterdiği bir xy-koordinat sistemi çizin. a. Ağaç hangi noktadadır? b. Telefon direği hangi noktadadır? 48. P1(x1, y1, z1) noktasından P2(x2, y2, z2) noktasına olan doğru parçasını p@q = r oranı ile iki uzunluğa bölen Q noktasının koordinatlarını bulmak için benzer üçgenler kullanın. 49. Bir üçgenin kenarortayları A, B ve C’nin aşağıda gösterilen sabit yoğunluklu ince üçgen plakanın köşe noktaları olduğunu varsayın. a. C’den AB kenarının orta noktası M’ye giden vektörü bulun. b. C’den, CM kenarortayında C’den M’ye olan uzaklığın üçte ikisinde bulunan noktaya giden vektörü bulun. 12.3 y B(1, 3, 0) M x A(4, 2, 0) 50. Orijinden, köşeleri A(1, –1, 2), B(2, 1, 3) ve C(–1, 2, –1) olan üçgenin kenarortalarının kesiştikleri noktaya giden vektörü bulun. 51. ABCD uzayda genel, düzlemsel olması gerekmeyen bir dört kenarlı olsun. ABCD’nin karşılıklı kenarlarının orta noktalarını birleştiren iki doğrunun birbirlerini kestiğini gösterin. (İpucu: Doğru parçalarının orta noktalarının aynı olduğunu gösterin.) 52. Düzlemde, düzgün bir n-kenarlı çokgenin merkezinden çokgenin köşelerine vektörler çiziliyor. Vektörlerin toplamının sıfır olduğunu gösterin. (İpucu: Çokgeni, merkezi etrafında döndürdüğünüzde toplam ne olur?) 53. A, B ve C’nin bir üçgenin köşeleri olduğunu ve a, b ve c’nin, sırasıyla bunların karşılarındaki kenarların orta noktaları olduğunu 1 1 1 varsayın. Aa + Bb + Cc = 0 . olduğunu gösterin. 54. Düzlemde birim vektörler Düzlemde bir birim vektörün, i vektörünü saat yönünün tersine u açısı kadar çevirmekle elde edilen u = (cos u)i + (sin u)j vektörü olarak yazılabileceğini gösterin. Nokta Çarp›m› (Skaler Çarp›m) F u c.m. v Uzunluk ⎥ F⎥ cos u fiEK‹L 12.18 F kuvvetinin v vektörü yönündeki büyüklüğü, F’nin v vektörü üzerine izdüşümünün ƒ F ƒ cos u uzunluğudur. Bir yol boyunca hareket eden bir parçacığa bir F kuvveti uygulandığında, çoğunlukla kuvvetin hareket yönündeki büyüklüğünü bilmek ihtiyacını duyarız. v vektörü F’nin uygulandığı noktada yol’un teğet doğrusuna paralel ise F’nin v yönündeki büyüklüğünü isteriz. Şekil 12.18 aradığımız skalerin, F ile v vektörleri arasındaki açı u olmak üzere, ƒ F ƒ cos u, uzunluğu olduğunu göstermektedir. Bu bölümde, iki vektör arasındaki açının, bileşenlerinden doğrudan nasıl kolayca hesaplanabileceğini göstereceğiz. Hesaplamanın anahtar parçası, nokta çarpımı denen bir ifadedir. Nokta çarpımlarına ayrıca, çarpımın sonucunun vektör değil skaler olmasından dolayı, iç veya skaler çarpımlar da denir. Nokta çarpımını inceledikten sonra, bunu bir vektörün başka bir vektör üzerine izdüşümünü (Şekil 12.18’de gösterildiği gibi) bulmak için ve bir yer değiştirme boyunca etki eden sabit bir kuvvetin yaptığı işi bulmak için kullanacağız. 12.3 Nokta Çarp›m› (Skaler Çarp›m) 863 Vektörler Aras›ndaki Aç› Sıfırdan faklı iki u ve v vektörü başlangıç noktaları çakışacak şekilde yerleştirildiğinde, 0 u p ölçülü bir u açısı oluştururlar (Şekil 12.19). Vektörler aynı doğru üzerinde değil ise u açısı her iki vektörü de içeren düzlem içinde ölçülür. Aynı doğru üzerinde iseler ve aynı yönü gösteriyorlarsa aralarındaki açı 0, ters yönü gösteriyorlarsa aralarındaki açı p’dir. u açısı u ile v arasındaki açıdır. Teorem 1 bu açıyı belirlemek için bir formül verir. v u u fiEK‹L 12.19 u ve v vektörleri arasındaki açı. TEOREM 1 ‹ki Vektör Aras›ndaki Aç› Sıfırdan farklı u = u1, u2, u3 ve v = v1, v2, v3 vektörleri arasındaki u açısı u = cos-1 a u1 v1 + u2 v2 + u3 v3 b. ƒuƒ ƒvƒ ile verilir. Teorem 1’i ispat etmeden önce ( Kosinüs Teoreminin bir sonucudur) dikkatimizi u1v1 + u2v2 + u3v3’nın hesaplanmasındaki u ifadesine odaklayalım. TANIM Nokta Çarp›m› u = 8u1, u2 , u39 ve v = 8v1, v2 , v39 vektörlerinin u ⋅ v (“u nokta v”) nokta çarpımı u v = u1v1 + u2v2 + u3v3 dir. ÖRNEK 1 Nokta Çarp›m›n› Bulmak (a) 81, -2, -19 # 8-6, 2, -39 = s1ds -6d + s -2ds2d + s -1ds -3d = -6 - 4 + 3 = -7 1 1 (b) a i + 3j + kb # s4i - j + 2kd = a bs4d + s3ds -1d + s1ds2d = 1 2 2 İki boyutlu bir vektör çiftinin nokta çarpımı benzer tarzda tanımlanır: u1, u2 v1, v2 = u1v1 + u2v2 w u Teorem 1’in ispat› uygulayarak u ƒ w ƒ 2 = ƒ u ƒ 2 + ƒ v ƒ 2 - 2 ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u v fiEK‹L 12.20 Vektörlerin toplamı için paralelkenar kuralı w = u – v verir. Şekil 12.20’deki üçgene Kosinüs Teoremini (Bölüm 1.6, Denklem (6)) 2 ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u = ƒ u ƒ 2 + ƒ v ƒ 2 - ƒ w ƒ 2 . buluruz. Kosinüs Teoremi 864 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri w = u – v olduğundan w’nun bileşen formu u1 – v1, u2 – v2, u3 – v3 tür. Dolayısıyla, ƒ u ƒ 2 = A 2u 12 + u 22 + u 32 B 2 = u 12 + u 22 + u 32 ƒ v ƒ 2 = A 2v12 + v22 + v32 B 2 = v12 + v22 + v32 ƒ w ƒ 2 = A 2su1 - v1 d2 + su2 - v2 d2 + su3 - v3 d2 B 2 = su1 - v1 d2 + su2 - v2 d2 + su3 - v3 d2 = u 12 - 2u1v1 + v12 + u 22 - 2u2v2 + v22 + u 32 - 2u3v3 + v32 ve ƒ u ƒ 2 + ƒ v ƒ 2 - ƒ w ƒ 2 = 2su1 v1 + u2v2 + u3 v3). bulunur. Bu nedenle, 2 ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u = ƒ u ƒ 2 + ƒ v ƒ 2 - ƒ w ƒ 2 = 2su1 v1 + u2 v2 + u3 v3 d ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u = u1 v1 + u2 v2 + u3 v3 cos u = u1 v1 + u2 v2 + u3 v3 ƒuƒ ƒvƒ Dolayısıyla u = cos-1 a u1 v1 + u2 v2 + u3 v3 b ƒuƒ ƒvƒ bulunur. Nokta çarpımı notasyonu ile u ve v vektörleri arasındaki açı u = cos-1 a u#v b. ƒuƒ ƒvƒ olarak yazılabilir. ÖRNEK 2 Uzaydaki ‹ki Vektör Aras›ndaki Aç›y› Bulmak u = i – 2j – 2k ile v = 6i + 3j + 2k arasındaki açıyı bulun. Çözüm Yukarıdaki formülü kullanırız: u # v = s1ds6d + s -2ds3d + s -2ds2d = 6 - 6 - 4 = -4 ƒ u ƒ = 2s1d2 + s -2d2 + s -2d2 = 29 = 3 ƒ v ƒ = 2s6d2 + s3d2 + s2d2 = 249 = 7 u = cos-1 a = cos-1 a u#v b ƒuƒ ƒvƒ -4 b L 1.76 radyan radians. s3ds7d Açı formülü iki boyutlu vektörlere de uygulanabilir. 12.3 y ÖRNEK 3 B(3, 5) Nokta Çarp›m› (Skaler Çarp›m) 865 Bir Üçgenin Bir Açısını Bulmak A = (0, 0), B = (3, 5) ve C = (5, 2) noktaları ile belirlenen ABC üçgenindeki (Şekil 12.21) u açısını bulun. ␪ C(5, 2) 1 A 1 Çözüm u açısı, CA ve CB . vektörleri arasındaki açıdır. Bu iki vektörün bileşen formları 1 1 fiEK‹L 12.21 Örnek 3’teki üçgen. 1 CA = 8-5, -29 x ve and 1 CB = 8-2, 39. tür. Önce bu iki vektörün nokta çarpımını ve büyüklüklerini hesaplarız. 1 1 CA # CB = s -5ds -2d + s -2ds3d = 4 1 ƒ CA ƒ = 2s -5d2 + s -2d2 = 229 1 ƒ CB ƒ = 2s -2d2 + s3d2 = 213 Sonra, açı formülünü uygulayarak 1 1 CA # CB u = cos-1 £ 1 1 ≥ ƒ CA ƒ ƒ CB ƒ 4 = cos-1 £ A 229 B A 213 B 78.1° veya ≥ 1.36 radyan buluruz. Dik (Ortogonal) Vektörler Sıfırdan farklı u ve v vektörleri, aralarındaki açı p@2 ise dik veya ortogonaldirler. Bu tip vektörler için, otomatik olarak u v = 0 olur, çünkü cos(p@2) = 0’dır. Tersi de doğrudur. u ve v, u # v = ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u = 0, ile sıfırdan farklı vektörlerse, cos u = 0 ve u = cos–1 0 = p@2 olur. TANIM Ortogonal Vektörler u ve v vektörleri ancak ve yalnız u v = 0 ise ortogonaldirler (veya diktirler). ÖRNEK 4 Diklik Tan›m›n› Uygulamak (a) u v = (3) (4) + (–2) (6) = 0 olduğundan u = 3, –2 ve v = 4, 6 vektörleri ortogonaldir. (b) u v = (3) (0) + (–2) (2) + (1) (4) = 0 olduğundan u = 3i – 2j + k ve v = 2j + 4k vektörleri ortogonaldir. (c) 0 vektörü her u vektörüne ortogonaldir: 0 # u = 80, 0, 09 # 8u1, u2, u39 = s0dsu1 d + s0dsu2 d + s0dsu3 d =0 866 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Nokta Çarp›m Özellikleri ve ‹zdüflüm Vektörleri Nokta çarpımı, reel sayıların (skalerlerin) sıradan çarpma kuralları için sağlanan bir çok kurala uyar. Nokta Çarpımının Özellikleri u, v ve w herhangi vektörler ve c bir skaler ise 1. u # v = v # u 2. scud # v = u # scvd = csu # vd 3. u # sv + wd = u # v + u # w 4. u # u = ƒ u ƒ 2 5. 0 # u = 0. TARİHSEL BİYOGRAFİ 1 ve 3 Özelliklerinin ‹spatlar› Tanımı kullanarak özellikleri ispatlamak kolaydır. Örneğin, 1 ve 3 Özelliklerinin ispatları aşağıdadır. Carl Friedrich Gauss (1777–1855) 1. 3. Q u # v = u1 v1 + u2 v2 + u3 v3 = v1 u1 + v2 u2 + v3 u3 = v # u u # sv + wd = 8u1, u2 , u39 # 8v1 + w1, v2 + w2 , v3 + w39 = u1sv1 + w1 d + u2sv2 + w2 d + u3sv3 + w3 d u = u1 v1 + u1 w1 + u2 v2 + u2 w2 + u3 v3 + u3 w3 v P R S = su1 v1 + u2 v2 + u3 v3 d + su1 w1 + u2 w2 + u3 w3 d = u#v + u#w Q u v P R S fiEK‹L 12.22 u’nun v üzerine iz düşüm vektörü. Kuvvet u Şimdi, bu bölümün başında sözü edilen, bir vektörün bir diğeri üzerine iz düşürülmesi 1 1 problemine dönüyoruz. u = PQ’nun sıfırdan farklı v = PS vektörü üzerine iz düşüm 1 vektörü (Şekil 12.22), Q’dan PS doğrusuna çizilen dik doğru ile belirlenen PR vektörüdür. Bu vektör için notasyon projv u (“u’nun v üzerine iz düşüm vektörü”) u vektörü bir kuvveti temsil ediyorsa projv u vektörü v yönündeki etkili kuvveti temsil eder (Şekil 12.23). u ve v arasındaki u açısı dar açı ise projv u’nun uzunluğu ƒ u ƒ cos u ve yönü v> ƒ v ƒ dir (Şekil 12.24). u açısı geniş açı ise, cos u 6 0 ve projv u’nun uzunluğu - ƒ u ƒ cos u yönü –v> ƒ v ƒ dır. Her iki durumda projv u = s ƒ u ƒ cos ud v fiEK‹L 12.23 Kutuyu u kuvveti ile çekersek, kutuyu v yönünde hareket ettiren etkili kuvvet u’nun v üzerine izdüşüm vektörüdür. = a u#v v b ƒvƒ ƒvƒ = a u#v bv. 2 ƒvƒ v ƒvƒ ƒ u ƒ cos u = ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u u#v = ƒvƒ ƒvƒ 12.3 u 867 Nokta Çarp›m› (Skaler Çarp›m) u u u projv u projv u v Uzunluk u cos u (a) v Uzunluk –u cos u (b) fiEK‹L 12.24 projv u’nun uzunluğu (a) cos u Ú 0 ise ƒ u ƒ cos u ve (b) cos u 0 ise - ƒ u ƒ cos u dır. ƒ u ƒ cos u sayısına u’nun v yönündeki skaler bileşeni denir. Özet olarak, u’nun v üzerine izdüşüm vektörü: projv u = a u#v bv ƒvƒ2 (1) v u#v = u# v v ƒ ƒ ƒ ƒ (2) u’nun v yönündeki skaler bileşeni: ƒ u ƒ cos u = u’nun v üzerine iz düşüm vektörünün ve u’nun v yönündeki skaler bileşeninin ikisinin de sadece v’nin yönüne bağlı olduğuna uzunluğuna bağlı olmadığına dikkat edin (çünkü u’yu v’nin yönü olan v> ƒ v ƒ ile çarpıyoruz). ÖRNEK 5 ‹z Düflüm Vektörü Bulmak u = 6i + 3j + 2k’nin v = i – 2j – 2k üzerine izdüşüm vektörünü ve u’nun v yönündeki skaler bileşenini bulun. Çözüm projv u’yu (1) denkleminden buluruz u#v 6 - 6 - 4 projv u = v # v v = si - 2j - 2kd 1 + 4 + 4 = - 8 8 4 4 si - 2j - 2kd = - i + j + k. 9 9 9 9 u’nun v yönündeki skaler bileşenini (2) denkleminden buluruz: ƒ u ƒ cos u = u # v 1 2 2 = s6i + 3j + 2kd # a i - j - kb 3 3 3 ƒvƒ = 2 - 2 - 4 4 = - . 3 3 (1) ve (2) denklemleri iki boyutlu vektörlere de uygulanır. 868 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri ÖRNEK 6 ‹z Düflüm Vektörü ve Skaler Bilefleni Bulmak Bir F = 5i + 2j kuvvetinin v = i – 3j üzerine iz düşüm vektörünü ve F’nin v yönündeki skaler bileşenini bulun. Çözüm İz düşüm vektörü projv F = ¢ = F#v ≤v ƒvƒ2 5 - 6 1 si - 3jd = si - 3jd 1 + 9 10 = - 3 1 i + j. 10 10 dir. F’nin v yönündeki skaler bileşeni ƒ F ƒ cos u = 5 - 6 F#v 1 = = . v ƒ ƒ 21 + 9 210 dir. ‹fl F P D Q u F cos u Bölüm 6’da, büyüklüğü F olan sabit bir kuvvetin bir cismi bir d mesafesi boyunca hareket ettirirken yaptığı işi W = Fd olarak hesapladık. Bu formül sadece kuvvet hareket doğrul1 tusunda yönlenmişse geçerlidir. Bir cismi bir D = PQ yer değiştirmesi boyunca hareket ettiren bir F kuvvetinin başka bir yönü varsa, iş F’nin D yönündeki bileşeni tarafından yapılır. u, F ile D arasındaki açıysa (Şekil 12.25), fiEK‹L 12.25 Bir D yerdeğiştirmesi sırasında sabit bir F kuvvetinin yaptığı iş (u Fu cos u) u Du’dir. ‹fl = F 'nin D yönündeki (D'nin uzunlu¤u) skaler bilefleni = s ƒ F ƒ cos ud ƒ D ƒ = FD olur. TANIM Sabit Kuvvetin Yapt›¤› ‹fl 1 Bir D = PQ yer değiştirmesi boyunca etkiyen sabit bir F kuvvetinin yaptığı iş, u F ile D arasındaki açı olmak üzere W = F # D = ƒ F ƒ ƒ D ƒ cos u, olarak bulunur. ÖRNEK 7 ‹fl Tan›m›n› Uygulamak ƒ F ƒ = 40 N (newton), uDu = 3 m ve u = 60° ise, P’den Q’ya kadar etkiyen F’nin yaptığı iş İş = ƒ F ƒ ƒ D ƒ cos u Work = s40ds3d cos 60° = s120ds1>2d = 60 J (Jul) olarak bulunur. Tanım Verilen değerler 12.3 Nokta Çarp›m› (Skaler Çarp›m) 869 Bölüm 16’da, değişken bir kuvvetin uzaydaki bir yol boyunca yaptığı işi bulmayı öğrenirken daha zor bir problemle karşılaşıyoruz. Bir Vektörü Ortogonal Vektörlerin Bir Toplam› Olarak Yazmak Bir u = 8u1, u29 veya u = 8u1, u2, u39 vektörünü iki ortogonal vektörün bir toplamı olarak yazmak için bir yol biliyoruz.: u = u1i + u2j u u projv u v projv u fiEK‹L 12.26 u vektörünü v vektörüne paralel ve dik vektörlerin toplamı olarak yazmak. veya u = u1i + (u2j + u3k) (i # j = i # k = j # k = 0 olduğundan). Halbuki, bazen u’yu farklı bir toplam olarak yazmak daha bilgilendiricidir. Örneğin, mekanikte, çoğunlukla bir u vektörünü verilen bir v vektörüne paralel ve v vektörüne dik iki vektörün toplamı olarak yazma gereksinimi duyarız. Bir örnek olarak, düzlemde (veya uzayda) bir yol üzerinde hareket eden bir parçacığın hareketinin incelenmesinde, ivme vektörünün yolun (bir noktada) teğeti yönündeki ve yolun normali yönündeki bileşenlerinin bilinmesi arzu edilen bir şeydir (İvmenin bu teğetsel ve normal bileşenleri Bölüm 13.4’te incelenmektedir). Bu durumda ivme vektörü teğetsel ve normal (vektör) bileşenleri cinsinden ifade edilebilir (bu ifade yolun özellikleri hakkında, burulma gibi, önemli geometrik özelliklerini yansıtır). Hız ve ivme vektörleri sonraki bölümde incelenmektedir. Genel olarak, u ve v vektörleri için u - projv u vektörünün (v ile aynı yönde olan) projv u iz düşüm vektörüne ortogonal olduğu Şekil 12.26’dan kolayca görülebilir. Aşağıdaki hesaplama bu gözlemi döğrulamaktadır: su - projv ud # projv u = ¢ u - ¢ = ¢ u#v u#v v # ≤v 2≤ ≤ ¢ ƒvƒ ƒvƒ2 2 u#v u#v su # vd - ¢ ≤ sv # vd 2≤ ƒvƒ ƒvƒ2 su # vd2 = Denklem (1) ƒvƒ2 su # vd2 - ƒvƒ2 Skaler çarpım özellikleri 2 ve 3 v # v = ƒ v ƒ 2 kısalır =0 Dolayısıyla, u = projv u + su - projv ud denklemi u vektörünü ortogonal vektörlerin bir toplamı olarak ifade eder. u’yu v’ye Paralel Bir Vektör Artı v’ye Ortogonal Bir Vektör Olarak Yazmak u = projv u + su - projv ud u#v u#v v + ¢u - ¢ ≤v≤ 2≤ ƒvƒ ƒvƒ2 (')'* ('')''* = ¢ v’ye paralel v’ye ortogonal 870 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri ÖRNEK 8 Bir Uzay Arac›na Etkiyen Kuvvet Hız vektörü v = 3i – j olan bir uzay aracına bir F = 2i + j – 3k kuvveti etkimektedir. F’yi v’ye paralel bir vektör ve v’ye ortogonal bir vektörün toplamı olarak yazın. Çözüm F = projv F + sF - projv Fd F#v F#v = v # v v + aF - v # v vb = a = 6 - 1 6 - 1 bv + aF - a bvb 9 + 1 9 + 1 5 5 s3i - jd + a2i + j - 3k s3i - jdb 10 10 3 3 1 1 = a i - jb + a i + j - 3kb . 2 2 2 2 s3>2di - s1/2dj kuvveti, v hızına paralel olan etkin kuvvettir. s1>2di + s3/2dj - 3k kuvveti v’ye ortogonaldir. Bu vektörün v’ye ortogonal olduğunu kontrol etmek için skaler çarpımı buluruz: 3 3 3 1 a i + j - 3kb # s3i - jd = - = 0. 2 2 2 2 ALIfiTIRMALAR 12.3 T Skaler Çarp›m ve ‹z Düflümler 1–8 alıştırmalarında, aşağıda istenenleri bulun. a. v # u, ƒ v ƒ , ƒ u ƒ Vektörler Aras›ndaki Aç›lar 9–12 alıştırmalarındaki vektörlerin arasındaki açıları bir radyanın yüzde biri hassaslıkla bulun. b. v ile u arasındaki açının kosinüsü, 9. u = 2i + j, c. u’nun v yönündeki skaler bileşeni 10. u = 2i - 2j + k, v = 3i + 4k 11. u = 23i - 7j, v = 23i + j - 2k d. projv u vektörü. 1. v = 2i - 4j + 25k, u = -2i + 4j - 25k 2. v = s3>5di + s4>5dk, u = 5i + 12j 3. v = 10i + 11j - 2k, u = 3j + 4k 4. v = 2i + 10j - 11k, u = 2i + 2j + k 5. v = 5j - 3k, u = i + j + k 6. v = -i + j, u = 22i + 23j + 2k 7. v = 5i + j, u = 2i + 217j 8. v = h 1 1 , 22 23 i, u = h 1 22 ,- 1 23 i v = i + 2j - k 12. u = i + 22j - 22k, v = -i + j + k 13. Üçgen Köşeleri A = (–1, 0), B = (2, 1) ve C = (1, –2) olan üçgenin iç açılarının ölçülerini bulun. 14. Dikdörtgen Köşeleri A = (1, 0), B = (0, 3), C = (3, 4) ve D = (4, 1) olan dikdörtgenin köşegenleri arasındaki açılarının ölçülerini bulun. 15. Doğrultu açıları ve doğrultu kosinüsleri Bir v = ai + bj + ck vektörünün doğrultu açıları a, b ve g aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır. a, v ile pozitif x-ekseni arasındaki açıdır (0 a p), b, v ile pozitif y-ekseni arasındaki açıdır (0 b p), g, v ile pozitif z-ekseni arasındaki açıdır (0 g p), 12.3 Nokta Çarp›m› (Skaler Çarp›m) 871 z v2 v1 v2 g 0 v b a v1 y v1 v2 x a. cos a = a , ƒvƒ cos b = b , ƒvƒ cos g = c , ƒvƒ 22. Bir çember üzerinde ortogonallik AB’nin, merkezi O’da olan bir çemberin çapı ve C’nin de A ve B’yi birleştiren iki yaydan 1 1 birinin üzerindeki bir nokta olduğunu varsayın. CA ve CB’nin ortogonal olduğunu gösterin. C v ve cos2 a + cos2 b + cos2 g = 1 olduğunu gösterin. Bu kosinüslere v’nin doğrultu kosinüsleri denir. b. Birim vektörler doğrultu kosinüslerinden oluşurlar v = ai + bj + ck bir birim vektörse a, b ve c’nin v’nin doğrultu kosinüsleri olduğunu gösterin. 16. Su borusu inşaası Bir su borusu kuzey yönünde %20’ lik, doğu yönünde de %10’luk bir eğimle kurulacaktır. Su borusunun kuzeyden doğuya dönmesi için gerekli u açısını bulun. Doğu ey uz K –u 17–19 alıştırmalarında, u’yu v’ye paralel bir vektör ve v’ye ortogonal bir vektörün toplamı olarak yazın. B u 23. Bir eşkenar dörtgenin köşegenleri Bir eşkenar dörtgenin (kenarları eşit uzunluklu paralelkenar) köşegenlerinin dik olduklarını gösterin. 25. Paralelkenarlar ne zaman dikdörtgendirler Bir paralelkenarın ancak ve yalnız köşegenlerinin uzunlukları eşit ise bir dikdörtgen olduğunu ispatlayın (Bu gerçeği marangozlar sıkça kullanır). u v = i + j v = i + j 19. u = 8i + 4j - 12k, O 26. Paralelkenarın köşegeni u ve v vektörleriyle belirlenen paralelkenarın belirtilen köşegeninin u u u = u v u ise u ile v arasındaki açıyı ikiye böleceğini gösterin. Vektörleri Ayr›flt›rmak 18. u = j + k, A 24. Dik köşegenler Sadece karelerin dik köşegenli dikdörtgenler olduklarını gösterin. u 17. u = 3j + 4k, –v2 v = i + 2j - k 20. Vektör toplamı u = i + (j + k) vektörü zaten i’ye paralel bir vektörle i’ye ortogonal bir vektörün toplamıdır. u = projv u + (u – projv u) ayrışımında v = i kullanırsanız projv u = i ve (u – projv u) = j + k bulurmusunuz? Deneyin ve bulun. v 27. Mermi hareketi Çıkış hızı 1200 ft@s olan bir silah yataydan 8° yukarıya ateşleniyor. Hız’ın yatay ve düşey bileşenlerini bulun. 28. Eğik düzlem Bir kutunun, şekilde gösterildiği gibi, eğik bir düzlemde yukarıya çekildiğini varsayın. Eğik düzleme paralel bileşeninin 2,5 lb olması için gereken w kuvvetini bulun. w Geometri ve Örnekler 21. Toplam ve farklar Şekilde, sanki v1 + v2 ile v1 – v2 ortogonal gibi görünmektedir? Bu sadece bir tesadüf müdür, yoksa iki vektörün toplamının farklarına ortogonal olmalarını bekleyebileceğimiz durumlar mı vardır? Yanıtınızı açıklayın. 33˚ 15˚ 872 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Teori ve Örnekler ‹fl 29. a. Cauchy-Schwartz eşitsizliği u # v = ƒ u ƒ ƒ v ƒ cos u eşitliğini kullanarak herhangi u ve v vektörleri için ƒ u # v ƒ … ƒ u ƒ ƒ v ƒ eşitsizliğinin sağlandığını gösterin. 43. Bir doğru boyunca iş Bir cismi orijinden (1, 1) noktasına giden doğru üzerinde hareket ettiren bir F = 5i (büyüklüğü 5 N) kuvvetinin yaptığı işi bulun (mesafe birimi metre). b. Hangi koşullar altında, varsa, u u v u u u u u v u dir? cevabınızı açıklayın. 44. Lokomotif Union Pacific’in Big Boy lokomotifi 602.148 N’luk (135.375 lb) çekici bir kuvvetle (çekme) 6000 tonluk trenleri çekebilmektedir. Bu kuvvet seviyesinde, Big Boy San Fransisco’dan Los Angeles’a yaptığı (yaklaşık olarak düz) 605 km’lik seyahatte yaklaşık ne kadar iş yapmıştır? 30. Aşağıda gösterilen eksenleri ve vektörü kopyalayın. (xi + yj) v 0 olmasını sağlayan (x, y) noktalarını renklendirin. Yanıtınızı savunun. y 45. Eğik düzlem Bir yükleme limanı boyunca bir sandığı yatayla 30° açı yapan 200 N’luk bir kuvvetle çekerek 20 m kaydırmak için ne kadar iş yapılmıştır? L 46. Yelkenli Bir teknenin yelkeninden geçen rüzgar aşağıda gösterildiği gibi 1000 lb’lik bir F kuvveti uygulamıştır. Rüzgar tekneyi 1 mil ilerletmek için ne kadar iş yapmıştır? Yanıtınızı ayak-pound olarak verin. x 0 31. Ortogonal birim vektörler u1 ve u2 ortogonal birim vektörlerse ve v = au1 + bu2 ise v u1’i bulun. 32. Nokta çarpımlarda sadeleştirme Reel sayı çarpımında, uv1 = uv2 ve u 0 ise, u’ları sadeleştirir ve v1 = v2 olduğu sonucuna varırız. Aynı kural vektör çarpımı için de geçerli midir: Şayet u v1 = u v2 ve u 0 ise v1 = v2 olduğu sonucuna varabilir miyiz? Yanıtınızı açıklayın. 33. Bir vektöre dik doğru v = ai + bj vektörünün ax + by = c doğrusuna dik olduğunu, v’nin eğiminin, verilen doğrunun eğiminin çarpmaya göre tersinin negatifi olduğunu ispatlayarak gösterin. 34. Bir vektöre paralel doğru v = ai + bj vektörünün bx – ay = c doğrusuna paralel olduğunu, v’yi temsil eden doğru parçasının eğiminin verilen doğrunun eğimiyle aynı olduğunu ispatlayarak gösterin. 35–38 alıştırmalarında, Alıştırma 33’ün sonucunu kullanarak P’den geçen ve v’ye dik olan doğrunun denklemini bulun. Sonra doğruyu çizin. Çiziminize v’yi orijinden başlayan bir vektör olarak ekleyin. v = i + 2j 36. Ps -1, 2d, v = -2i - j Birbirini dik açılarla kesmeyen kesişen doğruların arasındaki dar açı doğrulara normal veya paralel olan vektörlerin belirlediği açılarla aynıdır. n1 n2 L2 L2 u v1 L1 2x - y = 4 v = -2i + j 48. y = 23x - 1, y = - 23x + 2 38. Ps11, 10d, v = 2i - 3j 49. 23x - y = -2, x - 23y = 1 v = i - j 40. Ps0, -2d, 41. Ps1, 2d, v = -i - 2j 42. Ps1, 3d, L1 Bunu ve Alıştırma 33 veya 34’ün sonuçlarını kullanarak, 47–52 alıştırmalarındaki doğruların arasındaki açıları bulun. 37. Ps -2, -7d, 39–42 Alıştırmalarında, Alıştırma 34’ün sonucunu kullanarak P’den geçen ve v’ye paralel olan doğrunun denklemini bulun. Sonra doğruyu çizin. Çiziminize v’yi orijinden başlayan bir vektör olarak ekleyin. v2 u u 47. 3x + y = 5, 39. Ps -2, 1d, F Düzlemdeki Do¤rular Aras›ndaki Aç›lar Düzlemdeki Do¤rular›n Denklemleri 35. Ps2, 1d, 60° 1000 lb büyüklü kuvvet 50. x + 23y = 1, A 1 - 23 B x + A 1 + 23 B y = 8 51. 3x - 4y = 3, x - y = 7 52. 12x + 5y = 1, 2x - 2y = 3 v = 2i + 3j v = 3i - 2j Türetilebilir E¤riler Aras›ndaki Aç›lar Bir kesişim noktasında türetilebilen eğriler arasındaki açılar eğrileri- 12.4 nin bu noktalardaki teğetlerinin arasındaki açılardır. 53-56 alıştırmalarındaki eğrilerin arasındaki açıları bulun. v = ai + bj düzlemde bir vektör ise bu vektörün eğiminin, a 0 olması koşulu ile b@a olduğuna dikkat edin. 53. y = (3@2) – x2, y = x2 (iki kesişim noktası) 12.4 Vektörel Çarp›m 54. x = (3@4) – y2, 3 Vektörel Çarp›m 873 x = y2 – (3@4), (iki kesişim noktası) 2 55. y = x , x = y , (iki kesişim noktası) 56. y = –x2, y = √x (iki kesişim noktası) Düzlemdeki doğruları incelerken, bir doğrunun nasıl eğildiğini tanımlamak zorunda kalmıştık ve bunu eğim ve eğim açısı kavramlarıyla gerçekleştirmiştik. Uzayda, bir düzlem’in nasıl eğildiğini tanımlayabilmemiz gerekir. Bunu düzlemdeki iki vektörü çarpıp düzleme dik üçüncü bir vektör elde ederek yaparız. Bu üçüncü vektörün yönü bize düzlemin “eğilimini” söyler. Vektörleri çarpmak için kullandığımız yöntem, analizde çalıştığımız iki vektör çarpımından ikincisi olan vektörel çarpımıdır. Vektörel çarpımlar elektrik, manyetizma, akışkan akışları ve yörünge mekaniğinde kuvvetlerin etkilerini tanımlamakta yaygın olarak kullanılırlar. Bu bölüm vektörel çarpımının bu alanlarda kullanımını sağlayan matematiksel özellikleri sunmaktadır. Uzaydaki ‹ki Vektörün Vektörel Çarp›m› uv v n u Uzayda, sıfırdan farklı iki u ve v vektörüyle işe başlarız. u ve v paralel değillerse, bir düzlem belirlerler. Sağ-el kuralıyla düzleme dik bir n birim vektörü seçeriz. Bu, n’yi parmaklarınız u’dan v’ye giden u açısı yönünde kıvrılırken başparmağınızın gösterdiği yöndeki birim (normal) vektör olarak seçtiğimiz anlamına gelir (Şekil 12.27). Artık u v vektörel çarpımını (“u çarpı v”) aşağıda verilen vektör olarak tanımlarız. u TANIM Vektörel Çarp›m u * v = s ƒ u ƒ ƒ v ƒ sin ud n fiEK‹L 12.27 u v’nin oluşturulması. Skaler çarpımın aksine, vektörel çarpım bir vektördür. Bu nedenle aynı zamanda u ve v’nin vektör çarpımı da denir ve sadece uzaydaki vektörler uygulanır. u v vektörü hem u’ya hem de v’ye diktir, çünkü n’nin bir skaler katıdır. Hem 0’ın ve hem de p’nin sinüsleri sıfır olduğundan, sıfırdan farklı iki paralel vektörün vektörel çarpımını 0 olarak tanımlamak mantıklıdır. u ve v’nin biri veya ikisi de sıfırsa, u v’yi yine sıfır olarak tanımlarız. Böylece, u ve v gibi iki vektörün vektörel çarpımı ancak ve yalnız u ve v paralelse, veya biri ya da ikisi birden sıfırsa, sıfır olur. Paralel Vektörler Sıfırdan farklı u ve v vektörleri ancak ve yalnız u v = 0 ise paraleldir. Vektörel çarpım aşağıdaki özellikleri sağlar. 874 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Vektörel Çarpım Özellikleri u, v ve w herhangi vektörler ve r, s skalerler ise 1. srud * ssvd = srsdsu * vd 2. u * sv + wd = u * v + u * w v u –n u 3. 4. 5. vu sv + wd * u = v * u + w * u v * u = -su * vd 0 * u = 0 v u’nun oluşturulması fiEK‹L 12.28 z k i j –(j i) –i –j Örneğin, Özellik 4’ü gözünüzde canlandırmak için, parmaklarınız v’den u’ya giden u açısı yönünde kıvrılırken başparmağınız ters yönü gösterdiğine ve v u’yu oluştururken seçtiğimiz birim vektörün u v’yi oluştururken seçtiğimizin negatifi olduğuna dikkat edin (Şekil 12.28). Özellik 1, eşitliğin her iki tarafına vektörel çarpım tanımını uygulamak ve sonuçları karşılaştırmakla gerçeklenebilir. Özellik 2, Ek 6 da ispatlanmıştır. Özellik 3, Özellik 2’ deki eşitliğin her iki yanını –1 ile çarpmak ve Özellik 4’ü kullanarak çarpımların sırasını değiştirmekle elde edilir. Özellik 5 bir tanımdır. Bir kural olarak vektörel çarpım birleşme özelliğini sağlamaz. Dolayısıyla, (u v) w genel olarak u (v w)’ye eşit değildir. (Ek Alıştırmalar 15’e bakın.) Tanımı i, j ve k’nin ikişer ikişer vektörel çarpımlarını bulmak için kullandığımızda (Şekil 12.29) k j k i –(i k) i * j = -sj * id = k y i –k i j * k = -sk * jd = i x i j k –(k j) fiEK‹L 12.29 i, j, ve k’nin ikişer ikişer vektörel çarpımları. j k * i = -si * kd = j Bu çarpımları hatırlamak için diyagram ve i * i = j * j = k * k = 0. buluruz. ƒ u * v ƒ Bir Paralelkenar›n Alan›d›r n bir birim vektör olduğundan, u v’nin büyüklüğü Alan taban ⋅ yükseklik u ⋅ vsin u u × v ƒ u * v ƒ = ƒ u ƒ ƒ v ƒ ƒ sin u ƒ ƒ n ƒ = ƒ u ƒ ƒ v ƒ sin u. v h vsin u u u fiEK‹L 12.30 u ve v’nin belirlediği paralelkenar. olur. Bu, ƒ u ƒ paralelkenarın tabanı ve ƒ v ƒ ƒ sin u ƒ da yüksekliği olmak üzere u ve v tarafından belirlenen paralelkenardır (Şekil 12.30). u * v ‹çin Determinant Formülü Bir sonraki amacımız u v’yi bir Kartezyen koordinat sistemine göre u ile v’nin bileşenlerinden hesaplamaktır. 12.4 u = u1 i + u2 j + u3 k, Determinantlar 2 * 2 ve 3 * 3 determinantlar aşağıdaki şekilde hesaplanır. ` a c 1 ` = s2ds3d - s1ds -4d 3 = 6 + 4 = 10 a1 3 b1 c1 a2 b2 c2 - a2 ` a3 b2 b3 3 = a1 ` c2 c3 b1 c1 = u1 v1 i * i + u1 v2 i * j + u1 v3 i * k + u2 v1 j * i + u2 v2 j * j + u2 v3 j * k + u3 v1 k * i + u3 v2 k * j + u3 v3 k * k = su2 v3 - u3 v2 di - su1 v3 - u3 v1 dj + su1 v2 - u2 v1 dk. b3 ` c3 b3 b1 ` + a3 ` c3 c1 Son satırdaki terimler i 3 u1 b2 ` c2 v1 1 1 1 1 3 = s -5d ` ` 3 1 1 2 1 2 - s3d ` ` + s1d ` -4 1 -4 = -5s1 - 3d - 3s2 + 4d + 1s6 + 4d = 10 - 18 + 10 = 2 j u2 v2 k u3 3 . v3 sembolik determinantının açılımındaki terimlerle aynıdır. Dolayısıyla aşağıdaki kuralı elde ederiz. ÖRNEK -5 3 2 -4 v = v1 i + v2 j + v3 k. u * v = su1 i + u2 j + u3 kd * sv1 i + v2 j + v3 kd b ` = ad - bc d 2 -4 875 olduğunu varsayın. Bu durumda dağılma ve i, j ve k’nın çarpım kuralları bize aşağıdakileri söyler: ÖRNEK ` Vektörel Çarp›m 3 1 3 1 ` 3 Determinantları Kullanarak Vektörel Çarpım Hesaplamak u = u1 i + u2 j + u3 k ve v = v1 i + v2 j + v3 k, ise (Daha fazla bilgi için www.aw-bc.com/thomas web sayfasına bakın.) i u * v = 3 u1 v1 k u3 3 . v3 olur. ÖRNEK 1 z j u2 v2 Determinantlarla Vektörel Çarp›m Hesaplamak u = 2i + j + k ve v = –4i + 3j + k ise u v ve v u’yu bulun. R(–1, 1, 2) Çözüm i u * v = 3 2 -4 0 P(1, –1, 0) j 1 3 k 1 13 = p 3 1 1 2 pi - p 1 -4 1 2 pj + p 1 -4 1 pk 3 y = -2i - 6j + 10k v * u = -su * vd = 2i + 6j - 10k x Q(2, 1, –1) fiEK‹L 12.31 PQR üçgeninin 1 1 alanı ƒ PQ * PR ƒ ’nin yarısıdır (Örnek 2). ÖRNEK 2 Bir Düzleme Dik Vektörler Bulmak P(1, –1, 0), Q(2, 1, –1) ve R(–1, 1, 2)’nin düzlemine dik bir vektör bulun (Şekil 12.31) 876 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 1 1 PQ * PR vektörü düzleme diktir, çünkü iki vektöre de diktir. Bileşenler cinsin- Çözüm den 1 PQ = s2 - 1di + s1 + 1dj + s -1 - 0dk = i + 2j - k 1 PR = s -1 - 1di + s1 + 1dj + s2 - 0dk = -2i + 2j + 2k i 1 1 3 PQ * PR = 1 -2 j 2 2 k 2 -1 3 = ` 2 2 -1 1 ì - ` 2 -2 -1 1 `j + ` 2 -2 2 `k 2 = 6i + 6k olarak bulunur. ÖRNEK 3 Bir Üçgenin Alan›n› Bulmak Köşeleri P(1, –1, 0), Q(2, 1, –1) ve R(–1, 1, 2) olan üçgenin alanını bulun (Şekil 12.31). Çözüm P, Q ve R tarafından belirlenen paralelkenarın alanı 1 1 ƒ PQ * PR ƒ = ƒ 6i + 6k ƒ Örnek 2’teki değerler = 2s6d2 + s6d2 = 22 # 36 = 622 . olarak bulunur. Üçgenin alanı bunun yarısı veya 3√2’dir. ÖRNEK 4 Bir Düzleme Birim Normal Bulmak P(1, –1, 0), Q(2, 1, –1) ve R(–1, 1, 2)’nin düzlemine dik bir birim vektör bulun. 1 1 PQ * PR düzleme dik olduğundan yönü, n, düzleme dik bir birim vektördür. Örnek 2 ve 3’teki değerleri kullanarak 1 1 PQ * PR 6i + 6k 1 1 n = 1 = i + k. 1 = 6 22 22 22 PQ * PR ƒ ƒ buluruz. Çözüm n Tork Vektörel çarpımı determinantlarla hesaplamada kolaylık için vektörleri genellikle v = v1, v2, v3 gibi üçlüler olarak yazmak yerine v = v1i + v2j + v3k olarak yazarız. r F’nin r’ye dik bileşeni. Uzunluğu F sin u. Tork F fiEK‹L 12.32 Tork vektörü F kuvvetinin cıvatayı ileri itme eğilimini gösterir. Bir ingiliz anahtarına bir F kuvveti uygulayarak bir civatayı döndürürsek (Şekil 12.32), ürettiğimiz tork civatanın ekseni boyunca civatayı ileri itecek şekilde etkir. Torkun büyüklüğü kuvvetin anahtar üzerinde ne kadar ileriye uygulandığına ve uygulama noktasında kuvvetin ne kadarının dik olduğuna bağlıdır. Torkun büyüklüğünü ölçmek için kullandığımız sayı kol uzunluğu r ile F’nin r’ye dik skaler bileşeninin çarpımıdır. Şekil 12.32’nin gösteriminde, Tork vektörünün büyüklüğü = u ru u Fu sin u 12.4 Vektörel Çarp›m 877 veya ur Fu olur. n’yi torkun yönünde civatanın ekseni boyunca olan birim vektör olarak alırsak, tork vektörünün tam bir tanımı r F veya Tork vektörü = (ur u uFu sin u) n olur. u ve v paralelken u v’yi 0 olarak tanımladığımızı hatırlayın. Bu tork yorumuyla da uyuşmaktadır. Şekil 12.32’deki F kuvveti anahtara paralelse, yani civatayı anahtarın kolunun doğrusu boyunca iterek veya çekerek çevirmeye çalışıyorsak, üretilen tork sıfırdır. ÖRNEK 5 Bir Torkun Büyüklü¤ünü Bulmak 3 ft’lik çubuk P Q 70° F 20 lb büyüklüğünde kuvvet fiEK‹L 12.33 P de F tarafından uygulanan torkun büyüklüğü 56.4 ft-lb civarındadır (Örnek 5). Şekil 12.33’teki mil noktası P çevresinde uygulanan F kuvvetinin yarattığı tork 1 1 ƒ PQ * F ƒ = ƒ PQ ƒ ƒ F ƒ sin 70° L s3ds20ds0.94d L 56.4 ft-lb. olarak bulunur. Üçlü Skaler veya Kutu Çarp›m› (u v) w çarpımına u, v ve w’nun (bu sırada) üçlü skaler çarpımı denir. ƒ su * vd # w ƒ = ƒ u * v ƒ ƒ w ƒ ƒ cos u ƒ , formülünden de görülebileceği gibi, çarpımın mutlak değeri u, v ve w tarafından belirlenen paralelyüzlünün (yüzleri paralelkenar olan kutu) hacmidir (Şekil 12.34). ƒ u * v ƒ sayısı tabandaki paralelkenarın alanıdır. ƒ w ƒ ƒ cos u ƒ sayısı ise paralelyüzlünün yüksekliğidir. Bu geometri yüzünden, (u v) w’ya ayrıca u, v ve w’nun kutu çarpımı da denir. uv w Yükseklik w cos u u v Taban alanı u v u Hacim taban alanı · yükseklik u vwcos u (u v) · w fiEK‹L 12.34 ƒ su * vd # w ƒ sayısı bir paralelyüzlünün hacmidir. Bir üçlü skaler çarpımda, değeri değiştirilmeden nokta ve vektörel çarpımların yeri değiştirilebilir. v ile w’nun ve w ile u’nun düzlemlerini, u, v ve w tarafından belirlenen paralelyüzlünün taban düzlemleri olarak alırsak, su * vd # w = sv * wd # u = sw * ud # v. olduğunu görürüz. Skaler çarpımı komütatif olduğundan, ayrıca su * vd # w = u # sv * wd. elde ederiz. 878 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Üçlü çarpım bir determinant olarak hesaplanabilir: su * vd # w = c ` u3 u1 ì - ` v3 v1 u2 v2 = w1 ` u3 u1 ` - w2 ` v3 v1 u2 v2 u1 = 3 v1 w1 u3 u1 `j + ` v3 v1 u2 v2 w2 u2 ` kd # w v2 u3 u1 ` + w3 ` v3 v1 u2 ` v2 u3 v3 3 . w3 Üçlü Skaler Çarpımın Hesaplanması u1 su * vd # w = 3 v1 w1 ÖRNEK 6 u2 v2 w2 u3 v3 3 w3 Bir Paralelyüzlünün Hacmini Bulmak u = i + 2j – k, v = –2i + 3k ve w = 7j – 4k tarafından belirlenen kutunun (paralelyüzlü) hacmini bulun. Çözüm 1 su * vd # w = 3 -2 0 2 0 7 -1 3 3 = -23. -4 Hacim u(u v) wu = 23 birim küptür. ALIfiTIRMALAR 12.4 Vektörel Çarp›m Hesaplanmalar› 1–8 Alıştırmalarında, u v ve v u’nın uzunluk ve yönünü (tanımlı olduğunda) bulun. 1. u = 2i - 2j - k, 2. u = 2i + 3j, v = i - k v = -i + j 3. u = 2i - 2j + 4k, 4. u = i + j - k, 5. u = 2i, v = 0 v = -3j 6. u = i * j, v = j * k 7. u = -8i - 2j - 4k, 8. u = v = -i + j - 2k 3 1 i - j + k, 2 2 v = 2i + 2j + k v = i + j + 2k 9–14 alıştırmalarında, koordinat eksenlerini çizin ve çiziminize orijinden başlayan vektörler olarak u, v ve u v’yi de ekleyin. 9. u = i, v = j 10. u = i - k, v = j 11. u = i - k, v = j + k 12. u = 2i - j, v = i + 2j 13. u = i + j, v = i - j 14. u = j + 2k, v = i Uzayda Üçgenler 15–18 alıştırmalarında: a. P, Q ve R noktaları tarafından belirlenen üçgenin alanını bulun. b. PQR düzlemine dik bir birim vektör bulun. 12.4 15. Ps1, -1, 2d, 16. Ps1, 1, 1d, Qs2, 0, -1d, Qs2, 1, 3d, e. c(u v) = (cu) v = u (cv) (her c sayısı için) Qs3, -1, 2d, Rs3, -1, 1d f. u # u = ƒ u ƒ 2 18. Ps -2, 2, 0d, Qs0, 1, -1d, Rs -1, 2, -2d h. su * vd # u = v # su * vd Üçlü Skaler Çarp›mlar 19-22 alıştırmalarında, su * vd # w = sv * wd # u = sw * ud # v olduğunu doğrulayın ve u, v ve w tarafından belirlenen paralelyüzlünün (kutunun) hacmini bulun. v 879 d. (cu) v = u (cv) = c(u v) (her c sayısı için) Rs0, 2, 1d Rs3, -1, 1d 17. Ps2, -2, 1d, u Vektörel Çarp›m g. su * ud # u = 0 29. Sıfırdan farklı u, v ve w vektörleri verilmişse, aşağıdakileri tanımlamak için, nokta veya vektörel çarpım gösterimini, hangisi uygunsa, kullanın. a. u’nın v üzerine izdüşüm vektörü b. u ve v’ye ortogonal bir vektör c. u v ve w’ya dik bir vektör w d. u, v ve w tarafından tanımlanan paralelyüzlünün hacmi 19. 2i 2j 2k 20. i - j + k 2i + j - 2k -i + 2j - k 21. 2i + j 2i - j + k i + 2k a. u v ve u w’ya ortogonal bir vektör 22. i + j - 2k -i - k 2i + 4j - 2k b. u + v ve u – v’ye ortogonal bir vektör. 30. Sıfırdan farklı u, v ve w vektörleri verilmişse, aşağıdakileri tanımlamak için, nokta veya vektörel çarpım gösterimini kullanın. c. v yönünde ƒ u ƒ uzunluğunda bir vektör Teori ve Örnekler d. u ve w tarafından tanımlanan paralelkenarın alanı. 23. Paralel ve dik vektörler u = 5i – j + k, v = j – 5k, w = –15i + 3j – 3k olsun. Varsa, hangi vektörler (a) dik, (b) paraleldir? Yanıtlarınızı açıklayın. 24. Paralel ve dik vektörler u = i + 2j – k, v = –i + j + k, w = i + k, r = – (p@2)i – pj + (p@2)k olsun. Varsa, hangi vektörler (a) dik, (b) paraleldir? Yanıtlarınızı açıklayın. 1 39 ve 40 alıştırmalarında, ƒ PQ ƒ == 88inç in . ve uFu = 30 lb ise, F kuvveti tarafından P’deki cıvataya uygulanan torkun büyüklüğünü bulun. Ayak-pound olarak yanıtlayın. 25. F F 135° Q Q P P 27. Aşağıdakilerin hangileri her zaman doğru ve hangileri her zaman doğru değildir? Yanıtlarınızı açıklayın. a. ƒ u ƒ = 2u # u c. u * 0 = 0 * u = 0 a. su * vd # w b. u * sv # wd c. u * sv * wd d. u # sv # wd 32. Üç vektörün vektörel çarpımı Dejenere durumlar dışında, su * vd * w u ile v’nin düzleminde bulunurken, u * sv * wd’nin v ile w’nin düzleminde bulunduğunu gösterin. Dejenere durumlar nedir? 33. Vektörel çarpımlarda sadeleştirme u v = u w ve u 0 ise, v = w mudur? Yanıtınızı açıklayın. 34. Çifte sadeleştirme u 0, u v = u w ve u v = u w ise, v = w mudur? Yanıtınızı açıklayın. 26. 60° 31. u, v ve w vektör olsunlar. Aşağıdakilerden hangileri anlamlı, hangileri anlamsızdır? Yanıtlarınızı açıklayın Düzlemde Alan 35–38 alıştırmalarında köşeleri verilen paralelkenarların alanlarını bulun. 35. As1, 0d, Bs0, 1d, Cs -1, 0d, 36. As0, 0d, Bs7, 3d, Cs9, 8d, Ds0, -1d Ds2, 5d 37. As -1, 2d, Bs2, 0d, b. u # u = ƒ u ƒ 38. As -6, 0d, Bs1, -4d, d. u * s -ud = 0 39–42 alıştırmalarında köşeleri verilen üçgenlerin alanlarını bulun. e. u * v = v * u 39. As0, 0d, Bs -2, 3d, Cs7, 1d, Ds4, 3d Cs3, 1d, Cs3, 1d f. u * sv + wd = u * v + u * w 40. As -1, -1d, Bs3, 3d, Cs2, 1d g. su * vd # v = 0 41. As -5, 3d, Bs1, -2d, Cs6, -2d h. su * vd # w = u # sv * wd 42. As -6, 0d, Bs10, -5d, Cs -2, 4d 28. Aşağıdakilerden hangileri her zaman doğru ve hangileri her zaman doğru değildir? Yanıtlarınızı açıklayın. a. u # v = v # u c. s -ud * v = -su * vd b. u * v = -sv * ud Ds -4, 5d 43. Üçgen alanı xy-düzleminde, köşeleri (0, 0), (a1, a2) ve (b1, b2)’de olan üçgenin alanı için bir formül bulun. Yaptıklarınızı açıklayın. 44. Üçgen alanı Köşeleri (a1, a2), (b1, b2) ve (c1, c2)’de bulunan üçgenin alanı için kısa bir formül bulun. 880 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 12.5 Uzayda Do¤rular ve Düzlemler Tek değişkenli fonksiyonların analizinde, düzlemdeki eğrileri incelemek için doğrular hakkındaki bilgilerimizi kullandık. Teğetleri inceledik ve yüksek derecede büyütüldüklerinde diferansiyellenebilir eğrilerin etkin olarak lineer olduklarını gördük. Bir sonraki bölümde, çok değişkenli fonksiyonların analizini çalışmak için düzlemler ve düzlemler hakkındaki bilgilerimizin, uzayda fonksiyonların grafikleri olan yüzeyleri incelemek üzere, nasıl kullanılacağı ile başlıyoruz. Bu bölüm, uzaydaki doğrular, doğru parçaları ve düzlemlerin formüllerinin yazılması için skaler ve vektörel çarpımların nasıl kullanılacağını göstermektedir. Uzayda Do¤rular ve Do¤ru Parçalar› z P0(x0, y0, z0) P(x, y, z) L Düzlemde, bir doğru, bir nokta ve doğrunun eğimini veren bir sayı ile belirlenir. Uzayda ise bir doğru, bir nokta ve doğrunun yönünü veren bir vektör ile belirlenir. L’nin uzayda bir P0(x0, y0, z0) noktasından geçen ve bir v = v1i + v2j + v3k vektörüne 1 paralel olan bir doğru olduğunu varsayın. Bu durumda L, P0 P’nin v’ye paralel olmasını sağlayacak bütün P(x, y, z) noktalarının kümesidir (Şekil 12.35). Böylece, bir skaler t 1 parametresi için P0 P = tv dir. t’nin değeri P noktasının doğru üzerindeki konumuna 1 bağlıdır ve t’nin tanım kümesi (– q , q ) dur. P0 P = tv denkleminin açılmış hali v (x – x0)i + (y – y0)j + (z – z0)k = t(v1i + v2j + v3k) 0 dır ve bu eşitlik y xi + yj + zk + x0i + y0j + z0k + t(v1i + v2j + v3k) (1) x fiEK‹L 12.35 Bir P noktası ancak ve yalnız, 1 P0 P vektörü v’nin bir skaler katıysa, P0’dan geçen ve v’ye paralel olan doğrunun üzerindedir. olarak yeniden yazılabilir. r(t) doğru üzerindeki bir P(x, y, z) noktasının konum vektörü ve r0 P0(x0, y0, z0) noktasının konum vektörü ise Denklem (1), uzaydaki bir doğrunun denklemi için aşağıdaki vektör formunu verir: Bir Doğrunun Vektörel Denklemi P0(x0, y0, z0)’dan Geçen ve v’ye Paralel Olan L Doğrusunun Vektörel Denklemi r(t) = r0 + tv, –q t q (2) dir. Burada r L üzerindeki bir P(x, y, z) noktasının konum vektörü, r0 da P0(x0, y0, z0) noktasının konum vektörüdür. Denklem (1)’in iki tarafının karşılıklı bileşenlerini eşitlemek, t parametresini içeren üç skaler denklem verir: x = x0 + tv1, y = y0 + tv2, z = z0 + tv3 Bu denklemler, – q t q parametre aralığı için doğrunun standart parametrizasyonunu verir. 12.5 881 Uzayda Do¤rular ve Düzlemler z 4 x = x0 + tv1, P1(0, 4, 2) 2 y = y0 + tv2, z = z0 + tv3, -q 6 t 6 q (3) dur. t1 0 4 2 8 4 t2 x Bir Doğrunun Parametrik Denklemleri P0(x0, y0, z0)’dan Geçen ve v = v1i + v2j + v3k’ye paralel olan doğrunun standart parametrizasyonu P0(–2, 0, 4) t0 v 2i 4j 2k y P2(2, 8, 0) ÖRNEK 1 (–2, 0, 4)’ten geçen ve v = 2i + 4j – 2k’ye paralel doğrunun parametrik denklemlerini bulun (Şekil 12.36). Çözüm fiEK‹L 12.36 x = –2 + 2t, y = 4t, z = 4 – 2t doğrusunun üzerindeki seçilmiş noktalar ve parametre değerleri. Oklar artan t yönünü göstermektedir (Örnek 1). Bir Noktadan Geçen ve Bir Vektöre Paralel Olan Do¤ruyu Parametrelemek P0(x0, y0, z0) = (–2, 0, 4) ve v1i + v2j + v3k = 2i + 4j – 2k olmak üzere, (3) denklemleri x = –2 + 2t, ÖRNEK 2 y = 4t, z = 4 – 2t ‹ki Noktadan Geçen Bir Do¤ruyu Parametrelemek P(–3, 2, –3) ve Q(1, –1, 4)’ten geçen doğrunun parametrik denklemlerini bulun. Çözüm 1 PQ = s1 - s -3ddi + s -1 - 2dj + s4 - s -3ddk = 4i - 3j + 7k vektörü doğruya paraleldir ve (x0, y0, z0) = (–3, 2, –3) ile (3) Denklemleri x = –3 + 4t, y = 2 – 3t, z = –3 + 7t verirler. Q(1, –1, 4)’ü “taban noktası” olarak seçip x = 1 + 4t, Q(1, –1, 4) z –3 1 ÖRNEK 3 0 2 y x z = 4 + 7t yazabilirdik. Bu denklemler de birinciler kadar iyi iş görürler; sadece sizi verilmiş bir t değerinde farklı bir yere götürürler. Parametrizasyonların tek olmadığına dikkat edin. Sadece ‘‘taban noktası’’ değil parametre de değişebilir. x = –3 + 4t3, y = 2 – 3t3 ve z = –3 + 7t3 denklemleri de Örnek 2’deki doğruyu parametreler. İki noktayı birleştiren bir doğru parçasını parametrize etmek için, önce noktalardan geçen doğruyu parametrize ederiz. Sonra uç noktalar için t-değerlerini bulur ve t’yi bu değerlerle sınırlanmış kapalı aralığa kısıtlarız. Bu ek kısıtlamayla birlikte doğru denklemleri doğru parçasını parametrize ederler. t1 –1 y = –1 – 3t, t0 P(–3, 2, –3) fiEK‹L 12.37 Örnek 3, PQ doğru parçasının bir parametrizasyonunu türetir. Ok artan t yönünü göstermektedir. Bir Do¤ru Parças›n› Parametrelemek P(–3, 2, –3) ve Q(1, –1, 4) noktalarını birleştiren doğru parçasının parametreleyin (Şekil 12.37) Çözüm İşe, bu seferlik Örnek 2’den aldığımız, P ve Q’dan geçen doğrunun denklemleriyle başlarız: x = –3 + 4t, y = 2 – 3t, z = –3 + 7t Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri sx, y, zd = s -3 + 4t, 2 - 3t, -3 + 7td noktasının t = 0’da P(–3, 2, –3)’ten ve t = 1’de Q(1, –1, 4)’ten geçtiğini gözlemleriz. Doğru parçasını parametrelemek için 0 t 1 kısıtlamasını ekleriz: x = –3 + 4t, y = 2 – 3t, z = –3 + 7t, 0t1 Uzaydaki bir doğruyu, P0(x0, y0, z0) konumundan başlayıp v vektörü yönünde hareket eden bir parçacığın yolu olarak düşünürsek, vektör formu (Denklem (2)) daha açıklayıcıdır. Denklem (2)’yi yeniden yazarak rstd = r0 + tv = r0 + t ƒ v ƒ æ æ Başlangıç Zaman konumu v . ƒvƒ æ Hız æ 882 (4) Yön Başka bir deyişle, parçacığın t anındaki konumu, başlangıç konumu artı doğru üzerindeki hareketinde v> ƒ v ƒ yönünde kat ettiği mesafe (sürat zaman) dir. ÖRNEK 4 Bir Helikopterin Uçuflu Bir helikopter orijindeki pistten (1, 1, 1) noktası yönünde 60 ft@s süratle doğrudan uçacaktır. Helikopterin 10 saniye sonraki konumu nedir? Çözüm Orijini helikopterin başlangıç konumuna (piste) yerleştiririz. Bu durumda u = 1 1 1 i + j + k 23 23 23 birim vektörü helikopterin uçuş yönünü verir. Denklem (4)’ten helikopterin herhangi bir t anındaki konumu r(t) = r0 + t(sürat) u = 0 + ts60d ¢ 1 1 1 i + j + k≤ 23 23 23 = 2023tsi + j + kd. olur. t = 10 s iken rs10d = 20023 si + j + kd = h 200 23, 20023, 20023 i . bulunur. Orijinden (1, 1, 1) noktasına doğru uçuştan 10 saniye sonra helikopter uzayda s20023, 20023, 20023d noktasındadır. Ki bu r(10) vektörünün uzunluğudur. (60 ft@s)(10 s) = 600 ft mesafe kat etmiştir. 12.5 S Uzayda Bir Noktadan Bir Do¤ruya Olan Uzakl›k Bir S noktasından, bir P noktasından geçen ve bir v vektörüne paralel olan doğruya 1 uzaklığı bulmak için, PS ’nin doğruya normal olan bir vektör doğrultusundaki skaler bileşeninin mutlak değerini buluruz (Şekil 12.38). Şeklin gösterimiyle, skaler bileşenin 1 ƒ PS * v ƒ 1 mutlak değeri, . olan ƒ PS ƒ sin u, dır. ƒvƒ PS sin u u v P 883 Uzayda Do¤rular ve Düzlemler Bir S Noktasından, P’den Geçen ve v’ye Paralel Olan Doğruya Uzaklık 1 ƒ PS * v ƒ d = ƒvƒ fiEK‹L 12.38 S’den, P’ye geçen ve v’ye 1 paralel olan doğruya uzaklık, u PS ve v 1 arasındaki açı olmak üzere u PS u sin u’dır. ÖRNEK 5 (5) Bir Noktadan Bir Do¤ruya Olan Uzakl›¤› Bulmak S(1, 1, 5) noktasından L: x = 1 + t, y = 3 – t, z = 2t doğrusuna olan uzaklığı bulun. L’nin denklemlerinden L’nin v = i – j + 2k’ye paralel olarak P(1, 3, 0)’dan geçtiğini görüyoruz. 1 PS = s1 - 1di + s1 - 3dj + s5 - 0dk = -2j + 5k Çözüm ve i 1 3 PS * v = 0 1 j -2 -1 k 5 3 = i + 5j + 2k, 2 ile, (5) denklemi d = 1 ƒ PS * v ƒ 21 + 25 + 4 230 = = = 25. ƒvƒ 21 + 1 + 4 26 verir. Uzaydaki Bir Düzlem ‹çin Bir Denklem n M düzlemi P(x, y, z) P0(x0, y0, z0) fiEK‹L 12.39 Uzayda bir düzlem için standart denklem, düzleme normal bir vektör cinsinden tanımlanır: Bir P noktası 1 ancak ve yalnız n # P0P = 0 . ise n’ye normal olan ve P0’dan geçen düzlem üzerindedir. Uzayda bir düzlem, üzerinde bulunan bir noktanın bilinmesi ve ‘‘eğikliği’’ veya yönlendirilmesinin bilinmesi ile belirlenir. ‘‘Eğiklik’’, düzleme dik veya normal olan bir vektör belirlenerek tanımlanır. M düzleminin bir P0(x0, y0, z0) noktasından geçtiğini ve sıfırdan farklı n = Ai + Bj + Ck 1 vektörüne normal olduğunu varsayın. Bu durumda M, P0 P ’nin n’ye ortogonal olmasını 1 sağlayacak bütün P(x, y ,z) noktalarının kümesidir (Şekil 12.39). Böylece n # P0 P = 0. olur. Bu denklem sAi + Bj + Ckd # [sx - x0 di + s y - y0 dj + sz - z0 dk] = 0 veya A(x – x0) + B(y – y0) + C(z – z0) = 0 denklemlerine denktir. 884 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri Düzlem Denklemi P0(x0, y0, z0) ’dan geçen ve n = Ai + Bj + Ck’ye normal olan düzlemin 1 n # P0 P = 0. A(x – x0) + B(y – y0) + C(z – z0) = 0 D = Ax0 + By0 + Cz0 olmak üzere Ax + By + Cz = D Vektörel denklemi: Bileşen denklemi: Sadeleştirilmiş bileşen denklemi: ÖRNEK 6 Bir Düzlem ‹çin Bir Denklem Bulmak P0(–3, 0, 7)’den geçen ve n = 5i + 2j – k’ye dik olan düzlemin denklemini bulun. Çözüm Bileşen denklemi 5sx - s -3dd + 2s y - 0d + s -1dsz - 7d = 0. dir. Sadeleştirerek 5x + 15 + 2y – z + 7 = 0 5x + 2y – z = –22 elde ederiz. Örnek 6’da n = 5i + 2j – k’nin bileşenlerinin 5x + 2y – z = –22 denkleminde nasıl x, y ve z’nin katsayıları haline geldiğine dikkat edin. n = Ai + Bj + Ck vektörü Ax + By + Cz = D düzlemine normaldir. ÖRNEK 7 Üç Noktadan Geçen Bir Düzlem ‹çin Bir Denklem A(0, 0, 1), B(2, 0, 0) ve C(0, 3, 0)’dan geçen düzlemi bulun. Çözüm Düzleme normal bir vektör bulur ve bunu noktalardan biriyle (hangisi olduğu fark etmez) kullanarak düzlem için bir denklem buluruz. i 1 1 AB * AC = 3 2 0 j 0 3 k -1 3 = 3i + 2j + 6k -1 vektörel çarpımı düzleme normaldir. Bu vektörün bileşenlerini ve A(0, 0, 1) noktasının koordinatlarını denklemin bileşen formuna yerleştirerek 3(x – 0) + 2 (y – 0) + 6(z – 1) = 0 3x + 2y + 6z = 6 elde ederiz. Kesiflim Do¤rular› Nasıl ki doğrular ancak ve yalnız yönleri aynı ise paraleldirler, iki düzlem de ancak ve yalnız normal vektörleri paralel veya bir k skaleri için n1 = kn2 ise paraleldir. Paralel olmayan iki düzlem bir doğru boyunca kesişir. 12.5 ÖRNEK 8 Uzayda Do¤rular ve Düzlemler 885 ‹ki Düzlemin Kesiflim Do¤rusuna Paralel Bir Vektör Bulmak 3x – 6y – 2z = 15 ve 2x + y – 2z = 5 düzlemlerinin kesişim doğrusuna paralel bir vektör bulun. ZL Ü D n1 EM 2 n2 İki düzlemin kesişim doğrusu düzlemlerin normal vektörleri n1 ile n2’ye diktir (Şekil 12.40) ve dolayısıyla n1 n2’ye paraleldir. Bunu tersine çevirirsek, n1 n2 düzlemlerin kesişim doğrusuna paralel olan bir vektördür. Bizim durumumuzda Çözüm EM ZL DÜ i 3 n1 * n2 = 3 2 n1 n2 1 fiEK‹L 12.40 İki düzlemin arakesit doğrusunun, düzlemlerin normal vektörleri ile nasıl ilişkili olduğu (Örnek 8 ) j -6 1 k -2 3 = 14i + 2j + 15k. -2 olur. n1 n2’nin sıfırdan farklı herhangi bir skaler katı da iş görür. ÖRNEK 9 ‹ki Düzlemin Kesiflim Do¤rusunu Parametrelemek 3x – 6y – 2z = 15 ve 2x + y – 2z = 5 düzlemlerinin kesiştikleri doğrunun parametrik denklemlerini bulun. Çözüm Doğruya paralel bir vektör ve doğru üzerinde bir nokta bularak (3) denklemlerini kullanırız: Örnek 8 v = 14i + 2j + 15k’yi doğruya paralel bir vektör olarak tanımlar. Doğru üzerinde bir nokta bulmak için, iki düzleme de ait herhangi bir noktayı alabiliriz. Düzlem denklemlerinde z = 0 koymak ve x ve y’yi birlikte çözmek bu noktalardan birini (3, –1, 0) olarak belirler. Doğru x = 3 + 14t, y = -1 + 2t, z = 15t. olarak bulunur. z = 0 seçimi keyfidir ve ayrıca z = 1 veya z = –1 de seçebilirdik. Veya x = 0 alır ve y ve z’yi çözebilirdik. Farklı seçimler basitçe, aynı doğrunun farklı parametrizasyonlarını verecektir. Bazen bir doğru ve bir düzlemin nerede kesiştiklerini bilmek isteriz. Örneğin, düz bir plakaya ve plakadan geçen bir doğruya bakıyorsak, doğrunun ne kadarlık bir kısmının görülmesinin plaka tarafından engellendiğini bilmek bizi ilgilendirebilir. Bu uygulama bilgisayar grafiklerinde kullanılır (Alıştırma 74). ÖRNEK 10 Bir Do¤ru ile Bir Düzlemin Kesiflimini Bulmak x = 8 + 2t, 3 y = -2t, z = 1 + t doğrusunun 3x + 2y + 6z = 6 düzlemiyle kesiştiği noktayı bulun. Çözüm a 8 + 2t, -2t, 1 + tb 3 noktası, koordinatları doğrunun denklemini sağlarsa, yani 886 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 3a 8 + 2tb + 2s -2td + 6s1 + td = 6 3 8 + 6t - 4t + 6 + 6t = 6 8t = -8 t = -1. ise, düzlemin üzerindedir. Kesişim noktası sx, y, zd ƒ t = -1 = a 8 2 - 2, 2, 1 - 1b = a , 2, 0b . 3 3 noktasıdır. Bir Noktadan Bir Düzleme Olan Uzakl›k P noktası normali n olan bir düzlem üzerinde ise herhangi bir S noktasından düzleme olan 1 uzaklık, PS vektörünün n üzerine iz düşüm vektörünün uzunluğudur. Yani, S’den düzleme olan uzaklık 1 n ` d = ` PS # ƒnƒ (6) dir. Burada n = Ai + Bj + Ck düzlemin normalidir. ÖRNEK 11 Bir Noktadan Bir Düzleme Uzakl›¤› Bulmak S(1, 1, 3)’ten 3x + 2y + 6z = 6 düzlemine olan uzaklığı bulun. 1 Düzlem üzerinde bir P noktası bulur ve PS ’nin düzleme normal bir n vektörü üzerine iz düşüm vektörünün uzunluğunu hesaplarız (Şekil 12.41). 3x + 2y + 6z = 6 denklemindeki katsayılar n = 3i + 2j + 6k Çözüm verir. z n 3i 2j 6k S(1, 1, 3) 3x 2y 6z 6 (0, 0, 1) S‘den düzleme olan uzaklık 0 (2, 0, 0) P(0, 3, 0) y x 1 fiEK‹L 12.41 S’den düzleme olan uzaklık PS ’nin n üzerine iz düşüm vektörünün uzunluğudur (Örnek 11). 12.5 Uzayda Do¤rular ve Düzlemler 887 Düzlem üzerinde düzlemin denkleminden bulunması en kolay olan noktalar kesim noktalarıdır. P’yi y-kesim noktası (0, 3, 0) olarak alırsak, 1 PS = s1 - 0di + s1 - 3dj + s3 - 0dk = i - 2j + 3k, u n2 ƒ n ƒ = 2s3d2 + s2d2 + s6d2 = 249 = 7. olur. S’den düzleme olan uzaklık n1 1 n d = ` PS # ` ƒnƒ 1 length of projn PS ’nin uzunluğu 3 6 2 = ` si - 2j + 3kd # a i + j + kb ` 7 7 7 = ` 3 18 17 4 ` = - + . 7 7 7 7 olarak bulunur. fiEK‹L 12.42 İki düzlem arasındaki açı normalleri arasındaki açıdan elde edilir. Düzlemler Aras›ndaki Aç›lar Kesişen iki düzlemin arasındaki açı normal vektörleriyle belirlenen (dar) açı olarak tanımlanır (Şekil 12.42). ÖRNEK 12 3x – 6y – 2z = 15 ve 2x + y – 2z = 5 düzlemleri arasındaki açıyı bulun. Çözüm n1 = 3i - 6j - 2k, n2 = 2i + j - 2k vektörleri düzlemlerin normalleridir. Aralarındaki açı u = cos-1 a = cos-1 a n1 # n2 b ƒ n1 ƒ ƒ n2 ƒ 4 b 21 1.38 rad. 79° civarında olarak bulunur. ALIfiTIRMALAR 12.5 Do¤rular ve Do¤ru Parçalar› 5. Orijinden geçen ve 2j + k vektörüne paralel olan doğru. 1–12 alıştırmalarındaki doğruların parametrik denklemlerini bulun. 6. (3, –2, 1) noktasından geçen ve x = 1 + 2t, y = 2 – t, z = 3t doğrusuna paralel olan doğru. 1. P(3, –4, –1)’den geçen i + j + k vektörüne paralel olan doğru. 2. P(1, 2, –1) ve Q(–1, 0, 1)’den geçen doğru. 3. P(– 2, 0, 3) ve Q(3, 5, –2)’den geçen doğru. 4. P(1, 2, 0) ve Q(1, 1, –1)’den geçen doğru. 7. (1, 1, 1)’den geçen ve z-eksenine paralel olan doğru. 8. (2, 4, 5)’ten geçen ve 3x + 7y – 5z = 21 düzlemine dik olan doğru. 9. (0, –7, 0)’dan geçen ve x + 2y + 2z = 13 düzlemine dik olan doğru. 888 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 10. (2, 3, 0)’dan geçen ve u = i + 2j + 3k ile v = 3i + 4j + 5k vektörlerine dik doğru. 36. s2, 1, -1d; x = 2t, 37. s3, -1, 4d; x = 4 - t, y = 3 + 2t, 11. x-ekseni 38. s -1, 4, 3d; x = 10 + 4t, y = -3, 12. z-ekseni 13–20 alıştırmalarındaki noktaları birleştiren doğru parçaları için parametrizasyonlar bulun. Koordinat eksenlerini çizin ve her doğru parçasını, parametrizasyonunuz için artan t yönünü de belirterek çizin. 13. (0, 0, 0), 15. (1, 0, 0), (1, 1, 3> 2) (1, 1, 0) y = 1 + 2t, z = 2t z = -5 + 3t z = 4t 39–44 alıştırmalarında noktadan düzleme olan uzaklığı bulun. 39. s2, -3, 4d, x + 2y + 2z = 13 14. (0, 0, 0), (1, 0, 0) 40. s0, 0, 0d, 16. (1, 1, 0), (1, 1, 1) 41. s0, 1, 1d, 4y + 3z = -12 2x + y + 2z = 4 3x + 2y + 6z = 6 17. s0, 1, 1d, s0, -1, 1d 18. (0, 2, 0), (3, 0, 0) 42. s2, 2, 3d, 19. (2, 0, 2), (0, 2, 0) 20. s1, 0, -1d, s0, 3, 0d 43. s0, -1, 0d, 2x + y + 2z = 4 44. s1, 0, -1d, -4x + y + z = 4 45. x + 2y + 6z = 1 düzleminden x + 2y + 6z = 10 düzlemine olan uzaklığı bulun. Düzlemler 21–26 alıştırmalarındaki düzlemlerin denklemlerini bulun. 21. P0(0, 2, –1)’den geçen, n = 3i – 2j – k’ye normal düzlem 46. x = 2 + t, y = 1 + t, z = –(1@2) – (1@2)t doğrusundan x + 2y + 6z = 10 düzlemine olan uzaklığı bulun. 22. (1, –1, 3)’ten geçen, 3x + y + z = 7 düzlemine paralel düzlem 23. (1, 1, –1), (2, 0, 2) ve (0, –2, 1)’den geçen düzlem Aç›lar 24. (2, 4, 5), (1, 5, 7) ve (–1, 6, 8)’den geçen düzlem 47 ve 48 alıştırmalarındaki düzlemlerin arasındaki açıları bulun 25. P0(2, 4, 5)’ten geçen ve 47. x + y = 1, x = 5 + t, y = 1 + 3t, z = 4t doğrusuna dik düzlem. 26. A(1, –2, 1)’den geçen ve orijinden A’ya giden vektöre dik düzlem. 27. x = 2t + 1, y = 3t + 2, z = 4t + 3 ile x = s + 2, y = 2s + 4, z = – 4s – 1 doğrularının kesişim noktasını ve bu doğruların belirlediği düzlemi bulun. 2x + y - 2z = 2 48. 5x + y - z = 10, x - 2y + 3z = -1 T 49–52 alıştırmalarında düzlemlerin arasındaki dar açıları bir radyanın yüzde biri hassaslıkla bulmak için bir hesap makinesi kullanın. 49. 2x + 2y + 2z = 3, 2x - 2y - z = 5 50. x + y + z = 1, z = 0 (xy-düzlemi) 51. 2x + 2y - z = 3, x + 2y + z = 2 28. x = t, y = –t + 2, z = t + 1 ile x = 2s + 2, y = s + 3, z = 5s + 6 doğrularının kesişim noktasını ve bu doğruların belirlediği düzlemi bulun. 52. 4y + 3z = -12, 3x + 2y + 6z = 6 29–30 alıştırmalarında kesişen doğruların belirledikleri düzlemi bulun. 29. L1: x = -1 + t, y = 2 + t, z = 1 - t; - q 6 t 6 q 53–56 alıştırmalarında doğrunun düzlemi kestiği noktayı bulun. L2: x = 1 - 4s, y = 1 + 2s, z = 2 - 2s; - q 6 s 6 q y = 3 - 3t, z = -2 - t; - q 6 t 6 q 30. L1: x = t, L2: Kesiflen Do¤rular ve Düzlemler 53. x = 1 - t, 54. x = 2, y = 3t, y = 3 + 2t, z = 1 + t; 2x - y + 3z = 6 z = -2 - 2t; 6x + 3y - 4z = -12 55. x = 1 + 2t, y = 1 + 5t, z = 3t; x + y + z = 2 56. x = -1 + 3t, y = -2, z = 5t; 2x - 3z = 7 x = 1 + s, y = 4 + s, z = -1 + s; - q 6 s 6 q 31. P0(2, 1, –1)’den geçen ve 2x + y – z = 3 ile x + 2y + z = 2 düzlemlerinin kesişim doğrusuna dik bir düzlem bulun. 32. P1(1, 2, 3), P2(3, 2, 1) noktalarından geçen ve 4x – y + 2z = 7 düzlemine dik bir düzlem bulun. 57–60 alıştırmalarında düzlemlerin kesişim doğrularının parametrizasyonlarını bulun. 57. x + y + z = 1, x + y = 2 58. 3x - 6y - 2z = 3, 2x + y - 2z = 2 59. x - 2y + 4z = 2, x + y - 2z = 5 Uzakl›klar 60. 5x - 2y = 11, 33–38 alıştırmalarında noktadan doğruya olan uzaklığı bulun. Uzayda iki doğru verilmişse, ya paraleldirler, ya kesişirler ya da paralel değildirler (örneğin, gökyüzündeki iki uçağın uçuş rotalarını düşünün). 61 ve 62 alıştırmaları üç doğru vermektedir. Her defa ikisine bakmak kaydıyla, eğrilerin paralel mi, kesişen mi yoksa paralel olmayan mı olduklarını belirleyin. Kesişiyorlarsa, kesişim noktalarını bulun. 33. s0, 0, 12d; x = 4t, y = -2t, z = 2t 34. s0, 0, 0d; x = 5 + 3t, y = 5 + 4t, z = -3 - 5t 35. s2, 1, 3d; x = 2 + 2t, y = 1 + 6t, z = 3 4y - 5z = -17 12.5 61. L1: x = 3 + 2t, y = -1 + 4t, z = 2 - t; - q 6 t 6 q L2: x = 1 + 4s, y = 1 + 2s, z = -3 + 4s; - q 6 s 6 q L3: x = 3 + 2r, y = 2 + r, z = -2 + 2r; - q 6 r 6 q 62. L1: x = 1 + 2t, y = -1 - t, z = 3t; - q 6 t 6 q L2: x = 2 - s, y = 3s, z = 1 + s; - q 6 s 6 q L3: x = 5 + 2r, y = 1 - r, z = 8 + 3r; - q 6 r 6 q Teori ve Örnekler 63. (3) denklemlerini kullanarak, P1(2, –4, 7)’den geçen ve v1 = 2i – j + 3k’ye paralel doğrunun bir parametrizasyonunu bulun. Sonra P2(–2, –2, 1) noktasını ve v2 = –i + (1@2)j – (3@2)k vektörünü kullanarak doğrunun başka bir parametrizasyonunu üretin. 64. Bileşen formunu kullanarak, P1(4, 1, 5)’den geçen ve n1 = i – 2j + k’ye normal düzlemin bir denklemini üretin. Sonra aynı düzlem için P2(3, –2, 0) noktasını ve n2 = - 22i + 2 22j - 22k . normal vektörünü kullanarak başka bir denklem üretin. 65. x = 1+ 2t, y = –1 – t, z = 3t doğrusunun koordinat düzlemlerini kestiği noktaları bulun. Yanıtınızı açıklayın. Uzayda Do¤rular ve Düzlemler 72. L1 ve L2’yi ayrık (kesişmeyen), paralel olmayan doğrular olarak varsayın. Sıfırdan farklı bir vektörün hem L1’e hem L2’ye dik olması mümkün mü? Yanıtınızı açıklayın. Bilgisayar Grafikleri 73. Bilgisayar grafiklerinde perspektif Bilgisayar grafikleri ve perspektif çizimlerde, uzayda gözle görülen cisimleri iki boyutlu bir düzlemdeki görüntüler olarak temsil etmemiz gerekir. Gözün, aşağıda gösterildiği gibi, E(x0, 0, 0)’da bulunduğunu ve bir P1(x1, y1, z1) noktasını yz-düzleminde bir nokta olarak temsil etmek istediğimizi varsayın. Bunu, E’den gelen bir ışınla P1’in düzlem üzerine izdüşümünü düşürerek yaparız. P1 noktası P(0, y, z) noktası olarak görülecektir. Grafik tasarımcıları olarak sorunumuz E ve P1 verildiğinde, y ve z’yi bulmaktır. 1 1 a. EP ve EP1 . ve arasında geçerli olan bir vektör denklemi yazın. Denklemi kullanarak y ve z’yi x0, x1, y1 ve z1 cinsinden ifade edin. b. (a) şıkkında y ve z için bulunan formülleri, x1 = 0 ve x1 = x0’daki davranışlarını araştırarak ve x0 → ∞ iken neler olduğunu görerek kontrol edin. Ne buluyorsunuz? z 66. z = 3 düzleminde i ile p@6 radyanlık ve j ile p@3 radyanlık bir açı yapan doğrunun denklemlerini bulun. Yanıtınızın ardındaki mantığı anlatın. P(0, y, z) P1(x1, y1, z1) 67. x = 1 – 2t, y = 2 +5t, z = –3t doğrusu 2x + y – z = 8 düzlemine paralel midir? Yanıtınızı açıklayın. 0 68. A1x + B1y + C1z = D1 ve A2x + B2y + C2z = D2 gibi iki düzlemin ne zaman paralel ve ne zaman dik olduklarını nasıl söyleyebilirsiniz? Yanıtınızı açıklayın. 69. Kesişimleri x = 1 + t, y = 2 – t, z = 3 + 2t doğrusu olan iki farklı düzlem bulun. Her düzlemin denklemini Ax + By + Cz = D şeklinde yazın. 70. Orijinden geçen ve M: 2x + 3y + z = 12 düzlemini dik açıyla kesen bir düzlem bulun. Düzleminizin M’ye dik olduğunu nereden biliyorsunuz? 71. Sıfırdan farklı herhangi a, b ve c sayıları için, (x@a) + (y@b) + (z@c) = 1’in grafiği bir düzlemdir. Hangi düzlemlerin bu şekilde bir denklemi vardır? 12.6 889 y (x1, y1, 0) E(x0, 0, 0) x 74. Saklı doğrular Burada bilgisayar grafiklerinin başka bir tipik problemi verilmektedir. Gözünüz (4, 0, 0)’dadır. Köşeleri (1, 0, 1), (1, 1, 0) ve (–2, 2, 2)’de olan üçgen bir plakaya bakıyorsunuz. (1, 0, 0)’dan (0, 2, 2)’ye giden doğru parçası plakadan geçmektedir. Plaka doğru parçasının hangi kısmını görmenizi engellemektedir? (Bu, doğrularla düzlemlerin kesişmesiyle ilgili bir problemdir.) Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler Şu ana kadar yüzeylerin iki özel tipini inceledik: küreler ve düzlemler. Bu bölümde envanterimizi çeşitli silindirleri ve kuadrik yüzeyleri içerecek şekilde genişletiyoruz. Kuadrik yüzeyler x, y ve z’nin ikinci-derece denklemleri ile tanımlanan yüzeylerdir. Küreler kuadrik yüzeylerdir fakat aynı derecede ilginç başkaları da vardır. Silindirler Bir silindir bir doğruyu verilen sabit bir doğruya paralel tutarak, verilen düzlemsel bir eğri boyunca hareket ettirmekle üretilen bir yüzeydir. Eğri, silindirin üretici eğrisidir (Şekil 890 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 12.43). Silindirin dairesel silindir anlamına geldiği katı geometrisinde, üretici eğriler çemberlerdir, fakat artık her türlü üretici eğriye izin veriyoruz. İlk örneğimizdeki silindir bir parabol tarafından üretilmiştir. Bir silindir veya başka bir yüzeyi elle çizerken veya bilgisayarla üretilen bir tanesini incelerken, yüzeyin koordinat düzlemlerine paralel düzlemlerle kesişmesiyle oluşan eğrilere bakmak yardımcı olur.Bu eğrilere kesit veya iz denir. ÖRNEK 1 y = x2 Parabolik Silindiri z-eksenine paralel olan ve y = x2, z = 0 parabolünden geçen doğruların ürettiği silindirin denklemini bulun (Şekil 12.44). z z Üretici eğri (yz-düzleminde) x y y x fiEK‹L 12.43 z Üretici eğri y x2, z 0 Üretici eğriden geçen ve x-eksenine paralel doğrular Bir silindir ve üretici eğrisi fiEK‹L 12.44 xy-düzlemindeki y = x2 parabolünden z-eksenine paralel olarak geçen eğrilerin silindiri (Örnek 1) Q0(x0, x02, z) P0(x0, x02, 0) noktasının xy-düzlemindeki y = x2 parabolünde bulunduğunu varsayın. Bu durumda, z’nin herhangi bir değeri için, Q(x0, x02, z) noktası silindir üzerinde bulunacaktır, çünkü P0’dan geçen ve z-eksenine paralel olan x = x0, y = x02 doğrusu üzerinde olacaktır. Tersine, y-koordinatı x-koordinatının karesine eşit olan her Q(x0, x02, z) noktası silindir üzerindedir. Çünkü P0’dan geçen ve z eksenine paralel olan x = x0, y = x02 doğrusu üzerinde bulunmaktadır (Şekil 12.45). Dolayısıyla, z’nin değeri ne olursa olsun, yüzey üzerindeki noktalar koordinatları y = x2 denklemini sağlayan noktalardır. Bu, y = x2’yi silindirin denklemi yapar. Bu nedenle silindire “y = x2 silindiri” deriz. Çözüm P0(x0, x02, 0) 0 x y RA PA BO L y x2 fiEK‹L 12.45 Şekil 12.44’teki silindirin her noktasının koordinatları (x0, x02, z) şeklindedir. Silindire “y = x2 silindiri” deriz. Örnek 1’in önerdiği gibi, xy-düzlemindeki herhangi bir ƒ(x, y) = c eğrisi, denklemi yine ƒ(x, y) olan z-eksenine paralel bir silindir tanımlar. x2 + y2 = 1 denklemi z-eksenine paralel doğrularla yapılmış, xy-düzlemindeki x2 + y2 = 1 çemberinden geçen bir silindir tanımlar. x2 + 4y2 = 9 denklemi z-eksenine paralel ve xy-düzlemindeki x2 + 4y2 = 9 elipsinden geçen doğrularla yapılmış eliptik silindiri tanımlar. Benzer şekilde, xz-düzlemindeki herhangi bir g(x, z) = c eğrisi y-eksenine paralel ve uzay denklemi yine g(x, z) = c olan bir silindir tanımlar (Şekil 12.46). Herhangi bir 12.6 Eliptik iz (kesit) z 1 891 Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler h(y, z) = c denklemi x-eksenine paralel ve uzay denklemi yine h(y, z) = c olan bir silindir tanımlar (Şekil 12.47). Bununla birlikte, bir silindirin ekseni bir koordinat eksenine paralel olmak zorunda değildir. Üretici elips x2 4z2 4 İP S –2 EL z Üretici hiperbol y2 z2 1 z y2 z2 1 y x 2 –1 z 1 –1 –1 1 y y PE RB OL x2 4z2 4 x Hİ Hİ x PE RB y fiEK‹L 12.46 x2 + 4z2 = 4 eliptik silindiri yeksenine paralel olan ve x2 + 4z2 = 4 elipsinden geçen doğrulardan yapılmıştır. Silindirin y-eksenine paralel düzlemlerdeki kesitleri veya “izleri” üretici elipse benzer elipslerdir. Silindir y-ekseni boyunca uzanır. x-eksenine dik kesitler OL x fiEK‹L 12.47 y2 – z2 = 1 hiperbolik silindiri x-eksenine paralel ve yz-düzlemindeki y2 – z2 = 1 hiperbolünden geçen doğrularla yapılmıştır. Silindirin x-eksenine dik düzlemlerdeki kesitleri üretici hiperbole benzer hiperbollerdir. Kuadrik Yüzeyler Şimdi inceleyeceğimiz yüzey tipi bir kuadrik yüzeydir. Bu yüzeyler elipslerin, parabollerin ve hiperbollerin üç boyutlu benzerleridirler. Bir kuadrik yüzey x, y ve z’nin ikinci dereceden bir denkleminin uzaydaki grafiğidir. A, B, C vs. sabitler olamak üzere, en genel şekli Ax2 + By2 + Cz2 + Dxy + Eyz + Fxz + Gx + Hy + Jz + K = 0 denklemi gibidir, fakat bu denklem, iki boyutlu halde olduğu gibi, öteleme ve döndürme ile basitleştirilebilir. Sadece basit denklemleri inceleyeceğiz. Farklı tanımlandıkları halde, Şekil 12.45 – 12.47’deki silindirler de kuadrik yüzeylerin örnekleriydi. Temel kuadrik yüzeyler elipsoidler, paraboloidler, eliptik koniler ve hiperboloidlerdir (Küreleri özel elipsoidler olarak düşünüyoruz). Şimdi her tipte örnekler gösteriyoruz. ÖRNEK 2 Elipsoidler y2 x2 z2 + + 2 = 1 2 2 a b c (1) elipsoidi (Şekil 12.48) koordinat eksenlerini ( a, 0, 0), (0, b, 0) ve (0, 0, c)’de keser. u xu a, u yu b ve u zu c eşitsizleriyle tanımlanan dikdörtgen kutunun içinde bulunur. Yüzey koordinat eksenlerinin her birine göre simetriktir, çünkü tanımlayıcı denklemdeki değişkenlerin kareleri alınmıştır. Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri z z z z0 düzlemindeki eliptik kesit c z0 a xy- düzlemindeki y2 x2 2 1 elipsi 2 a b ELİPS b ELİPS xy-düzlemindeki y x yz- düzlemindeki y2 z2 2 1 elipsi b2 c x2 z2 2 1 elipsi 2 a c fiEK‹L 12.48 y İPS x EL 892 Örnek 2’deki y2 x2 z2 + 2 + 2 = 1 2 a b c elipsoidinin üç koordinat düzlemi ile de kesitleri elipslerdir. Üç koordinat düzleminin yüzeyi kestikleri eğriler elipstir. Örneğin, z = 0 iken y2 x2 + = 1 a2 b2 when z = 0. olur. z = z0 , ƒ z0 ƒ 6 c, düzleminin yüzeyden kestiği kesit y2 x2 + 2 = 1. 2 a s1 - sz0>cd d b s1 - sz0>cd2 d 2 elipsidir. a, b ve c yarı eksenlerinden ikisi aynıysa, yüzey bir dönel elipsoiddir. Üçü de eşitse, yüzey bir küredir. ÖRNEK 3 Paraboloidler y2 x2 z + = c a2 b2 (2) eliptik paraboloidi x = 0 ve y = 0 düzlemlerine göre simetriktir (Şekil 12.49). Eksenlerdeki tek kesim noktası orijindir. Bu nokta dışında, yüzey, c’nin işaretine bağlı olarak, tamamen xy-düzleminin altında c 0 ise veya üstünde c 0 ise bulunur. Koordinat düzlemlerinin kestikleri kesitler c x = 0: z = —2 y2 parabolü b c y = 0: z = —2 x2 parabolü a z = 0: (0, 0, 0) noktası olarak bulunur. 12.6 xz-düzlemindeki c z 2 x2 parabolü a Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler z 893 z z = c düzlemindeki y2 x2 2 1 elipsi 2 a b zc a b PAR AB ELİPS OL yz-düzlemindeki c z 2 y2 parabolü b y y x x fiEK‹L 12.49 Örnek 3’te c 0 için gösterilmiş (x2@a2) + (y2@b2) = z@c eliptik paraboloidi. xydüzleminin üst tarafında z-eksenine dik kesitler elipstir. z-eksenini içeren düzlemlerdeki kesitler paraboldür. xy-düzleminin üst tarafındaki her z = z0 düzlemi yüzeyi y2 z0 x2 + = c. 2 2 a b elipsi boyunca keser. ÖRNEK 4 Koniler y2 x2 z2 + 2 = 2 2 a b c (3) eliptik konisi üç koordinat eksenine göre de simetriktir (Şekil 12.50). Koordinat düzlemz yz- düzlemindeki z – c y doğrusu b z = c düzlemindeki y2 x2 2 1 elipsi 2 a b zc a z b ELİP S xz-düzlemindeki z ac x doğrusu y y x x ELİP S fiEK‹L 12.50 Örnek 5’teki (x2@a2) + (y2@b2) – (x2@a2) + (y2@b2) = 1 hiperboloidi. z-eksenine dik düzlemler hiperboloidi elipslerle keserler. z-eksenini içeren dikey düzlemlerin hiperboloid ile kesişimleri hiperbollerdir. Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri lerinin kestiği kesitler x = 0: y = 0: z = 0: c — y doğruları b c z = — x doğruları a (0, 0, 0) noktasında z= olarak bulunur. z = z0 düzlemlerinin xy-ekseninin altında ve üstünde kestikleri kesitler merkezleri z-ekseninde olan ve tepe noktaları yukarıda verilen doğrular üzerinde bulunan elipslerdir. a = b ise, koni dik dairesel bir konidir. ÖRNEK 5 Hiperboloidler y2 x2 z2 + - 2 = 1 2 2 a b c (4) tek katmanlı hiperboloidi üç koordinat eksenine göre de simetriktir (Şekil 12.51). 2 2 xz-düzlemindeki x2 z2 1 hiperbolünün parçası a c z z z = c düzlemindeki y2 x2 2 elipsi a2 b2 zc b兹2 L a兹2 HİPERBO ELİPS xy-düzlemindeki y2 x2 1 elipsi a2 b2 b a yz-düzlemindeki x y2 z2 2 1 2 b c hiperbolünün parçası ELİPS y y HİPERBOL 894 x ELİPS fiEK‹L 12.51 Örnek 5’teki (x2@a2) + (y2@b2) – (z2@c2) = 1 hiperboloidi. z-eksenine dik düzlemler hiperboloidi elipslerle keserler. z-eksenini içeren dikey düzlemlerin hiperboloid ile kesişimleri hiperbollerdir. Koordinat düzlemlerinin kestiği kesitler x = 0: y = 0: z = 0: olarak bulunur. y2 z2 —2 – —2 = 1 hiperbolü b c 2 x z2 —2 – —2 = 1 hiperbolü a c x2 y2 —2 + — = 1 elipsi a b2 12.6 895 Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler z = z0 düzlemi yüzeyi, merkezleri z-ekseninde ve tepe noktaları yukarıdaki hiperbolik kesitlerden biri üzerinde bulunan bir elipsle keser. Yüzey bağlantılıdır, yani üzerindeki bir noktadan diğerine yüzeyi terk etmeden gitmek mümkündür. Bu nedenle, iki tane katmanı olan bir sonraki örnekteki hiperbolün aksine, bir tane katmanı vardır denir. a = b ise, hiperboloid bir dönel yüzeydir. ÖRNEK 6 Hiperboloidler y2 x2 z2 = 1 c2 a2 b2 (5) iki katmanlı hiperboloidi üç koordinat düzlemine göre de simetriktir (Şekil 12.52). z = 0 düzlemi yüzeyi kesmez; aslında yatay bir düzlemin yüzeyi kesebilmesi için, u z u c olmalıdır. x = 0: y2 z2 = 1 c2 b2 y = 0: x2 z2 - 2 = 1 2 c a hiperbolik kesitlerinin tepe noktaları ve odakları z-eksenindedir. Yüzey iki kısma ayrılmıştır, biri z = c düzleminin üst tarafında, diğeri z = – c düzleminin altındadır. Bu ismini açıklar. z z z c兹2 düzlemindeki y2 x2 2 1 elipsi 2 a b L b a H İP ER BO ELİPS xz-düzlemindeki z2 x2 1 hiperbolü c2 a2 (0, 0, –c) Tepe noktası L x OL O y HİPERB Hİ PE RB x 0 yz- düzleminde (0, 0, c) 2 2 Tepe noktası z y 1 hiperbolü c2 b2 y ELİPS fiEK‹L 12.52 Örnek 6’daki (z2@c2) – (x2@a2) – (y2@b2) = 1 hiperboloidi. Tepe noktalarının üst ve alt tarafında, z-eksenine dik düzlemler hiperboloidi elipslerle keserler. z-eksenini içeren dikey düzlemlerin hiperboloidle kesişimleri hiperbollerdir. 896 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri (4) ve (5) denklemlerinde farklı sayıda negatif terim vardır. Her durumdaki sayı hiperboloidin katman sayısıyla aynıdır. (4) veya (5) denkleminin sağ tarafındaki 1 yerine 0 yazarsak, bir eliptik koni için verilen (( Denklem 3) z y2 x2 z2 + = a2 b2 c2 denklemini buluruz. Hiperboloidler bu koniye (Şekil 12.53), y2 x2 = ;1 a2 b2 0 hiperbollerinin, xy-düzlemindeki y y2 x2 = 0 a2 b2 doğrularına asimptot oldukları gibi, asimptotturlar. x ÖRNEK 7 Bir Eyer Noktas› y2 b 2 - x = 0: y = 0: yz-düzlemindeki z c2 y2 parabolü b z ERBO c 7 0 (6) hiperbolik paraboloidi x = 0 ve y = 0 düzlemlerine göre simetriktir (Şekil 12.54). Bu düzlemlerdeki kesitler şöyledir: fiEK‹L 12.53 İki hiperboloid de koniye asimptottur (Örnek 6). HİP x2 z = c, a2 c z = —– y2 parabolü b2 c z = — x2 parabolü a2 (7) (8) z z = c düzlemindeki y2 x2 1 hiperbolü b2 a2 L PA y RA BO xz-düzlemindeki z – c2 x2 parabolü a PA x RABOL L Eyer Noktası y z = –c düzlemindeki 2 x2 y 1 hiperbolü a2 b2 x fiEK‹L 12.54 (y2@b2) – (x2@a2) = z@c, c 0 hiperbolik paraboloidi. xy-düzleminin üst ve alt tarafında z-eksenine dik kesitler hiperbollerdir.Diğer eksenlere dik kesitler parabollerdir. 12.6 897 Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler x = 0 düzleminde, parabol orijinden yukarı açılır. y = 0 düzlemindeki parabol aşağı açılır. Yüzeyi bir z = z0 0 düzlemiyle kesersek, kesit odak ekseni y-eksenine paralel ve tepe noktaları (7) denklemindeki parabol üzerinde bulunan bir hiperboldür: y2 b 2 z0 x2 = c, 2 a z0 negatifse, odak ekseni x-eksenine paraleldir ve tepe noktaları (8) denklemindeki parabol üzerindedir. Orijin yakınında, yüzey bir eyer veya bir dağ geçidi biçimindedir. yz-düzleminde yüzey boyunca dolaşan bir kişiye göre, orijin bir minimum gibi görünür. xz-düzleminde dolaşan bir kişiye göre ise, orijin bir maksimuma benzer. Böyle bir noktaya yüzeyin bir eyer noktası denir. TEKNOLOJ‹ KULLANMAK Uzayda Görüntüleme Bir Bilgisayarlı Cebir Sistemi (BCS) veya diğer bir grafik çizim programı uzayda yüzeyleri görüntülememize yardım edebilir. Çoğu insanın gösterebileceğinden daha fazla sabırla farklı düzlemlerdeki izleri çizebilir. Çoğu bilgisayar grafik çizici sistemi şekli elinizde döndürebileceğiniz bir fiziksel kalıp gibi görebileceğiniz şekilde döndürebilir. Saklı-doğru algoritmaları (Bölüm 12.5, Alıştırma 74’e bakın) yüzeyin baktığınız yerden göremeyeceğiniz kısımlarını saklamakta kullanılır. Genellikle bir BCS yüzeylerin, Bölüm 16.6’da tartışılacak parametrik şekilde girilmesini isteyecektir (ayrıca Bölüm 14.1’ deki 57-60 BCS araştırmalarına bakın). Bazen bir yüzeyin tümünü görebilmek için, latisi yönlendirmeniz gerekebilir. ALIfiTIRMALAR 12.6 c. Denklemleri Yüzeylerle Efllefltirmek d. z z 1–12 alıştırmalarında denklemi, tanımladığı yüzeyle eşleştirin. Ayrıca, her yüzeyi tipi (paraboloid, elipsoid, vb.) ile belirleyin. Yüzeyler (a)–(l) olarak numaralanmıştır. 1. x 2 + y 2 + 4z 2 = 10 2 2. z 2 + 4y 2 - 4x 2 = 4 2 3. 9y + z = 16 4. y 2 + z 2 = x 2 5. x = y 2 - z 2 6. x = -y 2 - z 2 2 2 8. z 2 + x 2 - y 2 = 1 7. x + 2z = 8 2 9. x = z - y 2 2 10. z = -4x - y 11. x 2 + 4z 2 = y 2 z e. y x z f. 2 x z b. x x y 12. 9x 2 + 4y 2 + 2z 2 = 36 z a. x y x y y y 898 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri z g. 37. sy 2>4d + sz 2>9d - sx 2>4d = 1 z h. 38. sx 2>4d + sy 2>4d - sz 2>9d = 1 40. sy 2>4d - sx 2>4d - z 2 = 1 39. z 2 - x 2 - y 2 = 1 41. x - y - sz >4d = 1 2 y x x y 2 42. sx 2>4d - y 2 - sz 2>4d = 1 2 H‹PERBOL‹K PARABOLO‹DLER 43. y 2 - x 2 = z z i. z j. KARIfiIK 45. x 2 + y 2 + z 2 = 4 46. 4x 2 + 4y 2 = z 2 47. z = 1 + y 2 - x 2 48. y 2 - z 2 = 4 2 y x 44. x 2 - y 2 = z x y 49. y = -sx + z d 50. z 2 - 4x 2 - 4y 2 = 4 51. 16x 2 + 4y 2 = 1 52. z = x 2 + y 2 + 1 2 2 2 2 54. x = 4 - y 2 53. x + y - z = 4 z k. 56. z 2 - sx 2>4d - y 2 = 1 55. x 2 + z 2 = y z l. 2 2 58. 4x 2 + 4y 2 + z 2 = 4 57. x + z = 1 59. 16y 2 + 9z 2 = 4x 2 2 x y x 2 61. 9x + 4y + z = 36 62. 4x 2 + 9z 2 = y 2 63. x 2 + y 2 - 16z 2 = 16 64. z 2 + 4y 2 = 9 2 y 60. z = x 2 - y 2 - 1 2 65. z = -sx + y d 66. y 2 - x 2 - z 2 = 1 67. x 2 - 4y 2 = 1 68. z = 4x 2 + y 2 - 4 2 2 2 2 70. z = 1 - x 2 69. 4y + z - 4x = 4 Çizim 72. sx 2>4d + y 2 - z 2 = 1 71. x 2 + y 2 = z 13–76 alıştırmalarındaki yüzeyleri çizin. S‹L‹ND‹RLER 2 2 13. x + y = 4 2 2 73. yz = 1 74. 36x 2 + 9y 2 + 4z 2 = 36 75. 9x 2 + 16y 2 = 4z 2 76. 4z 2 - x 2 - y 2 = 4 2 14. x + z = 4 16. x = y 2 Teori ve Örnekler 17. x + 4z = 16 18. 4x 2 + y 2 = 36 77. a. z = c düzlemi tarafından 19. z 2 - y 2 = 1 20. yz = 1 15. z = y - 1 2 2 x2 + EL‹PSO‹DLER 21. 9x 2 + y 2 + z 2 = 9 22. 4x 2 + 4y 2 + z 2 = 16 23. 4x 2 + 9y 2 + 4z 2 = 36 24. 9x 2 + 4y 2 + 36z 2 = 36 PARABOLO‹DLER y2 z2 + = 1 4 9 elipsoidinden kesilen kesitin alanı A’yı c’nin bir fonksiyonu olarak ifade edin. (Yarı eksenleri a ve b olan bir elipsin alanı pab’dir.) 25. z = x 2 + 4y 2 26. z = x 2 + 9y 2 b. z-eksenine paralel dilimler elipsoidin hacmini bulun. 27. z = 8 - x 2 - y 2 28. z = 18 - x 2 - 9y 2 c. Şimdi 29. x = 4 - 4y 2 - z 2 30. y = 1 - x 2 - z 2 KON‹LER 31. x 2 + y 2 = z 2 32. y 2 + z 2 = x 2 33. 4x 2 + 9z 2 = 9y 2 34. 9x 2 + 4y 2 = 36z 2 H‹PERBOLO‹DLER 35. x 2 + y 2 - z 2 = 1 36. y 2 + z 2 - x 2 = 1 kullanarak (a) şıkkındaki y2 x2 z2 + + 2 = 1. 2 2 a b c elipsoidinin hacmini bulun. a = b= c ise, formülünüz a yarıçaplı bir kürenin hacmini verir mi? 78. Yan sayfada gösterilen varil uçlarından z-eksenine paralel eşit parçalar kesilmiş bir elipsoide benzemektedir. z-eksenine dik 12.6 kesitler daireseldir. Orta noktasında yarıçapı R’dir ve iki ucunda da yarıçap r’dir. Varilin hacmi için bir formül bulun. Sonra iki şeyi kontrol edin. Birincisi, varilin kenarlarının, varili 2h yükseklikli ve R yarıçaplı bir silindire döndürecek şekilde düzleştirildiğini varsayın. Formülünüz silindirin hacmini veriyor mu? İkinci olarak, r = 0 ve h = R olduğunu, yani varilin bir küre olduğunu varsayın. Formülünüz kürenin hacmini verir mi? 899 82. xy-düzleminde bir eğri elde edecek şekilde Ax 2 + By 2 + Cz 2 + Dxy + Eyz + Fxz + Gx + Hy + Jz + K = 0 denkleminde z = 0 koyduğunuzu varsayın. Eğri neye benzer? Yanıtınızı açıklayın. 83. Koordinat eksenlerine paralel bir düzlemde ne zaman bir kuadrik yüzeyin denklemini bulduysak, bu hep bir konik kesit olmuştur. Bu sadece basit bir tesadüf müdür? Böyle olması gerekir mi? Yanıtınızı açıklayın. z r h Silindirler ve Kuadrik Yüzeyler 84. Bir kuadrik yüzeyi koordinat eksenlerine paralel olmayan bir yüzeyle kestiğinizi varsayın. Düzlemdeki iz neye benzeyecektir? Yanıtınızı açıklayın. R y x r –h T Bilgisayar Grafik Araflt›rmalar› 85–88 alıştırmalarındaki yüzeyleri belirtilen tanım bölgelerinde çizin. Yapabiliyorsanız, yüzeyi değişik görünümler için döndürün. 85. z = y 2, 2 79. z = h düzlemi ile 2 y x z + 2 = c a2 b 2 paraboloidinden kesilen parçanın hacminin, parçanın tabanı kere yüksekliğinin yarısı olduğunu gösterin (Şekil 12.49 h = c özel durumu için parçayı göstermektedir). 80. a. z = 0 ve z = h, h 0 düzlemleri ve y2 x2 z2 + 2 - 2 = 1 2 a b c hiperboloidi ile sınırlanan cismin hacmini bulun. b. (a)’daki yanıtınızı, z = 0 ve z = h düzlemleriyle hiperboloidden kesilen parçaların alanları olan A0 ve Ah cinsinden ifade edin. c. (a) şıkkındaki hacmin, aynı zamanda, Am hiperboloidin z = h@2 düzleminden kestiği alanın hacmi olmak üzere, V = h sA + 4Am + Ah d , 6 0 formülüyle de verileceğini gösterin. 2 81. (y @b2) – (x2@a2) = z@c hiperbolik paraboloidi y = y1 düzlemi ile kesilirse, ortaya çıkan eğri bir paraboldür. Tepe noktasını ve odağını bulun. Bölüm 12 -2 … x … 2, -0.5 … y … 2 86. z = 1 - y , -2 … x … 2, -2 … y … 2 87. z = x 2 + y 2, -3 … x … 3, -3 … y … 3 2 88. z = x + 2y 2 over a. -3 … x … 3, -3 … y … 3 b. -1 … x … 1, -2 … y … 3 c. -2 … x … 2, -2 … y … 2 d. -2 … x … 2, -1 … y … 1 B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Yüzey Çizimleri 89–84 alıştırmalarındaki yüzeyleri çizmek için bir BCS kullanın. Kuadrik yüzeyin tipini grafiğinizden tanımlayın. y2 y2 x2 x2 z2 z2 89. 90. + = 1 = 1 9 36 25 9 9 16 y2 x2 2 2 2 91. 5x = z - 3y 92. = 1 + z 16 9 2 y x2 z2 93. 94. y - 24 - z 2 = 0 - 1 = + 9 16 2 Bölüm Tekrar Sorular› 1. Yönlü doğru parçaları ne zaman aynı vektörü temsil ederler? 3. Bir vektörün yönünü ve büyüklüğünü nasıl bulursunuz? 2. Vektörler geometrik ve cebirsel olarak nasıl toplanır ve çıkarılırlar? 4. Bir vektör pozitif bir skalerle çarpılırsa, sonuç orijinal vektörle nasıl ilişkilidir? Ya skaler sıfır veya negatifse? 900 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 5. İki vektörün nokta çarpımını (skaler çarpım) tanımlayın. Nokta çarpımları hangi cebirsel kuralları (komütatif, birleşme, dağılma, sadeleşme) sağlarlar ve, varsa, hangilerini sağlamazlar? Örnek verin. İki vektörün nokta çarpımı ne zaman sıfırdır? 6. Nokta çarpımlarının ne gibi geometrik veya fiziksel yorumları vardır? Örnek verin. 7. Bir u vektörünün bir v vektörü üzerine iz düşüm vektörü nedir? u’yu v’ye paralel bir vektör ile v’ye ortogonal bir vektörün toplamı olarak nasıl yazarsınız? 8. İki vektörün vektörel çarpımını tanımlayın. Vektörel çarpımlar hangi cebirsel kuralları (komütatif, birleşme, dağılma, sadeleşme) sağlarlar ve, varsa, hangilerini sağlamazlar? Örnek verin. İki vektörün vektörel çarpımı ne zaman sıfırdır? 9. Vektörel çarpımların ne gibi geometrik ve fiziksel yorumları vardır? Örnekler verin. 10. Kartezyen i, j, k koordinat sistemine göre iki vektörün vektörel çarpımını hesaplamak için determinant formülü nedir? Bir örnekte kullanın. Bölüm 12 11. Uzaydaki doğrular, doğru parçaları ve düzlemlerin denklemlerini nasıl bulursunuz? Örnekler verin. Uzayda bir doğru veya düzlemi tek bir denklemle ifade edebilir misiniz? 12. Uzayda bir noktadan bir doğruya olan uzaklığı nasıl bulursunuz? Ya bir noktadan bir düzleme? Örnekler verin. 13. Kutu çarpımları nedir? Özellikleri nelerdir? Nasıl hesaplanırlar? Örnek verin. 14. Uzayda kürelerin denklemi nasıl bulunur? Örnekler verin. 15. Uzayda iki doğrunun kesişimini nasıl bulursunuz? Ya bir doğru ile bir düzlemin veya iki düzlemin? Örnekler verin. 16. Bir silindir nedir? Kartezyen koordinatlarda silindirleri tanımlayan denklemlere örnekler verin. 17. Kuadrik yüzeyler nelerdir? Farklı elipsoidlere, paraboloidlere, konilere ve hiperboloidlere örnekler verin (denklemleri ve çizimleri). Problemler 1. 3u - 4v 2. u + v 16. v = (3@5)i + (4@5)k vektörünün ters yönünde ve 5 birim uzunlukta bir vektör bulun. 17 ve 18 alıştırmalarında, uvu, uuu, v u, u v, v u, u v, uv uu, v ile u arasındaki açıyı, u’nun v yönündeki skaler bileşenini ve u’nun v üzerine iz düşüm vektörünü bulun. 3. -2u 4. 5v 17. v = i + j ‹ki Boyutta Vektör Hesaplamalar› 1–4 alıştırmalarında u = –3, 4 ve v = 2, –5 olsun. (a) vektörün bileşen formunu ve (b) büyüklüğünü bulun 5–8 alıştırmalarında vektörün bileşen formunu bulun 5. 0, 1’i 2p@3 radyanlık bir açıyla döndürerek elde edilen vektör. 18. v = i + j + 2k u = 2i + j - 2k u = -i - k 6. Pozitif x-ekseni ile p@6 radyanlık açı yapan birim vektör. 19 ve 20 alıştırmalarında, u’yu v’ye paralel bir vektör ile v’ye ortogonal bir vektörün toplamı olarak yazın. 7. 4i – j yönünde 2 birim uzunluktaki vektör. 19. v = 2i + j - k 8. (3@5)i + (4@5)j vektörünün ters yönünde ve 5 birim uzunluktaki vektör. 9–12 alıştırmalarındaki vektörleri uzunlukları ve yönleri cinsinden ifade edin. 9. 22i + 22j 10. -i - j 20. u = i - 2j u = i + j - 5k v = i + j + k 21 ve 22 Alıştırmalarında, koordinat eksenleri çizin ve sonra u, v ve uu vu vektörlerini orijinden başlayan vektörler olarak çizin 21. u = i, v = i + j 22. u = i - j, v = i + j 11. t = p@2 iken v = s -2 sin tdi + s2 cos tdj hız vektörü. 23. uv u = 2, uwu= 3 ve v ile w arasındaki açı p@3 ise, uv –2wu’yu bulun. 12. t = ln 2 iken v = se t cos t - e t sin tdi + se t sin t + e t cos tdj hız vektörü. 24. Hangi a değeri veya değerleri için u = 2i + 4j – 5k ve v = – 4i – 8j + ak vektörleri paralel olur? Üç Boyutta Vektör Hesaplamalar› 25 ve 26 alıştırmalarında, (a) u ve v vektörlerinin tanımladıkları paralelkenarın alanını (b) u, v ve w vektörlerinin tanımladığı paralelyüzlünün hacmini bulun. 13 ve 14 alıştırmalarındaki vektörleri uzunlukları ve yönleri cinsinden ifade edin. 13. 2i - 3j + 6k 14. i + 2j - k 15. v = 4i – j + 4k yönünde 2 birim uzunlukta bir vektör bulun. 25. u = i + j - k, 26. u = i + j, v = 2i + j + k, v = j, w = i + j + k w = -i - 2j + 3k Bölüm 12 Problemler Do¤rular, Düzlemler ve Uzakl›klar 901 1 48. n # P0 P = 0 denklemi P0’dan geçen ve n’ye normal olan düzlemi 1 temsil eder. n # P0 P 7 0 eşitsizliği hangi kümeyi temsil eder? 27. n’nin bir düzleme normal ve v’nin aynı düzleme paralel olduğunu varsayın. Hem v’ye dik, hem de düzleme paralel bir u vektörünü nasıl bulacağınızı tanımlayın. 49. P(1, 4, 0) noktasının A(0, 0, 0), B(2, 0, –1) ve C(2, –1, 0)’dan geçen düzleme uzaklığını bulun. 28. Düzlemde ax + by = c doğrusuna paralel bir vektör bulun. 50. (2, 2, 3) noktasının 2x + 3y + 5z = 0 düzlemine uzaklığı bulun. 29 ve 30 alıştırmalarında, noktadan doğruya olan uzaklığı bulun. 51. 2x – y – z = 4 düzlemine paralel ve i + j + k’ye ortogonal olan bir vektör bulun. 29. (2, 2, 0); x = -t, y = t, 30. (0, 4, 1); x = 2 + t, z = -1 + t y = 2 + t, z = t 52. A = 2i – j + k, B = i + 2j + k ve C = i + j – 2k ise, B ve C’nin düzleminde A’ya ortogonal olan bir birim vektör bulun. 31. (1, 2, 3) noktasından geçen ve v = –3i + 7k vektörüne paralel doğruyu parametrize edin. 53. x + 2y + z – 1 = 0 ve x – y + 2z + 7 = 0 düzlemlerinin kesişim doğrusuna paralel ve büyüklüğü 2 olan bir vektör bulun. 32. P(1, 2, 0) ve Q(1, 3, –1) noktalarını birleştiren doğru parçasını parametrize edin. 54. Orijinden geçen ve 2x – y – z = 4 düzlemine dik olan doğrunun 3x – 5y + 2z = 6 düzlemiyle kesiştiği noktayı bulun. 33 ve 34 alıştırmalarında noktadan düzleme olan uzaklığı bulun. 55. P(3, 2, 1) noktasından geçen ve 2x – y + 2z = –2 düzlemine dik olan doğrunun düzlemi kestiği noktayı bulun. 33. s6, 0, -6d, x - y = 4 34. s3, 0, 10d, 2x + 3y + z = 2 35. (3, –2, 1) noktasından geçen ve n = 2i + j + k vektörüne normal olan düzlemin denklemini bulun. 36. (–1, 6, 0) noktasından geçen ve x = –1 + t, y = 6 – 2t, z = 3t doğrusuna dik olan düzlemin denklemini bulun. 37 ve 38 alıştırmalarında, P, Q ve R noktalarından geçen düzlemin denklemini bulun. 37. Ps1, -1, 2d, 38. Ps1, 0, 0d, Qs2, 1, 3d, Qs0, 1, 0d, Rs -1, 2, -1d 56. 2x + y – z = 0 ve x + y + 2z = 0 düzlemlerinin kesişim doğrusu orijinle hangi açıyı yapar? 57. L: 40. Orijinden geçen ve 2x – y – z = 4 düzleminde dik doğrunun 3x – 5y + 2z = 6 düzlemini kestiği noktayı bulun. 41. x = 7 ile x + y + 22z = -3 . düzlemleri arasındaki dar açıyı bulun. 42. x + y = 1 ile y + z = 1 düzlemleri arasındaki dar açıyı bulun. 43. x + 2y + z = 1 ile x – y + 2z = –8 düzlemlerinin kesişim doğrusunun parametrik denklemlerini bulun. 44. x + 2y – 2z = 5 ve 5x – 2y – z = 0 düzlemlerinin kesişim doğrusunun x = –3 + 2t, y = 3t, z = 1 + 4t doğrusuna paralel olduğunu gösterin. 45. 3x + 6z = 1 ve 2x + 2y – z = 3 düzlemleri bir doğruda kesişir. a. Düzlemlerin ortogonal olduklarını gösterin. b. Kesişim doğrusunun denklemlerini bulun. 46. (1, 2, 3) noktasından geçen ve u = 2i + 3j + k ve v = i – j + 2k’ye paralel olan düzlemin denklemini bulun. 47. v = 2i – 4j + k’nin 2x + y = 5 düzlemiyle özel bir ilişkisi var mıdır? Cevabınızı açıklayın. y = 2t, z = t doğrusu x + 3y – z = – 4 düzlemini bir P noktasında keser. P’nin koordinatları ile P’den geçen ve L’ye dik olan doğrunun denklemlerini bulun. 58. Her reel k sayısı için, Rs0, 0, 1d 39. x = 1 + 2t, y = –1 – t, z = 3t doğrusunun üç koordinat eksenini kestiği noktaları bulun. x = 3 + 2t, x – 2y + z + 3 + k(2x – y – z + 1) = 0 düzleminin x – 2y + z + 3 = 0 ve 2x – y – z + 1 = 0 düzlemlerinin kesişim doğrusunu içerdiğini gösterin. 59. A(–2, 0, –3) ve B(1, –2, 1)’den geçen ve C(–2, –13@5, 26@5) ve D(16@5, –13@5, 0) noktalarından geçen doğruya paralel düzlemin denklemini bulun. 60. x = 1 + 2t, y = – 2 + 3t, z = –5t doğrusunun herhangi bir şekilde – 4x – 6y + 10z = 9 düzlemiyle bir ilişkisi var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. 61. Aşağıdakilerin hangileri P(1, 1, –1), Q(3, 0, 2) ve R(–2, 1, 0) noktalarından geçen düzlemin denklemleridir? a. s2i - 3j + 3kd # ssx + 2di + s y - 1dj + zkd = 0 b. x = 3 - t, y = -11t, z = 2 - 3t c. sx + 2d + 11s y - 1d = 3z d. s2i - 3j + 3kd * ssx + 2di + s y - 1dj + zkd = 0 e. s2i - j + 3kd * s -3i + kd # ssx + 2di + s y - 1dj + zkd =0 62. Sayfa 902’de görülen paralelkenarın köşeleri A(2, –1, 4), B(1, 0, –1), C(1, 2, 3) ve D’dedir. İstenenleri istenenleri bulun. 902 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri z f. Paralelkenarın üç koordinat düzlemi üzerine dik izdüşümlerinin alanlarını D bulun. 63. Doğrular arasındaki uzaklık A(1, 0, –1) ve B(–1, 1, 0)’dan geçen L1 ve C(3, 1, –1) ile D(4, 5, –2)’den geçen L2 doğruları arasındaki uzaklığı bulun. Uzaklık iki doğruya da dik doğru üzerinde ölçülmelidir. Önce iki doğruya da dik olan bir n vektörü bulun. Sonra 1 AC’nin n üzerindeki izdüşümünü bulun. A(2, –1, 4) C(1, 2, 3) 64. (Problem 63’ün devamı) A(4, 0, 2) ve B(2, 4, 1)’den geçen doğru ile C(1, 3, 2) ve D(2, 2, 4)’ten geçen doğrunun arasındaki uzaklığı bulun. y x Kuadrik Yüzeyler B(1, 0, –1) 65–76 alıştırmalarında yüzeyleri tanımlayın ve çizin. 65. x 2 + y 2 + z 2 = 4 a. D’nin koordinatlarını, 2 b. B’deki iç açının kosinüsünü, 1 1 c. BA’nın BC , üzerine iz düşüm vektörünü, 2 68. 36x 2 + 9y 2 + 4z 2 = 36 69. z = -sx 2 + y 2 d 70. y = -sx 2 + z 2 d 2 2 d. Paralelkenarın alanını, 71. x + y = z e. Paralelkenarın düzleminin denklemini, 73. x 2 + y 2 - z 2 = 4 2 2 2 75. y - x - z = 1 Bölüm 12 66. x 2 + s y - 1d2 + z 2 = 1 67. 4x + 4y + z = 4 2 2 72. x 2 + z 2 = y 2 74. 4y 2 + z 2 - 4x 2 = 4 76. z 2 - x 2 - y 2 = 1 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar 1. Denizaltı avı Manevra yapan yüzeydeki iki gemi, bir uçak karşılamak için, bir denizaltının rotasını ve hızını belirlemeye çalışıyorlar. Aşağıda görüldüğü gibi, A gemisi (4, 0, 0)’da iken B gemisi (0, 5, 0)’dadır. Bütün koordinatlar bin fit olarak verilmektedir. A gemisi denizaltıyı 2i + 3j – (1@3)k vekötörü yönünde belirlerken, B gemisi 18i – 6j – k vektörü yönünde bulmaktadır. Dört dakika önce, denizaltı (2, –1, –1@3) noktasındaydı. Uçak 20 dakika sonra gelecektir. Denizaltının sabit hızla bir doğru üzerinde ilerlediği varsayılırsa, yüzeydeki gemiler uçağı hangi konuma yönlendirmelidirler? z A Gemisi (4, 0, 0) x B Gemisi (0, 5, 0) y 2. Bir helikopter kurtarışı İki helikopter, H1 ve H2, birlikte dolaşıyorlar. t = 0 saat anında, ayrılıyor ve, bütün uzunluklar mil olmak üzere, H1: x = 6 + 40t, y = -3 + 10t, z = -3 + 2t H2: x = 6 + 110t, y = -3 + 4t, z = -3 + t . ile verilen faklı doğrularla ilerlemeye başlıyorlar. Sistem arızalarından dolayı, H2 (446, 13, 1)’de uçuşunu durduruyor ve ihmal edilebilir bir zaman sonra (446, 13, 0)’a konuyor. İki saat sonra, H1’e durum bildiriliyor ve H2’ye doğru 150 mil@sa hızla yola çıkıyor. H1’in H2’ye varması ne kadar sürecektir? 3. Tork Toro® 21 inçlik çim biçme makinesinin çalıştırma kılavuzu “kıvılcım tıpasını 15 ft-lb’ye (20.4 N m) sıkıştırın” demektedir. Tıpayı, elinizin merkezinin kıvılcım tıpasının ekseninden 9 inç uzağa yerleştiren 10.5 inçlik bir somun anahtarıyla kuruyorsanız, yaklaşık ne kadar kuvvet vermelisiniz? Pound olarak yanıtlayın. 9 in. ÖLÇEKLİ DEĞİL Denizaltı Bölüm 12 4. Cisim döndürmek Orijinden ve A( 1, 1, 1) noktasından geçen doğru 3@2 rad@s’lik sabit bir açısal hızla dönmekte olan bir dik cismin dönme eksenidir. A’dan orijine baktığımızda dönme saat yönünde gözükmektedir. Cismin B(1, 3, 2) konumundaki noktasının v süratini bulun. Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar 903 8. Aşağıdaki şekilde, D, ABC üçgeninin AB kenarının orta noktası ve E de C ile B arasındaki uzaklığın üçte birindedir. F’nin CD doğru parçasının orta noktası olduğunu göstermek için vektör kullanın. C z E F B(1, 3, 2) A(1, 1, 1) O A D B 9. P1(x1, y1)’den ax + by = c doğrusuna olan uzaklığın 1 1 3 v x d = y ƒ ax1 + by1 - c ƒ 2a 2 + b 2 . olduğunu vektör kullanarak gösterin. 10. a. P1(x1, y1, z1)’in Ax + By + Cz = D düzlemine uzaklığının 5. Determinantler ve düzlemler a. x1 - x y1 - y z1 - z 3 x2 - x y2 - y z2 - z 3 = 0 x3 - x y3 - y z3 - z denkleminin aynı doğru üzerinde olmayan üç P1(x1, y1, z1), P2(x2, y2, z2) ve P3(x3, y3, z3) noktasından geçen düzlemin denklemi olduğunu gösterin. b. x y z 1 x y z 14 1 1 4 1 = 0? x2 y2 z2 1 x3 y3 z3 1 denklemi uzaydaki hangi noktaları tanımlar? 6. Determinantler ve doğrular x = a1 s + b1, y = a2 s + b2 , z = a3 s + b3 , - q 6 s 6 q , ve x = c1 t + d1, y = c2 t + d2 , z = c3 t + d3 , - q 6 t 6 q , doğrularının ancak ve yalnız a1 3 a2 a3 c1 c2 c3 b1 - d1 b2 - d2 3 = 0 . b3 - d3 ise kesişeceklerini veya paralel olacaklarını gösterin. 7. Paralelkenar Aşağıdaki şekilde ABCD paralelkenarı ve BD köşegeninin orta noktası P görülmektedir. 1 1 1 a. BD’yi AB ve AD . cinsinden ifade edin. 1 1 1 b. AP’yi AB ve AD . cinsinden ifade edin. c. P’nin aynı zamanda AC köşegeninin de orta noktası olduğunu ispatlayın. B d = ƒ Ax1 + By1 + Cz1 - D ƒ 2A2 + B 2 + C 2 olduğunu göstermek için vektör kullanın. b. x + y + z = 3 ve x + y + z = 9 düzlemlerine teğet olan ve merkezi 2x – y = 0 ile 3x – z = 0 düzlemleri üzerinde olan küre için bir denklem bulun. 11. a. Ax + By + Cz = D1 ve Ax + By + Cz = D2 paralel düzlemleri arasındaki uzaklığın ƒ D1 - D2 ƒ . d = ƒ Ai + Bj + C k ƒ olduğunu gösterin. b. 2x + 3y – z = 6 ile 2x + 3y – z = 12 düzlemleri arasındaki uzaklığı bulun. c. (3, 2, –1) noktası iki düzlemden de eşit uzaklıktaysa, 2x – y + 2z = –4 düzlemine paralel düzlemin denklemini bulun. d. x – 2y + z = 3 düzlemine paralel olan ve 5 birim uzakta bulunan düzlemlerin denklemlerini yazın. 1 1 1 12. A, B, C ve D’nin ancak ve yalnız AD # sAB * BC d = 0 . ise, aynı düzlemde bulunacaklarını gösterin. 13. Bir vektörün bir düzlem üzerine izdüşümü. P uzayda bir düzlem ve v bir vektör olsun. v’nin P düzlemi üzerine izdüşümü, projPv, gayri formel bir şekilde aşağıdaki gibi tanımlanabilir. Güneş ışınlarının P düzlemine normal olacak şekilde geldiğini varsayın. Bu durumda, projPv, v’ nin P üzerindeki ‘‘gölgesidir’’. P düzlemi x + 2y + 6z = 6 ise ve v = i + j + k ise, projPv’yi bulun. 14. Aşağıdaki şekilde z vektörü L doğrusuna ortognal, v, w ve z vektörleri L doğrusu ile eşit bir b açısı yapmaktadır (vektörler sıfır vektörden farklıdır). uvu = uwu olduğunu varsayarak, w’yi v ve z cinsinden bulun. z C v P w b A . D b L 904 Bölüm 12: Vektörler ve Uzayda Geometri 15. Üçlü vektör çarpımları Üçlü vektör çarpımları (u v) w ve u (v w) genellikle, bunları bileşenlerinden hesaplama formülleri benzer olduğu halde, eşit değildir: (u v) w = (u w)v – (v w)u u (v w) = (u w)v – (u v)w Her formülün iki tarafını hesaplayıp sonuçları karşılaştırarak, denklemleri aşağıdaki vektörler için doğrulayın. u v w a. 2i 2j 2k b. i - j + k 2i + j - 2k -i + 2j - k c. 2i + j 2i - j + k i + 2k d. i + j - 2k -i - k 2i + 4j - 2k 16. Vektörel ve skaler çarpımlar u, v, w ve r herhangi vektörlerse, aşağıdakileri gösterin. a. u * sv * wd + v * sw * ud + w * su * vd = 0 b. u * v = su # v * idi + su # v * jdj + su # v * kdk u#w v#w `. c. su * vd # sw * rd = ` # u r v#r 17. Vektörel ve skaler çarpımlar Aşağıdaki formülü ispatlayın veya doğru olmadığını gösterin. u * su * su * vdd # w = - ƒ u ƒ 2u # v * w. 18. Uygun iki vektörün vektörel çarpımını oluşturarak, aşağıdaki trigonometrik bağıntıyı elde edin. sin (A – B) = sin A cos B – cos A sin B 19. Herhangi a, b, c ve d sayıları için F = kuvvetiyle Q’ya çekildiğini söyler. Dahası, Q1, … , Qk , kütleleri m1, … , mk olan (nokta) kütlelerse, bütün Qi’lerden dolayı P’ye etkiyen kuvvet, ri vektörü P’den Qi’ye giden vektör olmak üzere, k F = a 20. u ve v vektörlerinin paralel olmadıklarını ve w vektörü v’ye paralel ve r vektörü v’ye ortogonal olmak üzere, u = w + r olduğunu varsayın. w ve r’yi u ve v cinsinden ifade edin. GMmi ƒ ri ƒ 3 i=1 ri , dir. y P(0, d) Q–2 Q–1 –2d –d Q–n –nd … Q0 0 Q1 Q2 d 2d Qn … nd x a. M kütleli P noktası koordinat düzleminde, (0, d), d 0 noktasında bulunsun. i = –n, –n +1, … , –1, 0, 1, … , n için, Qi (id, 0) noktasında bulunsun ve kütlesi mi olsun. P üzerindeki bütün Qi’lerden doğan gravitasyonel kuvvetin büyüklüğünü bulun. b. n : q iken P’nin üzerindeki kuvvetin büyüklüğünün limiti sonlu mudur? Neden veya neden değildir? 26. Rölativistik toplamlar Einstein’ın özel görelik teorisi, kabaca, bir referans çerçevesine (koordinat sistemi) göre, maddesel hiçbir nesnenin ışık hızı c’den daha hızlı gidemeyeceğini söyler. Dolayısıyla, sx ve sy olmak üzere iki hız ise, ƒ sx ƒ 6 c ve ƒ sy ƒ 6 c ,’nin rölativistik toplamı sx { sy ’nin uzunluğu c’den küçük olmalıdır. Einstein’ın özel görelik teorisi sa 2 + b 2 dsc 2 + d 2 d Ú sac + bdd2 olduğunu göstermek için vektör kullanın (İpucu: u = ai + bj ve v = ci + dj alın). GMmr , ƒrƒ3 sx { sy = gx sx + sy 1 # sx * sxs *# sy d , + 2# # sx sy sx sy c gx + 1 1 + 2 1 + 2 c c olmak üzere gx = 1 . 21. Herhangi u ve v vektörleri için, ƒ u + v ƒ … ƒ u ƒ + ƒ v ƒ olduğunu gösterin. sx # sx 1 - 2 c B 22. w = ƒ v ƒ u + ƒ u ƒ v’nin u ile v arasındaki açının açıortayı olduğunu gösterin. olduğunu söyler. ƒ sx ƒ 6 c ve ƒ sy ƒ 6 c , ise, ƒ sx { sy ƒ 6 c . olduğu gösterilebilir. Bu alıştırma iki özel durumla ilgilenir. 23. ƒ v ƒ u + ƒ u ƒ v ve ƒ v ƒ u - ƒ u ƒ v’nin ortogonal olduğunu gösterin. 24. Nokta çarpımı pozitif definit’tir. Vektörlerin nokta çarpımının pozitif definit olduğunu gösterin; yani her u vektörü için, u u 0 olduğunu ve ancak ve yalnız u = 0 ise u u = 0 olduğunu gösterin. a. sx ve sy ortogonal ve ƒ sx ƒ 6 c, ƒ sy ƒ 6 c , ise, ƒ sx { sy ƒ 6 c . olduğunu ispatlayın. 25. Nokta kütleler ve gravitasyon P ve Q, kütleleri sırasıyla M ve m olan (nokta) kütleler, r vektörü P’den Q’ya giden vektör ve G evrensel gravitasyon sabiti olmak üzere, Fizikteki gravitasyon yasası, P’nin b. sx ve sy paralel ve ƒ sx ƒ 6 c, ƒ sy ƒ 6 c , ise, ƒ sx { sy ƒ 6 c . olduğunu ispatlayın. ! ! c. limc: q x { y .’yi hesaplayın. Bölüm 12 Bölüm 12 Teknoloji Uygulama Projeleri 905 Teknoloji Uygulama Projeleri Mathematica / Maple Module Vektörleri, Doğruları Temsil Etmek ve Uzaklıklar Bulmak İçin Kullanmak Bölüm I ve II: Doğruları vektörler olarak yorumlamanın avantajlarını öğrenin. Bölüm III: Bir noktadan bir doğruya uzaklık bulmak için vektörler kullanın. Mathematica / Maple Module Üç Boyuttaki Bir Sahneyi İki Boyutlu Bir Tuval Üzerine Yerleştirmek İki boyutlu bir görüntü elde etmek için uzayda düzlemler kavramını kullanın. Mathematica / Maple Module Üç Boyutta Çizime Başlamak Bölüm I : Grafikler ve denklemler üretmek için doğruların ve düzlemlerin vektör tanımlarını kullanın ve tek bir doğrunun denklemlerinin farklı formlarını karşılaştırın. Bölüm II: Kapalı olarak tanımlı fonksiyonları Bölüm 13 VEKTÖR–DEĞERLİ FONKSİYONLAR VE UZAYDA HAREKET G‹R‹fi Bir cisim uzayda ilerlerken, cismin koordinatlarını zamanın fonksiyonları olarak veren x = ƒ(t), y = g(t) ve z = h(t) denklemleri cismin hareketinin ve izlediği yolun parametrik denklemleri olarak görev görürler. Vektör gösterimiyle, bunları cismin konumunu zamanın bir vektör fonksiyonu olarak veren tek bir r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k denklemine toplayabiliriz. xy-düzleminde hareket eden bir cisim için h(t) bileşeni her zaman için sıfırdır (yani, özdeş olarak sıfır ). Bu bölümde, hareket eden cisimlerin izlediği yolları, hızlarını ve ivmelerini incelemek için analizi kullanılacağız. İlerlerken, çalışmalarımızın mermilerin, gezegenlerin ve uyduların izlediği yollar ve hareketleri hakkındaki standart soruları nasıl yanıtladığını göreceğiz. Son bölümde, yeni vektör analizini Newton’un hareket ve gravitasyon yasalarından Kepler’in gezegen hareketi yasalarını türetmekte kullanacağız. 13.1 Vektör Fonksiyonlar Bir parçacık bir I zaman aralığında uzayda ilerliyorsa, parçacığın koordinatlarını I’da tanımlanmış fonksiyonlar olarak düşünürüz: x = ƒ(t), z = h(t), tP I (1) (x, y, z) = (ƒ(t), g(t), h(t)), t P I noktaları, uzayda parçacığın yolu dediğimiz eğriyi oluştururlar. (1) Denklemindeki fonksiyonlar ve aralık eğriyi parametrize eder. Uzaydaki bir eğri de vektör formunda temsil edilebilir. Orijinden parçacığın t anındaki konumu olan P(ƒ(t), g(t), h(t))’ye giden z r P(f(t), g(t), h(t)) O y x fiEK‹L 13.1 Uzayda hareket eden bir 1 parçacığın konum vektörü r = OP zamanın bir fonksiyonudur. 906 y = g(t), 1 rstd = OP = ƒstdi + gstdj + hstdk (2) vektörü parçacığın konum vektörüdür (Şekil 13.1). ƒ, g ve h fonksiyonları konum vektörünün bileşen fonksiyonları (bileşenleri)dir. Parçacığın yolunu I zaman aralığı boyunca r’nin izlediği eğri olarak düşünürüz. Şekil 13.2 bir bilgisayar grafik programı tarafından üretilmiş birkaç uzay eğrisi göstermektedir. Bu grafikleri el ile çizmek kolay olmayacaktı. (2) denklemi r’yi I aralığındaki reel t değişkeninin bir vektör fonksiyonu olarak tanımlar. Daha genel olarak, bir D tanım kümesi üzerinde bir vektör fonksiyon veya vektör değerli fonksiyon D’deki her elemana uzayda bir vektör karşı getiren bir kuraldır. 13.1 Vektör Fonksiyonlar 907 Şimdilik, tanım kümeleri, bir uzay eğrisi üreten reel sayı aralıkları olacaktır. Sonra, Bölüm 16’da, tanım kümeleri düzlemde bölgeler olacaktır. Bu durumda, vektör fonksiyonları uzayda yüzeyler temsil edecektir. Düzlemde veya uzayda bir tanım bölgesi üzerindeki vektör fonksiyonları, bir akışkanın akışını, gravitasyon alanlarını ve elektromanyetik olayları incelemede önemli rol oynayan “vektör alanları” kavramına yol açar. Vektör alanlarını ve uygulamalarını Bölüm 16’da inceliyoruz. z z z y x x y x r(t) (sin 3t)(cos t)i (sin 3t)(sin t)j tk y r(t) (cos t)i (sin t)j (sin 2t)k (a) (b) r(t) (4 sin20t)(cos t)i (4 sin20t)(sint)j (cos20t)k (c) fiEK‹L 13.2 Bilgisayarla üretilmiş uzay eğrileri r(t) konum vektörleri ile tanımlanmıştır Vektör fonksiyonlardan ayırmak için, reel değerli fonksiyonlara skaler fonksiyonlar diyeceğiz. r’nin bileşenleri t’nin skaler fonksiyonlarıdır. Bileşen fonksiyonlarını vererek bir vektör değerli fonksiyonu tanımladığımızda, vektör fonksiyonun tanım kümesinin bileşenlerin ortak tanım kümesi olduğunu varsayacağız. z ÖRNEK 1 Bir Helisi Çizmek r(t) = (cos t)i + (sin t)j + tk vektör fonksiyonunu çizin. 2p tp t 2p Çözüm rstd = scos tdi + ssin tdj + tk t (1, 0, 0) t0 t p 2 r 0 vektör fonksiyonu her reel t değerleri için tanımlıdır. r’nin izlediği eğri, x2 + y2 = 1 dairesel silindirinin çevresine sarılan bir helistir (“spiral” anlamına gelen eski Yunanca bir kelimeden gelir) (Şekil 13.3). Eğri silindir üzerinde bulunur, çünkü r’nin i ve j bileşenleri, r’nin ucunun x ve y-koordinatları olarak, silindir denklemini sağlarlar: P x2 y2 1 x fiEK‹L 13.3 r(t) = (cos t)i + (sin t)j + tk helisinin üst kısmı (Örnek 1). y x2 + y2 = (cos t)2 + (sin t)2 = 1 k-bileşeni z = t arttıkça, eğri yükselir. t’nin 2p kadar arttığı her sefer, eğri silindir üzerinde bir dönüşü tamamlar. x = cos t, y = sin t, z = t denklemleri, - q 6 t 6 q aralığı anlaşılmak üzere, helisi parametrize ederler. Şekil 13.4’te daha başka helisler bulacaksınız. 908 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket z z x z x x y r(t) (cos t)i (sin t)j tk fiEK‹L 13.4 y y r(t) (cos t)i (sin t)j 0.3tk r(t) (cos 5t)i (sin 5t)j tk Bilgisayarla çizilmiş helisler. Limitler ve Süreklilik Vektör değerli fonksiyonların limitlerini reel değerli fonksiyonların limitlerini tanımladığımız gibi tanımlarız. TANIM Vektör Fonksiyonlar›n Llimiti r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k bir vektör fonksiyon ve L de bir vektör olsun. Her 0 sayısı için, lim rstd = L t:t0 olacak şekilde bir d 0 sayısı bulunabilirse, t → t0 için r’nin limitinin L olduğunu söyler ve 0 6 ƒ t - t0 ƒ 6 d Q ƒ rstd - L ƒ 6 P. yazarız. L = L1i + L2j + L3k ise, tam olarak lim ƒstd = L1, lim gstd = L2, t:t0 t:t0 and ve lim hstd = L3 . t:t0 iken, limt:t0 rstd = L olur. lim rstd = a lim ƒstdbi + a lim gstdbj + a lim hstdbk t:t0 t:t0 t:t0 t:t0 (3) denklemi vektör fonksiyonların limitini hesaplamak için pratik bir yol sağlar. ÖRNEK 2 Vektör Fonksiyonlar›n Limitlerini Bulmak r(t) = (cos t)i + (sin t)j + t k ise, lim rstd = a lim cos tbi + a lim sin tbj + a lim tbk t:p>4 t:p>4 = t:p>4 t:p>4 22 22 p i + j + k. 2 2 4 olarak bulunur. Vektör fonksiyonlarının sürekliliğini skaler fonksiyonların sürekliliğini tanımladığımız gibi tanımlarız. 13.1 Vektör Fonksiyonlar 909 Bir Noktada Süreklilik TANIM Bir r(t) vektör fonksiyonu, limt→t0 r(t) = r(t0) ise, tanım aralığının bir t = t0 noktasında süreklidir. Tanım aralığının her noktasında sürekli ise, fonksiyon süreklidir. (3) Denkleminden, ancak ve yalnız her bileşen fonksiyonu t = t0 ’da sürekli ise r(t) fonksiyonunun da aynı noktada sürekli olduğunu görürüz. ÖRNEK 3 Uzay E¤rilerinin Süreklili¤i (a) Şekil 13.2 ve 13.4’te gösterilen bütün uzay eğrileri süreklidir çünkü bileşen fonksiyonları t’nin (– q , q )’daki her değeri için süreklidirler. (b) En büyük tamsayı fonksiyonu :t; süreksiz olduğundan gstd = scos tdi + ssin tdj + :t;k fonksiyonu her tamsayıda süreksizdir. Türevler ve Hareket z P r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k’nin uzayda bir eğri boyunca ilerleyen bir parçacığın konum vektörü olduğunu, ƒ, g ve h’nin de t’nin türetilebilir fonksiyonları olduklarını varsayın. Bu durumda, parçacığın t ve t + Δt zamanlarındaki konumları arasındaki fark r(t Δt) r(t) Q r(t) ¢r = rst + ¢td - rstd r(t Δt) C O olur (Şekil 13.5a). Bileşenler cinsinden, y ¢r = rst + ¢td - rstd = [ƒst + ¢tdi + gst + ¢tdj + hst + ¢tdk] (a) x - [ƒstdi + gstdj + hstdk] z r'(t) = [ƒst + ¢td - ƒstd]i + [gst + ¢td - gstd]j + [hst + ¢td - hstd]k. r(t Δt) r(t) Δt Q olur. Δt sıfıra yaklaşırken, aynı anda üç şey olmaktadır. Birincisi, Q eğri üzerinde P’te yaklaşır. İkincisi, PQ kirişi eğriye P’de teğet bir limit durumuna yaklaşır gibidir. Üçüncü olarak, Δr@Δt bölümü (Şekil 13.5b) P r(t) ƒst + ¢td - ƒstd gst + ¢td - gstd ¢r = c lim di + c lim dj ¢t ¢t ¢t:0 ¢t ¢t:0 ¢t:0 r(t Δt) lim C O y + c lim ¢t:0 hst + ¢td - hstd dk ¢t (b) x fiEK‹L 13.5 Δt → 0 iken Q noktası C eğrisi boyunca P noktasına yaklaşır. 1 Limitte, PQ> ¢t vektörü r(t) teğet vektörü haline gelir. = c dg dƒ dh di + c dj + c dk. dt dt dt limitine yaklaşır. Dolayısıyla, eski deneyimlerimize dayanarak, aşağıdaki tanımı yapabiliriz. 910 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Türev TANIM ƒ, g ve h’nin t’de türevleri varsa r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k vektör fonksiyonunun da t’de türevi vardır (türetilebilirdir). Türev, dƒ dg rst + ¢td - rstd dr dh = lim = i + j + k. dt dt dt dt ¢t ¢t:0 vektör fonksiyonudur. r¿std = C1 C2 C3 C4 C5 fiEK‹L 13.6 Sürekli bir şekilde uç uca birleştirilmiş beş düzgün eğriden oluşturulmuş parçalı olarak düzgün bir eğri. Tanım aralığının her noktasında türetilebilir olan bir r vektör fonksiyonuna türetilebilir vektör fonksiyonu denir. dr@dt sürekliyse ve asla 0 olmuyorsa, yani ƒ, g ve h’nin aynı anda 0 olmayan sürekli birinci türevleri varsa, r’nin izlediği eğriye düzgün eğri denir. Türev tanımının geometrik önemi Şekil 13.5'te gösterilmiştir. P ve Q noktalarıın 1 konum vektörleri r(t) ve r(t + Δt)dir, ve vektörü PQ ile temsil edilmiştir. Δt 0 için 1 r(t + Δt) – r(t) vektörü PQ vektörü ile aynı yönü gösterir. Δt → 0 iken bu vektör eğriye P’de teğet olan bir vektöre yaklaşır. r(t) vektörü, 0'dan farklı olduğunda, eğriye P’de teğet olan vektör olarak tanımlanır. Eğrinin bir (ƒ(t0), g(t0), h(t0)) noktasındaki teğet doğrusu, bu noktadan geçen ve r(t0)’a paralel olan doğru olarak tanımlanır. Düzgün bir eğride, eğrinin her noktasında sürekli olarak dönen bir teğetinin varlığını garantilemek için dr@dt 0 olmasını isteriz. Düzgün bir eğride keskin köşeler ve sivri uçlar bulunmaz. Sonlu sayıda düzgün eğrinin sürekli bir şekilde birleştirilmesiyle oluşturulmuş bir eğriye parçalı olarak düzgün denir (Şekil 13.6). Bir kere daha Şekil 13.5’e bakın. Şekli pozitif Δt için çizdik, dolayısıyla Δr ileriyi, hareketin yönünü gösterir. Δr ile aynı yönde olan Δr@Δt vektörü de ileriyi işaret eder. Δt negatif olsaydı, Δr geriyi, hareket yönünün tersini gösterecekti. Ancak, Δr’nin negatif bir skaler katı olan Δr@Δt bölümü yine ileriyi gösterecekti. Δr nereyi gösterirse göstersin, Δr@Δt ileriyi gösterir ve dr@dt = limΔt → 0 Δr@Δt vektörünün de, 0’dan farklı olduğunda, aynısını yapmasını bekleriz. Bu, dr@dt türevini tam da bir parçacığın hızını tanımlamak için istediğimiz şey olduğunu gösterir. Hareket yönünü işaret eder ve konumun zamana göre değişim oranını verir. Düzgün bir eğri için, hız asla sıfır olmaz; parçacık durmaz veya yön değiştirmez. TANIMLAR H›z, Yön, Sürat, ‹vme r, uzayda düzgün bir eğri boyunca ilerleyen bir parçacığın konum vektörüyse, vstd = dr dt parçacığın, eğriye teğet olan hız vektörüdür. Herhangi bir t anında, v’nin yönü hareketin yönü, v’nin büyüklüğü parçacığın sürati ve a = dv@dt vektörü, varsa, parçacığın ivme vektörüdür. Kısaca, 1. 2. 3. 4. dr v = —–. dt Sürat hızın büyüklüğüdür: Sürat = u vu . dv d2r İvme hızın türevidir: a = —– = —–. dt dt2 v@u vu vektörü hareketin t anındaki yönüdür. Hız, konumun türevidir: 13.1 Vektör Fonksiyonlar 911 Hareket eden bir parçacığın hızını süratinin ve yönünün bir çarpımı olarak ifade edebiliriz: Hız = ƒ v ƒ a Velocity v (sürat)(yön) b = sspeeddsdirectiond. ƒvƒ Bölüm 12.5, Örnek 4’te hız'ın bu ifadesinin konumlandırmada, örneğin, uzayda bir doğru boyunca hareket eden bir helikopterin konumu, kullanışlı olduğunu gördük. Şimdi, (doğrusal olmayan) bir uzay eğrisi üzerinde hareket eden bir cisim örneğine bakalım. z ÖRNEK 4 As›l› Bir Planörün Uçuflu Asılı bir planördeki bir kişi, konum vektörü r(t) = (3 cos t)i + (3 sin t)j + t2k olan bir yol üzerinde, hızla yükselen hava nedeniyle helezon çizerek yükselmektedir. Yol (Bölüm 13.4’te göreceğiniz gibi bir helis olmasa da) bir helise benzemektedir ve Şekil 13.7’de 0 t 4p için gösterilmiştir. Aşağıda istenenleri bulun. (3, 0, 0) x y fiEK‹L 13.7 Konum vektörü r(t) = (3 cos t)i + (3 sin t)j + t2k olan asılı planörün yolu (Örnek 4). (a) hız ve ivme vektörleri (b) planörün herhangi bir t anındaki sürati (c) varsa, cismin ivmesinin hızına ortogonal olduğu zamanlar. Çözüm (a) r = s3 cos tdi + s3 sin tdj + t 2k v = dr = -s3 sin tdi + s3 cos tdj + 2tk dt d 2r = -s3 cos tdi - s3 sin tdj + 2k dt 2 (b) sürat v’nin büyüklüğüdür: a = ƒ vstd ƒ = 2s -3 sin td2 + s3 cos td2 + s2td2 = 29 sin2 t + 9 cos 2 t + 4t 2 = 29 + 4t 2 . planör yolu üzerinde yükseldikçe daha hızlı hareket eder. (c) v ve a’nın ortogonal olduğu zamanları bulmak için v a = 9 sin t cos t – 9 cos t sin t + 4t = 4t = 0 olmasını sağlayan t değerlerini ararız. Böylece, ivme vektörünün v’ye dik olduğu tek an t = 0’dır. Bir yol boyunca haraketin ivmesini daha detaylı olarak Bölüm 13.5’te inceleyeceğiz. Orada, ivme vektörünün, yolun doğal eğilimini ve hız vektörünü içeren belirli bir düzlemden dışarı kıvrılma eğilimini nasıl gösterdiğini keşfedeceğiz. Türev Alma Kurallar› Vektör fonksiyonların türevleri bileşen bileşen alınabileceğinden, vektör fonksiyonların türev kuralları skaler fonksiyonların türev alma konularıyla aynı formdadır. 912 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Vektör Fonksiyonlar İçin Türev Alma Kuralları u ve v t’nin türetilebilir vektör fonksiyonları, C bir sabit vektör, c herhangi bir sabit ve ƒ türetilebilir herhangi bir skaler fonksiyon olsun. 1. Sabit Fonksiyon Kuralı: d C = 0 dt 2. Skalerle Çarpım Kuralı: d [custd] = cu¿std dt d [ƒstdustd] = ƒ¿stdustd + ƒstdu¿std dt Vektörel Çarpım Kuralını kullanırken, çarpanların sırasını korumayı unutmayın. Eğer u denklemin sol tarafında başta bulunuyorsa, sağda da başta olmalıdır, yoksa işaretler yanlış olur. 3. Toplam Kuralı: d [ustd + vstd] = u¿std + v¿std dt 4. Fark Kuralı: d [ustd - vstd] = u¿std - v¿std dt 5. Nokta Çarpım Kuralı: d [ustd # vstd] = u¿std # vstd + ustd # v¿std dt 6. Vektörel Çarpım Kuralı: d [ustd * vstd] = u¿std * vstd + ustd * v¿std dt 7. Zincir Kuralı: d [usƒstdd] = ƒ¿stdu¿sƒstdd dt Çarpım kurallarını ve Zincir kurallarını ispatlayacağız, fakat sabitler, skaler katlar, toplamlar ve farklarla ilgili kuralları alıştırmalara bırakacağız. Nokta Çarp›m Kural›n›n ‹spat› u = u1stdi + u2stdj + u3stdk ve v = y1stdi + y2stdj + y3stdk. olduğunu varsayın. Bu durumda, d d su # vd = su y + u2 y2 + u3 y3 d dt dt 1 1 = u 1œ y1 + u 2œ y2 + u 3œ y3 + u1y 1œ + u2y 2œ + u3y 3œ . (''')''''* ('''')'''* u¿ # v u # v¿ olur. Vektörel Çarp›m Kural›n›n ispat› leriz. Türev tanımına göre, İspatı, sakler fonksiyonların çarpım kuralı üzerine model- ust + hd * vst + hd - ustd * vstd d su * vd = lim . dt h h:0 olur. 13.1 Vektör Fonksiyonlar 913 Bu kesri u ile v’nin türevlerinin farklar bölümünü içeren eşdeğer bir kesre çevirmek için, paya u(t) v(t + h) ekler ve çıkarırız. Bu durumda, d su * vd dt ust + hd * vst + hd - ustd * vst + hd + ustd * vst + hd - ustd * vstd = lim h h :0 ust + hd - ustd vst + hd - vstd = lim c * vst + hd + ustd * d h h h :0 ust + hd - ustd vst + hd - vstd * lim vst + hd + lim ustd * lim . = lim h h h :0 h:0 h:0 h:0 bulunur. Bu denklemlerin sonuncusu gerçeklenir, çünkü iki vektör fonksiyonun vektörel çarpımının limiti, varsa, limitlerinin vektörel çarpımıdır (Alıştırma 52). h sıfıra yaklaşırken, v(t + h) v(t)’ye yaklaşır, çünkü v, t’de türevlenebildiği için, t’de süreklidir (Alıştırma 53). İki kesir de du@dt ve dv@dt’nin t’deki değerlerine yaklaşırlar. Kısaca, du dv d su * vd = * v + u * . dt dt dt Cebirsel bir uygunluk olarak, bazen bir c skaleri ile bir v vektörünün çarpımını cv yerine vc olarak yazarız. Bu, örneğin, s = ƒ(t) olmak üzere, Zincir kuralını tanıdığımız bir şekilde yazmamıza izin verir: olur. Zincir Kural›n›n ispat› u(s) = a(s)i + b(s)j + c(s)k’nin s’nin türetilebilir bir vektör fonksiyonu olduğunu ve s = ƒ(t)’nin de başka bir t değişkeninin türetilebilir bir fonksiyonu olduğunu varsayın. Bu durumda, a, b ve c de t’nin türetilebilir fonksiyonlarıdır ve türetilebilir reel fonksiyonlar için Zincir kuralı da db dc d [ussd] = i + j + k dt dt dt dt da ds db ds dc ds = i + j + k ds dt ds dt ds dt ds da db dc = a i + j + kb dt ds ds ds ds du = dt ds = ƒ¿stdu¿sƒstdd. du d u ds = , dt ds dt z s = ƒstd verir. dr dt Sabit Uzunluklu Vektör Fonksiyonlar P r(t) y x Merkezi orijinde olan bir küre üzerinde hareket eden bir parçacığı izlerken (Şekil 13.8), konum vektörünün, kürenin yarıçapına eşit olan sabit bir uzunlukta olduğunu görürüz. Hareket yoluna teğet olan dr@dt hız vektörü küreye teğettir ve dolayısıyla r’ye dik olur. Bu durum sabit uzunluklu her türetilebilir vektör fonksiyonu için geçerlidir: Vektör ve birinci türevi ortogonaldir. Uzunluk sabitken, fonksiyondaki değişiklik sadece yönde meydana gelen bir değişikliktir ve yön değişiklikleri dik açılarla meydana gelir. Bu sonucu doğrudan hesaplama ile de elde edebiliriz: rstd # rstd = c2 fiEK‹L 13.8 Bir parçacık, r konum vektörü zamanın türetilebilir bir fonksiyonu olacak şekilde bir küre üzerinde dolaşıyorsa, r (dr@dt) = 0 olur. d [rstd # rstd] = 0 dt r¿std # rstd + rstd # r¿std = 0 2r¿std # rstd = 0. elde ederiz. ƒ rstd ƒ = c sabittir İki tarafı türetin rstd = ustd = vstd ile 5 Kuralı 914 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket r(t) ve r(t) vektörleri ortogonaldir çünkü skaler çarpımları 0 dır. Özet olarak, r, t’nin sabit uzunluklu türetilebilir bir vektör fonksiyonu ise, r# dr = 0. dt (4) dır. Bu gözlemi Bölüm 13.4’te sıkça kullanacağız. ÖRNEK 5 Denklem (4)’ü Desteklemek rstd = ssin tdi + scos tdj + 23k vektörünün uzunluğunun sabit olduğunu ve türevine ortogonal olduğunu gösterin. Çözüm rstd = ssin tdi + scos tdj + 23k ƒ rstd ƒ = 2ssin td2 + scos td2 + A 13 B 2 = 21 + 3 = 2 dr = scos tdi - ssin tdj dt r# dr = sin t cos t - sin t cos t = 0 dt Vektör Fonksiyonlar›n ‹ntegralleri Bir I aralığının her noktasında dR@dt = r türetilebilir R(t) vektör fonksiyonu, I aralığındaki bir r(t) vektör fonksiyonunun ters türevidir. R, I aralığında r’nin bir ters türeviyse, her seferinde bir bileşenle çalışarak, r’nin I aralığındaki her ters türevinin, sabir bit C vektörü için R + C şeklinde olduğu gösterilebilir (Alıştırma 56). r’nin I’daki bütün ters türevlerinin kümesi r’nin I’daki belirsiz integralidir. Belirsiz ‹ntegral TANIM r’nin t’ye göre belirsiz integrali, r’nin bütün ters türevlerinin kümesidir ve ∫ r(t) dt ile gösterilir. R, r’nin herhangi bir ters türeviyse, L rstd dt = Rstd + C. olur. Belirsiz integraller için bildiğimiz aritmetik kuralları geçerlidir. ÖRNEK 6 L Belirsiz ‹ntegralleri Bulmak sscos tdi + j - 2tkd dt = a L cos t dtbi + a L dtbj - a L 2t dtbk = ssin t + C1 di + st + C2 dj - st 2 + C3 dk = ssin tdi + tj - t 2k + C C = C1i + C2 j - C3k (5) (6) 13.1 Vektör Fonksiyonlar 915 Skaler fonksyonların integrasyonunda olduğu gibi, (5) ve (6) denklemlerindeki adımları atlamanızı ve hemen son şekline gitmenizi öneririz. Her bileşenin bir ters türevini bulun ve sona bir sabit vektör ekleyin. Vektör fonksiyonların belirli integralleri bileşenleri cinsinden tanımlanır. TANIM Belirli ‹ntegral r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k’nin bileşenleri [a, b]’de integre edilebiliyorsa, r de integre edilebilir ve r’nin a’dan b’ye belirli integrali şu şekildedir: b La ÖRNEK 7 b La ƒstd dtbi + a b La gstd dtbj + a b La hstd dtbk. Belirli ‹ntegralleri Hesaplamak p L0 rstd dt = a sscos tdi + j - 2tkd dt = a p L0 cos t dtbi + a p L0 dtbj - a = C sin t D 0 i + C t D 0 j - C t 2 D 0 k p p p L0 2t dtbk p = [0 - 0]i + [p - 0]j - [p 2 - 0 2]k = pj - p 2k Analizin Temel Teoremi, sürekli vektör fonksiyonları için rstd dt = Rstd D a = Rsbd - Rsad b La b olduğunu söyler. Burada R vektör fonksiyonu R(t) = r(t) (Alıştırma 57) olacak şekilde r’nin herhangi bir ters türevidir. ÖRNEK 8 Bir Planörün Uçuflu, Tekrar Örnek 4’teki planorün yolunu bilmediğimizi, sadece a(t) = –(3 cos t)i – (3 sin t)j + 2k ivme vektörünü bildiğimizi varsayalım. Ayrıca, başlangıçta (t = 0’da) planörün (3, 0, 0) noktasından v(0) = 3j hızı ile harekete başladığını biliyoruz. Planörün konumunu t’nin bir fonksiyonu olarak bulun Çözüm Amacımız, d2r a = —– = –(3 cos t)i – (3 sin t)j + 2k Diferansiyel denklemi ve dt2 v(0) = 3j ve r(0) = 3i + 0j + 0k başlangıç koşulları bilindiğine göre, r(t)’yi bulmaktır. Diferansiyel denklemin her iki tarafının t’ye göre integralini alarak v(t) = –(3 cos t)i – (3 sin t)j + 2t k + C1 buluruz. v(0) = 3j’i bulmak için C1’yi kullanırız: 3j = -s3 sin 0di + s3 cos 0dj + s0dk + C1 3j = 3j + C1 C1 = 0. 916 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Zamanın bir fonksiyonu olarak, planörün hızı dr = vstd = -s3 sin tdi + s3 cos tdj + 2tk. dt dır. Bu son diferansiyel denklemin her iki tarafının integralini alınarak rstd = s3 cos tdi + s3 sin tdj + t 2k + C2. bulunur. Şimdi, C2’yi bulmak için r(0) = 3i başlangıç koşulunu kullanırız: 3i = s3 cos 0di + s3 sin 0dj + s0 2 dk + C2 3i = 3i + s0dj + s0dk + C2 C2 = 0. Zamanın bir fonksiyonu olarak, planörün konumu rstd = s3 cos tdi + s3 sin tdj + t 2k. dır. Bu, planörün Örnek 4’ten bildiğimiz ve Şekil 13.7’de gösterilen yoludur. Not: Bu örnekte C1 ve C2 integrasyon sabit vektörlerinin ikisinin de 0 olması özel bir durumdur. Alıştırma 31 ve 32, bu sabitler için farklı sonuçlar vermektedir. ALIfiTIRMALAR 13.1 7. x = t - sin t, y = 1 - cos t sikloidi üzerinde hareket xy-Düzleminde Hareket 1–4 alıştırmalarında, r(t) xy-düzlemindeki bir parçacığın t anındaki konumudur. Grafiği parçacığın yolu olan, x ve y cinsinden bir denklem bulun. Sonra, verilen t değerlerinde parçacığın hız ve ivme vektörlerini bulun. 2 1. rstd = st + 1di + st - 1dj, t = 1 2. rstd = st 2 + 1di + s2t - 1dj, t = 1>2 2 3. rstd = e t i + e 2t j, 9 t = 0 5–8 alıştırmaları xy-düzleminde değişik eğrilerde ilerleyen parçacıkların konum vektörlerini bulun. Her durumda, belirtilen zamanlarda parçacığın hız ve ivme vektörlerini bulun ve bunları eğrinin üzerindeki vektörler olarak çizin. 5. x 2 + y 2 = 1 çemberi üzerinde hareket rstd = ssin tdi + scos tdj; ve p>2 t = p>4 and 6. x 2 + y 2 = 16 çemberi üzerind hareket t t rstd = a4 cos bi + a4 sin bj; 2 2 (t – sin t)i (1 – cos t)j; t p ve 3p@2 8. y = x 2 + 1 parabolü üzerinde hareket r(t) (t2 ti 1)j; t –1, 0, ve 1 Uzayda H›z ve Hareket 9–14 alıştırmalarında, r(t) uzaydaki bir parçacığın t anındaki konumudur. Parçacığın hız ve ivme vektörlerini bulun. Sonra verilen t anında parçacığın süratini ve yönünü bulun. Parçacığın o andaki hızını süratinin ve yönünün bir çarpımı olarak yazın. t = ln 3 4. rstd = scos 2tdi + s3 sin 2tdj, r(t) ve 3p>2 t = p and 9. rstd = st + 1di + st 2 - 1dj + 2t k, 2 t = 1 3 t t j + k, t = 1 3 22 11. rstd = s2 cos tdi + s3 sin tdj + 4t k, t = p>2 10. rstd = s1 + tdi + 4 t k, t = p>6 3 t2 13. rstd = s2 ln st + 1ddi + t 2 j + k, t = 1 2 12. rstd = ssec tdi + stan tdj + 14. rstd = se -t di + s2 cos 3tdj + s2 sin 3tdk, t = 0 13.1 15–18 alıştırmalarında, r(t) uzaydaki bir parçacığın t anındaki konumudur. t = 0 anında parçacığın hız ve ivme vektörleri arasındaki açıyı bulun. 31. Diferansiyel denklem : Differential equation: Başlangıç koşulu : Initial conditions: 15. rstd = s3t + 1di + 23t j + t 2k 16. rstd = a 22 22 tbi + a t - 16t 2 b j 2 2 17. rstd = sln st 2 + 1ddi + stan-1 tdj + 2t 2 + 1 k 19. rstd = st - sin tdi + s1 - cos tdj, 20. rstd = ssin tdi + tj + scos tdk, 0 … t … 2p t Ú 0 d 2r = -32k dt 2 rs0d = 100k and ve 32. Diferansiyel denklem : Differential equation: Başlangıç koşulu : Initial conditions: d 2r = -si + j + kd dt 2 rs0d = 10i + 10j + 10k and ve dr ` = 0 dt t = 0 Düzgün E¤rilerin Te¤etleri Konuda bahsedildiği gibi, düzgün bir r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k eğrisinin t = t0’daki teğeti, eğrinin t0 anındaki hız vektörü v(t0)’a paralel olan ve (ƒ(t0), g(t0), h(t0)) noktasından geçen doğrudur. 33–36 alıştırmalarında, verilen t = t0 parametre değerinde eğriye teğet olan doğrunun parametrik denklemlerini bulun. Vektör De¤erli Fonksiyonlar› ‹ntegre Etmek 33. rstd = ssin tdi + st 2 - cos tdj + e t k, 21–26 alıştırmalarındaki integralleri hesaplayın. 34. rstd = s2 sin tdi + s2 cos tdj + 5t k, 1 21. 3 [t i + 7j + st + 1dk] dt L0 2 22. L1 4 cs6 - 6tdi + 3 2t j + a 2 b k d dt t p>4 23. L-p>4 [ssin tdi + s1 + cos tdj + ssec2 tdk] dt p>3 24. 25. [ssec t tan tdi + stan tdj + s2 sin t cos tdk] dt L0 4 1 ct i + 1 2 L1 1 1 j + k d dt 5 - t 2t 23 c i + k d dt 26. 2 1 + t2 0 L 21 - t Vektör De¤erli Fonksiyonlar ‹çin Bafllang›ç De¤er Problemleri 27–32 alıştırmalarındaki başlangıç değer problemlerinden r’yi t’nin bir vektör fonksiyonu olarak çözün. 27. Diferansiyel denklem : Differential equation: Başlangıç koşulu : Initial condition: 28. Differential Diferansiyelequation: denklem : Başlangıç koşulu : Initial condition: 29. Diferansiyel Differential equation: denklem : Başlangıç koşulu : Initial condition: denklem : 30. Diferansiyel Differential equation: Başlangıç koşulu : Initial condition: dr = -t i - t j - t k dt rs0d = i + 2j + 3k dr = s180tdi + s180t - 16t 2 dj dt rs0d = 100j 3 dr 1 k = st + 1d1>2 i + e -t j + 2 t + 1 dt rs0d = k dr = st 3 + 4tdi + t j + 2t 2 k dt rs0d = i + j 917 dr ` = 8i + 8j dt t = 0 4 4 1 18. rstd = s1 + td3>2 i + s1 - td3>2 j + t k 9 9 3 19 ve 20 alıştırmalarında, r(t) uzaydaki bir parçacığın t anındaki konumudur. Verilen zaman aralığında hız ve ivmenin ortogonal olduğu zaman veya zamanları bulun. Vektör Fonksiyonlar t0 = 0 t0 = 4p t0 = 2p p 36. rstd = scos tdi + ssin tdj + ssin 2tdk, t0 = 2 35. rstd = sa sin tdi + sa cos tdj + bt k, Dairesel Yollarda Hareket 37. Aşağıdaki (a)–(e) denklemlerinin her biri, yolu aynı, yani x2 + y2 = 1 çemberi, olan bir parçacığın hareketini tanımlar. (a)–(e)’deki her parçacığın yolunun aynı olmasına rağmen, her parçacığın davranışı veya “dinamiği” farklıdır. Her parçacık için aşağıdaki soruları yanıtlayın. i. Parçacığın sürati sabit midir? Sabitse, bu sabit sürat nedir? ii. Parçacığın ivme vektörü her zaman hız vektörüne ortogonal midir? iii. Parçacık çember etrafında, saat yönünde mi, saat yönünün tersine mi hareket eder? iv. Parçacık harekete (1, 0)’dan mı başlar? a. rstd = scos tdi + ssin tdj, b. rstd = cos s2tdi + sin s2tdj, t Ú 0 t Ú 0 c. rstd = cos st - p>2di + sin st - p>2dj, d. rstd = scos tdi - ssin tdj, e. rstd = cos st 2 di + sin st 2 dj, t Ú 0 t Ú 0 t Ú 0 38. Vektör değerli rstd = s2i + 2j + kd 1 1 1 1 1 i j ≤ + sin t ¢ i + j + k≤ 22 22 23 23 23 fonksiyonunun, merkezi (2, 2, 1) noktasında olan ve x + y – 2z = 2 düzlemi üzerinde bulunan 1 yarıçaplı çember üzerinde hareket eden bir parçacığın hareketini tanımladığını gösterin. + cos t ¢ 918 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Bir Do¤ru Üzerinde Hareket 39. t = 0 anında, bir parçacık (1, 2, 3) noktasındadır. Düz bir doğru üzerinde (4, 1, 4) noktasına gider, (1, 2, 3)’te sürati 2 ve sabit ivmesi 3i – j + k’dir. Parçacığın t anındaki r(t) konum vektörünün denklemini bulun. 40. Düz bir doğru üzerinde ilerleyen bir parçacık (1, –1, 2) noktasında gözlenmiştir ve t = 0 anına sürati 2’dir. Parçacık (3, 0, 3) noktasına sabit 2i + j + k ivmesiyle ilerler. r anındaki r(t) konum vektörünü bulun. r(t) uydunun t anındaki konum vektörü olsun. u duğunu ve aşağıdaki ifadeyi gösterin. yt yt rstd = ar0 cos r0 bi + ar0 sin r0 bj. b. Uydunun ivmesini bulun. c. Newton’un Gravitasyon yasasına göre, uyduya etkiyen kuvvet M yönündedir ve G evrensel yerçekimi sabiti olmak üzere F = a- Teori ve Örnekler 41. Bir parabol boyunca hareket Bir parçacık y2 = 2x parabolünün üzerinde soldan sağa doğru saniyede 5 birim sabit süratiyle ilerlemektedir. Parçacığın (2, 2) noktasından geçerkenki hızını bulun. 42. Bir sikloid boyunca hareket Bir parçacık xy-düzlemindeki bir sikloid üzerinde t anındaki konumu r(t) (t – sin t)i (1 – cos t)j a. r(t)’yi çizin. Sonuç eğri bir sikloiddir b. u v u ve u a u’nın maksimum ve minimum değerlerini bulun. (İpucu: Önce u v u2 ile u a u2’nin ekstremum değerlerini bulun, sonra karekök alın.) 43. Bir elips boyunca hareket Bir parçacık yz-düzlemindeki (y@3)2 + (z@2)2 = 1 elipsinin üzerinde, t anındaki konumu r(t) = (3 cos t)j + (2 sin t)k olacak şekilde ilerlemektedir. uvu ve uau’nın maksimum ve minimum değerlerini bulun. (İpucu: Önce uvu2 ile uau2’nin ekstremum değerlerini bulun, sonra karekök alın.) 44. Dairesel bir yörüngedeki bir uydu m kütleli bir uydu, sabit v süratiyle yarıçaplı (cismin kütle merkezinden itibaren ölçülmüş) M kütleli bir cismin (örneğin Dünya) çevresinde dairesel bir yörüngede dönmektedir. Uydunun yörüngesel periyodu T’yi (bir tam yörünge çizmek için gereken süre) aşağıdaki şekilde bulun. a. Yörünge düzlemine, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, cismin kütle merkezi orijinde, uydu t = 0 anında x-ekseninde olacak ve saat yönünün tersine hareket edecek şekilde bir koordinat sistemi yerleştirin. y m r(t) M u r0 GmM r b , r 02 r0 ile verilir. Newton’un ikinci yasasını, F = ma’yı kullanarak, y2 = GM@r0 olduğunu gösterin. d. Yörüngesel periyot T’nin yT = 2pr0’ı sağladığını gösterin. e. (c) ve (d) şıklarından 4p2 3 r . GM 0 olduğunu çıkarın. Yani, dairesel bir yörüngedeki bir uydunun periyodunun karesi, yörünge merkezinden olan uzaklığın kübüyle orantılıdır. T2 = olacak şekilde ilerlemektedir. T = vt@r0 ol- t0 x 45. v, t’nin türetilebilir bir vektör fonksiyonu olsun. Her t için, v (dv@t) = 0 ise, uvu ’nin sabit olduğunu gösterin. 46. Üçlü skaler çarpımların türevleri a. u, v ve w t’nin türetilebilir vektör fonksiyonlarıysa, aşağıdaki denklemi doğrulayın. dv du # d su # v * wd = v * w + u# * w + dt dt dt (7) dw u#v * . dt b. (7)’nın aşağıdaki denkleme denk olduğunu gösterin. u1 d 3 y1 dt w1 u2 y2 w2 du1 u3 dt 4 y3 3 = y1 w3 w1 du2 dt y2 w2 du3 dt 4 y3 w3 u1 dy1 + 4 dt w1 u2 dy2 dt w2 u3 dy3 4 dt w3 u1 y 1 + 4 dw1 dt u2 y2 dw2 dt u3 y3 4 . dw3 dt (8) (8) denklemi, türetilebilir fonksiyonların 3 3’lük bir determinantının türevinin, her defasında orijinal determinantın bir satırı türetilerek elde edilen üç determinantın toplamı olduğunu söyler. Sonuç her dereceden determinant için geçerlidir. 13.1 47. (Alıştırma 46’nın devamı.) r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k olduğunu ve ƒ, g ve h’nin üçüncü mertebeye kadar türevlerinin bulunduğunu varsayın. (7) veya (8) denklemini kullanarak dr d dr d 2r d 3r ar # * 2b = r# a * 3b. dt dt dt dt dt 919 Negatifler Kuralı, b La b s -rstdd dt = - La rstd dt , (9) olduğunu gösterin. (İpucu: Sol tarafın türevini alın ve çarpımları sıfır olan vektörleri bulun.) 48. Sabit Fonksiyon Kuralı u değeri C olan sabit bir vektör fonksiyonsa, du@dt = 0 olacağını gösterin. 49. Skalerle Çarpım Kuralları a. u t’nin türetilebilir bir fonksiyonu ve c herhangi bir reel sayı ise, dsc ud du = c . dt dt olduğunu gösterin. b. u t’nin türetilebilir bir fonksiyonu ve ƒ t’nin türetilebilir skaler bir fonksiyonu ise, dƒ du d sƒud = u + ƒ . dt dt dt olduğunu gösterin. u ve v t’nin türetilebilir fonksiyon- 50. Toplam ve Fark Kuralları larıysa, Vektör Fonksiyonlar du dv d su + vd = + dt dt dt ve du dv d su - vd = . dt dt dt olduğunu gösterin. k = –1 alınarak elde edilir. b. Toplam ve Fark Kuralları: b La b sr1std ; r2stdd dt = La b r1std dt ; La r2std dt c. Sabit Vektörler Çarpım Kuralları: b b C # rstd dt = C # La La bir sabit C vektörü) rstd dt (herhangi sany constant vector Cd ve b La b C * rstd dt = C * La bir sabitvector C vektörü) rstd dt (herhangi sany constant Cd 55. Skaler ve vektör fonksiyonların çarpımı u(t) Skaler fonksiyonu ile r(t) vektör fonksiyonunun ikisinin de a t b için tanımlı olduklarını varsayın. a. u ve r [a, b]’de sürekliyseler, ur’nin de [a, b]’de sürekli olduğunu gösterin. b. u ve r [a, b]’de türetilebiliyorlarsa, ur’nin de [a, b]de türetilebildiğini ve dr du d + r . surd = u dt dt dt olduğunu gösterin. 56. Vektör fonksiyonların ters türevleri 51. Bir Noktada Süreklilik İçin Bileşen Testi r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k ile tanımlanan r vektör fonksiyonunun ancak ve yalnız ƒ, g ve h fonksiyonları t0’da sürekli iseler, t = t0’da sürekli olduğunu gösterin. a. Skaler fonksiyonlar için Ortalama Değer Teoreminin 2. Sonucunu kullanarak iki R1(t) ve R2(t) vektör fonksiyonunun bir I aralığında türevleri aynıysa, I boyunca fonksiyonların arasında sadece bir sabit farkı olduğunu gösterin. 52. Vektör fonksiyonların vektörel çarpımlarının limiti r1(t) = ƒ1(t)i + ƒ2(t)j + ƒ3(t)k, r2(t) = g1(t)i + g2(t)j + g3(t)k, limt→t0 = r1(t) = A ve limt→t0 = r2(t) = B olduğunu varsayın. Vektörel çarpımlar için determinant formülünü ve skaler fonksiyonlar için Limit Çarpımı Kuralını kullanarak b. (a)’daki sonucu kullanarak, R(t) r(t)’nin I aralığındaki ters türeviyse, r’nin I’daki bütün diğer ters türevlerinin sabit bir C vektörü için R(t) + C olduğunu gösterin. lim sr1std * r2stdd = A * B t: t0 olduğunu gösterin. 57. Analizin Temel Teoremi Reel değişkenli skaler fonksiyonlar için Analizin Temel Teoremi reel değişkenli bir vektör fonksiyon için de geçerlidir. Bunu ispatlamak için, skaler fonksiyonların teoremini kullanarak önce eğer bir r(t) vektör fonksiyonu a t b için sürekliyse, [a, b]’nin her t noktasında 53. Türetilebilir vektör fonksiyonlar süreklidir r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k t = t0’da türetilebiliyorsa, t0’da sürekli de olacağını gösterin. 54. İntegre edilebilir vektör fonksiyonların aşağıdaki özelliklerini doğrulayın. a. Sabit Skalerle Çarpım Kuralı: b t d rstd dt = rstd dt La olduğunu gösterin. Sonra Alıştırma 56’nın (b) şıkkının sonucunu kullanarak R, [a, b]’de r’nin bir ters türeviyse, b birkdk skaleri) k rstd dt = k r std dt (herhangi sany scalar La La b La olduğunu gösterin. rstd dt = Rsbd - Rsad . 920 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket 62 ve 63 alıştırmalarında, a ve b sabitlerinin değerlerini değiştirirken, B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI r(t) Uzay E¤rilerine Te¤etler Çizmek 58–61 alıştırmalarındaki adımları gerçekleştirmek için bir BCS kullanın. a. r konum vektörünün izlediği uzaydaki eğriyi çizin. b. dr@dt hız vektörünün bileşenlerini bulun. c. dr@dt ’yi verilen t0 noktasında hesaplayın ve eğriye r(t0)’da teğet olan doğrunun denklemini belirleyin. d. Verilen aralıkta eğriyle birlikte teğeti de çizin. 58. rstd = ssin t - t cos tdi + scos t + t sin tdj + t 2k, 0 … t … 6p, t0 = 3p>2 59. rstd = 22t i + e t j + e -t k, -2 … t … 3, 60. rstd = ssin 2tdi + sln s1 + tddj + t k, t0 = p>4 (cos at)i (sin at)j btk helisinin davranışını grafik olarak araştıracaksınız. Her alıştırmadaki adımları gerçekleştirmek için bir BCS kullanın. 62. b = 1 alın. r(t) helisini a = 1, 2, 4 ve 6 için 0 t 4p aralığında t = 3p@2’deki teğetiyle birlikte çizin. a bu pozitif değerlerle artarken, helisin grafiğine ve teğetin konumuna ne olduğunu kendi sözcüklerinizle anlatın. 63. a = 1 alın. r(t) helisini b = 1@4, 1@2, 2 ve 4 için 0 t 4p aralığında t = 3p@2’deki teğetiyle birlikte çizin. b bu pozitif değerlerle artarken, helisin grafiğine ve teğetin konumuna ne olduğunu kendi sözcüklerinizle anlatın. t0 = 1 0 … t … 4p, 61. rstd = sln st 2 + 2ddi + stan-1 3tdj + 2t 2 + 1 k, -3 … t … 5, t0 = 3 13.2 At›fl Hareketini Modellemek Havaya bir mermi fırlattığımızda, genellikle önceden ne kadar ilerleyeceğini (hedefe varacak mı?), ne kadar yükseleceğini (tepeyi aşacak mı?) ve ne zaman yere ineceğini (sonuçları ne zaman alacağız?) bilmek isteriz. Bu bilgiyi, Newton’un İkinci Hareket Yasasını kullanarak, merminin ilk hız vektörünün yön ve büyüklüğünden buluruz. ‹deal At›fl Hareketi ‹çin Vektörel ve Parametrik Denklemler Atış hareketinin denklemlerini türetmek için, merminin düşey bir koordinat düzleminde hareket eden bir parçacık gibi davrandığını ve uçuşu sırasında mermiye etkiyen tek kuvvetin her zaman aşağıyı gösteren sabit yerçekimi kuvveti olduğunu varsayarız. Pratikte, bu varsayımların hiçbirisi doğru değildir. Dünya döndükçe yer merminin altında ilerler, hava merminin sürat ve yüksekliğiyle değişen bir sürtünme kuvveti yaratır ve yerçekimi kuvveti mermi ilerledikçe değişir. Türetmek üzere olduğumuz ideal denklemlerin tahminlerine düzeltmeler yapılırken bunlar da hesaba katılmalıdır. Ancak, düzeltmeler bu bölümün konusu değildir. Mermimizin t = 0 anında orijinden birinci dörtte bir bölgeye bir v0 ilk hızıyla atıldığını varsayıyoruz (Şekil 13.9). v0 yatayla a açısı yapıyorsa, v0 = s ƒ v0 ƒ cos adi + s ƒ v0 ƒ sin adj. olur. Başlangıç sürati uv0 u için daha basit bir gösterim olan v0’ı kullanırsak, v0 = (y0 cos a)i + (y0 sin a)j (1) buluruz. Merminin başlangıç konumu r0 = 0i + 0j = 0 olarak verilmektedir. (2) 13.2 y Newton’un İkinci Hareket Yasası mermi üzerine etkiyen kuvvetin, kütlesi m kere hızı, veya r merminin konum vektörü ve t zaman ise, m(d2r@dt2) olduğunu söyler. Kuvvet sadece yerçekimi kuvveti –mgj ise, m v0 v0 sin j d 2r = -mgj dt 2 x v0 cos i d2r —–2 = –gj dt Diferansiyel denklem: a –gj (a) Başlangıç koşulları: t=0 iken r = r0 ve dr — = v0 dt Birinci integrasyon y (x, y) dr = -sgtdj + v0 . dt v verir. İkinci kere integre edilirse, a –gj x R bulunur. (1) ve (2) denklemlerinden v0 ve r0’ın değerlerini yerine koymak Yatay menzil (b) fiEK‹L 13.9 (a) t = 0 anında konum, hız, ivme ve atış açısı. (b) Daha sonraki bir t anında konum, hız ve ivme. 1 2 gt j + v0 t + r0 . 2 r = - r xi yj 0 d 2r = -g j. dt 2 ve and bulunur. Aşağıdaki başlangıç değer problemini çözerek r’yi t’nin bir fonksiyonu olarak buluruz: t 0 anında r=0 921 At›fl Hareketini Modellemek r = - 1 2 gt j + sy0 cos adti + sy0 sin adtj + 0 2 ('''''')''''''* v0t verir. Terimleri birleştirerek İdeal Mermi Hareketi Denklemi r = sy0 cos adti + asy0 sin adt - 1 2 gt bj. 2 (3) elde ederiz. (3) denklemi ideal mermi hareketi için vektör denklemidir. a açısı merminin atış açısı (ateşleme açısı, yükselme açısı) ve y0, daha önce de söylediğimiz gibi, merminin başlangıç süratidir. r’nin bileşenleri x = sy0 cos adt and ve y = sy0 sin adt - parametrik denklemlerini verir. Burada x merminin t yüksekliğidir. ÖRNEK 1 1 2 gt , 2 (4) 0 anındaki yatay uzaklığı ve y’de ‹deal Bir Mermi Bulmak Bir mermi yatay tabandan 500 m@s’lik bir ilk hız ve 60°’lik bir atış açısıyla fırlatılmıştır. Ateşlemeden 10 s sonra mermi nerededir? 922 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket y0 = 500, a = 60°, g = 9.8 m@s2 ve t = 10 ile (3) denklemini kullanarak, ateşlemeden 10 s sonra merminin koordinatlarını metre olarak buluruz: Çözüm r = sy0 cos adti + asy0 sin adt - 1 2 gt bj 2 23 1 1 = s500d a bs10di + as500d a b10 - a bs9.8ds100dbj 2 2 2 L 2500i + 3840j. Ateşlemeden on saniye sonra, mermi 3840 m havada ve yerde 2500 m ilerdedir. Yükseklik, Uçufl Zaman› ve Menzil (3) denklemi orijinden fırlatılan ideal bir mermi hakkında sorulan çoğu soruyu yanıtlamamızı sağlar. Mermi, en yüksek konumuna dikey hız bileşeni sıfır, yani dy = y0 sin a - gt = 0, dt veya or t = y0 sin a g . iken ulaşır. Bu t değeri için, y’nin değeri ymax = sy0 sin ad a sy0 sin ad2 y0 sin a y0 sin a 2 1 . g b - 2 ga g b = 2g olur. Merminin ne zaman yere indiğini bulmak için, yatay tabandan fırlatılmışsa, (3) denkleminde y’yi sıfıra eşitler ve t’yi çözeriz: sy0 sin adt - 1 2 gt = 0 2 t ay0 sin a - 1 gtb = 0 2 t = 0, t = 2y0 sin a g 0, merminin fırlatıldığı zaman olduğundan, (2y0 sin a)@g merminin yere çarptığı zaman olmalıdır. Yatay tabanda, orijinden çarpma noktasına kadarki mesafe olan, merminin menzili R’yi bulmak için, t = (2y0 sin a)@g iken x’in değerini buluruz: x = sy0 cos adt R = sy0 cos ad a 2y0 sin a y02 y02 b = g s2 sin a cos ad = g sin 2a g sin 2a = 1 veya a = 45° iken menzil en büyüktür. 13.2 At›fl Hareketini Modellemek 923 İdeal Mermi Hareketi İçin Yükseklik, Uçuş Zamanı ve Menzil Yatay bir düzlem üzerindeki orijinden y0 ilk hızı ve a atış açısı ile atılan ideal mermi hareketi için: ymax = sy0 sin ad2 2g Uçuş Flightzamanı: time: t = 2y0 sin a g Menzil: Range: y02 R = g sin 2a. Maksimum yükseklik: Maximum height: ÖRNEK 2 ‹deal Mermi Hareketini ‹ncelemek Yatay tabandaki orijinden 500 m@s’lik ilk süratle ve 60°’lik bir atış açısıyla fırlatılan bir merminin (Örnek 1’deki merminin aynı) maksimum yüksekliğini, uçuş zamanını ve menzilini bulun. Çözüm Maksimum yükseklik: Maximum height: ymax = sy0 sin ad2 2g s500 sin 60°d2 L 9566 m 2s9.8d 2y0 sin a = g = Uçuş zamanı: Flight time: t = Menzil: Range: R y02 = g sin 2a y = 10,000 8000 s500d2 sin 120° L 22,092 m 9.8 (3) denkleminden, merminin konum vektörü 6000 r = sy0 cos adti + asy0 sin adt - 4000 2000 0 –2000 2s500d sin 60° s L 88.4 sec 9.8 5000 10,000 15,000 20,000 fiEK‹L 13.10 Örnek 2’de tarif edilen mermi yolunun grafiği x 1 2 gt bj 2 = s500 cos 60°dti + as500 sin 60°dt - = 250ti + A A 25023 B t - 4.9t 2 B j. 1 s9.8dt 2 bj 2 olarak bulunur. Mermi yolunun bir grafiği Şekil 13.10’da gösterilmektedir. ‹deal Yörüngeler Paraboliktir Bir hortumdan akan suyun havada bir parabol çizdiği sıklıkla iddia edilir, fakat yeterince yakından bakan birisi bunun böyle olmadığını görecektir. Hava suyu yavaşlatır ve ileri doğru ilerlemesi en sonda düştüğü orana uymayacak kadar yavaştır. 924 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket y Aslında iddia edilen şey ideal mermilerin parabollerde hareket ettiğidir ve bunu (4) denklemlerinden görebiliriz. İkinci denkleme, birinci denklemden gelen t = x@(y0 cos a) değerini yerleştirirsek, y = -a v0 a fiEK‹L 13.11 (x0, y0)’dan bir v0 ilk hızı ve yatayla bir a açısı yapacak şekilde atılan bir merminin yolu. b x 2 + stan adx. Kartezyen-koordinat denklemini elde ederiz. Bu denklem y = ax2 + bx şeklindedir, dolayısıyla grafiği bir paraboldür. (x0, y0) 0 g 2y02 cos2 a x sx0, y0 d’dan F›rlatma İdeal mermimizi orijin yerine Şekil (13.11) (x0, y0) noktasından fırlatırsak, hareket yolu için konum vektörü, Alıştırma 19’da göstermeniz istenen r = sx0 + sy0 cos adtdi + ay0 + sy0 sin adt - 1 2 gt bj, 2 (5) şeklindedir. ÖRNEK 3 Yanan Bir Ok Atmak 1992 Barselona Yaz Olimpiyatlarını açmak için, bronz madalyalı okçu Antonio Rebollo Olimpiyat meşalesini yanan bir okla yakmıştı (Şekil 13.12). Rebello’nun oku, 70 ft yükseklikteki meşaleye yer seviyesinde 90 ft uzaklıktan ve 6 ft yükseklikten attığını ve okun maksimum yüksekliğine meşalenin merkezinden 4 ft yukarıda ulaşmasını istediğini varsayalım (Şekil 13.12). fiEK‹L 13.12 İspanyol okçu Antonio Rebollo Barselona’da Olimpiyat meşalesini yanan bir okla yakar. (a) ymax değerini başlangıç hızı y0 ve atış açısı a cinsinden ifade edin. (b) y0 sin a değerini bulmak için ymax = 74 ft (Şekil 13.13) ve (a) şıkkının sonucunu kullanın. (c) y0 cos a değerini bulun. (d) Okun ilk atış açısını bulun. 13.2 At›fl Hareketini Modellemek 925 Çözüm v0 ymax 74' a x (a) x-ekseni yerde sola doğru ilerleyen (Şekil 13.12’deki fotoğrafla uyuşacak şekilde) ve t = 0’da x0 = 0 ve y0 = 6 olacak şekilde bir koordinat sistemi kullanırız (Şekil 13.13). Elimizde y 90' 6' 0 y = y0 + sy0 sin adt - 1 2 gt 2 Denklem (5), j-bileşeni = 6 + sy0 sin adt - 1 2 gt . 2 y0 = 6 ÖLÇEKLİ DEĞİL fiEK‹L 13.13 Olimpiyat meşalesini yakan okun ideal yolu (Örnek 3). vardır. Okun en yüksek noktaya ulaştığı zamanı, dy@dt = 0 alıp buradan t’yi çözerek buluruz: y0 sin a g . t = Bu t değeri için, y’nin değeri ymax = 6 + sy0 sin ad a = 6 + y0 sin a y0 sin a 2 1 b g a g g b 2 sy0 sin ad2 . 2g olur. (b) ymax = 74 ve g = 32 kullanarak, 74 = 6 + sy0 sin ad2 2s32d veya y0 sin a = 2s68ds64d. buluruz. (c) Ok ymax değerine ulaştığında, meşalenin merkezine kadar kat edilen yatay mesafe x = 90 ft dir. (a) şıkkındaki ymax’a ulaşma zamanını ve yatay uzaklık x = 90 ft’i (5) denkleminin i-bileşeninde yerine yazarak, x = x0 + sy0 cos adt Denklem (5), i-bileşeni 90 = 0 + sy0 cos adt x = 90, x0 = 0 = sy0 cos ad a y0 sin a g b. t = sy0 sin ad>g elde ederiz. Bu denklemden y0 cos a’yı çözüp g = 32 ve (b) şıkkındaki sonucu kullanarak 90g s90ds32d = y0 cos a = . y0 sin a 2s68ds64d buluruz. (d) (b) ve (c) şıkları birlikte A 2s68ds64d B y0 sin a 68 tan a = y0 cos a = = 45 s90ds32d 2 926 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket veya a = tan-1 a 68 b L 56.5°. 45 verir. Bu Rebello’nun atış açısıdır. Rüzgar ‹le Mermi Hareketi Şimdiki örnek mermiye etki eden başka bir kuvvetin nasıl hesaplanacağını göstermektedir. Ayrıca, Örnek 4’teki basketbol topunun yolunun düşey bir düzlemde bulunduğunu varsayıyoruz. ÖRNEK 4 Bir Beyzbol Topuna Vurmak Bir beyzbol topuna yerden 3 ft yükseklikte iken vuruluyor. Sopayı, yatayla 20°’lik açı yapan 152 ft@s’lik bir ilk hızla terk ediyor. Topa vurulduğu anda ani bir rüzgar, topun yatayda ilerlediği yönün tam ters yönünde, topun ilk hızına –8.8i (ft@s) bileşenini ekleyecek şekilde esmeye başlıyor (8.8 ft@s = 6 milsa). (a) Beyzbol topunun yolu için bir vektörel (konum vektörü) denklem bulun. (b) Beyzbol topu ne kadar yükselir ve maksimum yüksekliğine ne zaman ulaşır? (c) Topun yakalanmadığını varsayarak, menzilini ve uçuş süresini bulun. Çözüm (a) Rüzgarın hesaba katılması ile (1) denklemi kullanılarak topun ilk hızı v0 = sy0 cos adi + sy0 sin adj - 8.8i = s152 cos 20°di + s152 sin 20°dj - s8.8di = s152 cos 20° - 8.8di + s152 sin 20°dj. olarak bulunur. Başlangıç konumu r0 = 0i + 3j’dir. d2r@dt2 = –gj’nin integrali dr = -sgtdj + v0 . dt verir. İkinci bir integrasyon r = - 1 2 gt j + v0 t + r0 . 2 verir. Son denklemde v0’ın ve r0’ın değerlerini yerine yazmak topun konum vektörünü verir: r = - 1 2 gt j + v0 t + r0 2 = -16t 2j + s152 cos 20° - 8.8dti + s152 sin 20°dtj + 3j = s152 cos 20° - 8.8dti + A 3 + (152 sin 20°dt - 16t 2 B j. 13.2 At›fl Hareketini Modellemek 927 (b) Beyzbol topu, hızının düşey bileşeni sıfır iken veya dy = 152 sin 20° - 32t = 0. dt iken en yüksek noktasına ulaşır. t'yi çözerek t = 152 sin 20° L 1.62 sec. s 32 buluruz. Bu değeri r’nin düşey bileşeninde yerine yazmak maksimum yüksekliği verir: ymax = 3 + s152 sin 20°ds1.62d - 16s1.62d2 < 45.2 ft Yani, topun maksimum yüksekliği, sopayı terk etmesinden yaklaşık 1.6 s sonra ulaştığı, yaklaşık 45.2 ft’dir. (c) Topun ne zaman yere düştüğünü bulmak için r’nin düşey bileşenini 0’eşitleyip t’yi çözeriz: 3 + s152 sin 20°dt - 16t 2 = 0 3 + s51.99dt - 16t 2 = 0. Çözüm değerleri yaklaşık olarak t = 3.3 s ve t = –0.06 s’dir. Pozitif değeri r’nin yatay bileşeninde yerine yazarak menzili buluruz: R = s152 cos 20° - 8.8ds3.3d < 442 ft Böylece, yatay menzil yaklaşık olarak 442 ft ve uçuş zamanı yaklaşık olarak 3.3 s dir. 29–31 alıştırmalarında, uçuşu yavaşlatan hava direnci altında, mermi hareketini ele alıyoruz. ALIfiTIRMALAR 13.2 Aşağıdaki alıştırmalarda, atılan cisimlerin davranışları aksi belirtilmedikçe ideal olarak kabul edilecektir. Bütün atış açılarının yataydan ölçüldüğü varsayılmaktadır. Başka bir şey belirtilmediği sürece, bütün cisimlerin yatay tabandaki orijinden atıldığı varsayılmaktadır. 1. Uçuş süresi Bir mermi 840 m@s süratle ve 60°’lik bir açıyla ateşlenmiştir. Yatayda 21 km ilerlemesi ne kadar sürecektir? 2. Çıkış süratini bulmak Maksimum menzili 24.5 km olan bir tabancanın atış süratini bulun. 3. Uçuş süresi ve yükseklik Bir mermi 500 m@s’lik ilk süratle ve 45°’lik bir açıyla atılmaktadır. a. Mermi ne zaman ve ne kadar uzakta yere çarpar? b. Mermi yatayda 5 km ilerlemişken, ne kadar yüksektedir? c. Merminin ulaştığı en büyük yükseklik nedir? 4. Bir beyzbol topunu atmak Bir beyzbol topu sahadan 32 ft yukarıdaki tribünden yatayla 30° yapan bir açıyla atılmıştır. Başlangıç sürati 32 ft@s ise, top yere ne zaman ve ne kadar uzakta çarpar? 5. Gülle atmak Bir atlet 16 lb’luk bir gülleyi yatayla 45°’lik bir açıyla yerden 6.5 ft yukardan 44 ft@s ilk süratle fırlatmıştır. Gülle, atıştan ne kadar sonra ve duruş çizgisinin iç tarafından ne kadar uzakta yere iner? 928 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket y Direk v0 Saha 45 ft 45 116 ft/s 45° Delik 369 ft ÖLÇEKLİ DEĞİL 6.5 ft 13. Green Monster Bir Boston Red Sox oyuncusu tarafından yerin 3 ft yukarısından 20°’lik bir açıyla atılan bir beyzbol topu, “Green Monster”ı, Fenway Parkı’nın sol taraftaki duvarını ancak aşmıştır. Bu duvar 37 ft yüksekliğinde ve başlangıç yerinden 315 ft uzaktadır (Şekle bakın). x Duruş çizgisi a. Topun başlangıç sürati neydi? b. Topun duvara varması ne kadar sürmüştür? “Gr 6. (Örnek 5’in devamı.) Başlangıçtaki yükseklikten dolayı, Alıştırma 5’teki gülle 40°’lik bir açıyla atılmış olsaydı, daha ileri giderdi. Ne kadar ileri gidebilirdi? İnç olarak yanıtlayın. 7. Golf topları ateşlemek Yer seviyesindeki bir yaylı tüfek bir golf topunu 45°’lik açıyla ateşlemektedir. Top 10 m ileride yere iner. een 315' Mon ster 37' duvar ” 379' 420' 5' duvar a. Topun ilk sürati neydi? b. Aynı ilk hız için, menzili 6 m yapan iki ateşleme açısını bulun. 8. Elektron ışıması Bir TV tüpündeki bir elektron yatay olarak 40 cm uzaktaki tüpün yüzeyine 5 106 m@s hızla gönderilmektedir. Elektron çarpmadan önce ne kadar mesafe düşecektir? 9. Golf topu hızını bulmak Farklı sertlikteki golf toplarına bir iticiyle vurulduğunda ne kadar ileri gidecekleri konusundaki laboratuvar testleri 100-sıkışımlı, 9°’lik açıyla 100 mil@sa hızla gelen bir sopa başıyla vurulan bir topun 248.8 yard ilerlediğini göstermiştir. Topun havalanma sürati nedir? (100 mil@sa’ ten fazladır. Sopa başının ileri hareket ettiği anda, sıkıştırılmış top, topun ileri doğru süratini arttıracak şekilde, sopa yüzeyinden uzaklaşmaktadır.) 10. Bir insan topu 0 = 80√10@3 ft@s ilk süratiyle fırlatılacaktır. Sirk göstericisi (doğru kalibrede, elbette) 200 ft ilerideki özel bir yastığa düşmeyi ummaktadır. Sirk 75 ft yüksekliğinde düz bir tavanı olan büyük bir odada kurulmuştur. Gösterici tavana çarpmadan yastığa fırlatılabilir mi? Fırlatılabilirse, topun fırlatma açısı ne olmalıdır? 11. Bir golf topu yerden 30°’lik bir açı ve 90 ft@s hızıyla ayrılmaktadır. 135 ft ötedeki 30 ft yüksekliğindeki bir ağacın üzerinden aşabilir mi? Açıklayın. 12. Yükseltilmiş saha Bir golf topu delikten 45 ft yukarıdaki çimenliğe 116 ft@s ilk hızıyla ve 45°’lik fırlatma açısıyla atılmaktadır. 369 ft ileride olan direk yoluna çıkmıyorsa, top direğe göre nerede yere düşecektir? 17' duvar 380' 302' 3' duvar 14. Eşit – menzilli atış açıları a, 0 a 90, açısıyla atılan bir merminin menzilinin aynı hızla (90 – a) açısıyla atılan bir mermininkiyle aynı olduğunu gösterin (Hava direncini hesaba katan modellerde, bu simetri kaybolur). 15. Eşit – menzilli atış açıları Merminin başlangıç sürati 400 m@s ise, hangi iki atış açısı bir merminin 16 km uzakta tabancayla aynı seviyeye gelmesini sağlayacaktır? 16. Sürate karşın menzil ve yükseklik a. Bir merminin verilen bir atış açısındaki başlangıç hızını iki katına çıkarmanın menzili 4 katına çıkaracağını gösterin. b. Yükseklik ve menzili iki katına çıkartmak için, başlangıç süratini yüzde kaç arttırmalısınız? 17. Gülle fırlatma 1987’de Moskova’da, Natalya Lisouskaya 8 lb, 13 onsluk bir gülleyi 73 ft 10 inçe fırlatarak bir dünya rekoru kırdı. Gülleyi yerin 6.5 ft yukarısından yatayla 40°’lik bir açıyla attığı varsayılırsa, güllenin başlangıç sürati nedir? 18. Zamana karşın yükseklik Bir merminin maksimum yüksekliğine ulaşması için gerekli zamanın yarısı kadar sürede maksimum yüksekliğinin dörtte üçüne ulaştığını gösterin. 13.2 At›fl Hareketini Modellemek 19. (x0, y0)’dan atış 929 B x = x0 + sy0 cos adt, y = y0 + sy0 sin adt - 1 2 gt , 2 denklemlerini, (metindeki (5) denklemine bakın) aşağıdaki başlangıç değer problemini düzlemdeki bir r vektörü için çözerek elde edin. 1 2 gt 2 R tan a v0 A a R 2 Diferansiyel Differential denklem: equation: d r = -g j dt 2 Initial conditions: Başlangıç koşulları: rs0d = x0 i + y0 j dr s0d = sy0 cos adi + sy0 sin adj dt a. Aşağı doğru en uzun mesafenin, başlangıç hızı vektörü AOR açısının açıortayı iken alındığını gösterin. b. Mermi aşağı değil de yukarı doğru fırlatılsaydı, hangi açı menzili maksimize ederdi? Yanıtınızı açıklayın. A 21. Yanan ok Örnek 3’teki meşalenin çapı 12 ft’tir. (5) denklemini ve Örnek 3(c)’yi kullanarak, yanan okun meşalenin kenarına olan yatay mesafeyi ne kadar zamanda kat ettiğini bulun. Bu anda ok ne kadar yüksektedir? Dikey 20. Yanan ok Örnek 3’te bulunan ateşleme açısını kullanarak, yanan okun Rebello’nun yayından hangi süratle çıktığını bulun. Şekil 13.13’e bakın. 25. Yokuş aşağı atış İdeali bir mermi, Şekilde gösterildiği gibi, aşağı doğru eğik bir düzleme fırlatılmaktadır. 22. a = 90 için (4) denklemleri ile verilen mermi yolunu tanımlayın. O 23. Model tren Aşağıda gösterilen çok anlı fotoğraf, düz bir rayda sabit hızla ilerleyen bir model tren lokomotifini göstermektedir. Lokomotif ilerlerken, lokomotifin bacasından bir bilye havaya fırlatılmaktadır. Lokomotifle aynı yatay hızla ilerlemeye devam eden bilye fırlatıldıktan 1 s sonra yine lokomotife dönmektedir. Bilyenin yolunun yatayla yaptığı açıyı ölçün ve bu bilgiyi kullanarak bilyenin ne kadar yükseldiğini ve lokomotifin ne süratle hareket ettiğini bulun. v0 a Yo ku ş R 26. Rüzgar altında beyzbol topuna vurmak Bir beyzbol topuna yerden 2.5 ft yükseklikte iken vuruluyor. Top, sopayı 145 ft@s’lik bir ilk hız ve 23°’lik bir atış açısı ile terk ediyor. Topa vurulduğu anda, ani bir rüzgar, topun ilk hızına –14i (ft@s) bileşenini ekleyecek şekilde topa karşı esmeye başlıyor. Uçuş yolu üzerinde, başlangıç levhasından 300 ft ileride, 15 ft yüksekliğinde bir duvar bulunmaktadır. a. Beyzbol topunun yolu için bir vektörel denklem bulun. b. Top ne kadar yükselir ve maksimum yüksekliğine ne zaman ulaşır? c. Topun yakalanmadığını varsayarak, menzilini ve uçuş süresini bulun. 24. Çarpışan bilyeler Şekil, iki bilyeyle yapılan bir deneyi göstermektedir. A bilyesi B bilyesine doğru bir a açısı ve 0 başlangıç süratiyle atılmaktadır. Aynı anda B mermisi, A’dan yer seviyesinde R birim uzaktaki bir noktadan R tan a birim yüksekteki durgun konumundan düşmeye bırakılmaktadır. Bilyelerin 0’dan bağımsız olarak çarpıştıkları gözlemlenmiştir. Bu sadece bir tesadüf müdür, yoksa olması gereken bu mudur? Yanıtınızı açıklayın. d. Top, ne zaman 20 ft yüksekliktedir? Bu yükseklikteyken başlangıç levhasından ne kadar uzaktadır (yatay uzaklık)? e. Vuruşçu, sayı vuruşu yapmış mıdır? Açıklayın. 27. Voleybol Bir voleybol topuna yerden 4 ft yükseklikte ve 6 ft yüksekliğindeki bir fileden 12 ft uzaklıkta iken vuruluyor. Darbe noktasını 35 ft@s’lik bir ilk hızla ve 27°’lik bir açıyla terk ederek rakip takım oyuncuları arasından dokunulmadan geçiyor. a. Voleybol topunun yolu için bir vektörel denklem bulun. b. Top ne kadar yükselir ve maksimum yüksekliğine ne zaman ulaşır? 930 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket c. Menzilini ve uçuş süresini bulun. 29. Lineer sürtünme d. Top, ne zaman 7 ft yüksekliktedir? Bu yükseklikteyken düşeceği yerden ne kadar uzaktadır (yatay uzaklık)? x = e. Filenin 8 ft’e yükseltildiğini varsayın. Bu, bazı şeyleri değiştirir mi? Açıklayın. y0 s1 - e -k t d cos a k y = g y0 s1 - e -k t dssin ad + 2 s1 - k t - e -k t d k k 28. Yörünge zirveleri Yerden a açısı ve y0 ilk hızıyla atılan bir mermi için, a’yı bir değişken ve y0’ı da belirli bir sabit olarak kabul edin. Her a için, 0 a p@2, Şekilde gösterildiği gibi parabolik bir yörünge elde ederiz. Düzlemde bu parabolik yörüngelerin zirvelerinin hepsinin, x 0 olmak üzere, x 2 + 4 ay - y02 2 y04 , b = 4g 4g 2 denklemlerini, aşağıdaki başlangıç değer problemini düzlemdeki bir r vektörü için çözerek elde edin. Differentialdenklem: equation: Diferansiyel d 2r dr = -gj - kv = -gj - k 2 dt dt Başlangıç koşulları: Initial conditions: rs0d = 0 dr = v0 = sy0 cos adi + sy0 sin adj ` dt t = 0 elipsinin üzerinde bulunduğunu gösterin. y k sürtünme katsayısı, hava direncini temsil eden pozitif bir sabittir. y0 ve a merminin ilk hızı ve atış açısı, g’de yerçekimi ivmesidir. Elips ⎛ 1 R, y ⎛ max ⎝ ⎝2 30. Lineer sürtünme ile bir beyzbol topuna vurmak Örnek 4’teki beyzbol topu problemini lineer sürtünme ile göz önüne alın (Alıştırma 29’a bakın). Rüzgar olmadığını ve k = 0.12 sürtünme katsayısını kabul edin. Parabolik yörünge a. Alıştırma 29’dan, beyzbol topunun yolu için bir vektör formu bulun. x 0 b. Top ne kadar yükselir? Maksimum yüksekliğine ne zaman ulaşır? c. Beyzbol topunun menzilini ve uçuş süresini bulun. d. Top, ne zaman 30 ft yüksekliktedir? Bu yükseklikteyken başlangıç levhasından ne kadar uzaktadır (yatay uzaklık)? Lineer Bir Sürtünme ‹le Mermi Hareketi Bir mermi hareketine, yer çekimi ivmesi dışında, etkiyen temel kuvvet hava direncidir. Bu yavaşlatıcı kuvvet sürtünme kuvveti dir ve merminin hızına ters yönde etki eder (şekle bakın). Ancak, hava içinde nispeten küçük hızlarda hareket eden mermiler için sürtünme kuvveti, sürat (birinci kuvvet) ile (neredeyse) orantılıdır ve lineer olarak adlandırılır. y Sürtünme kuvveti Hız e. Uçuş yolu üzerinde, başlangıç levhasından 340 ft ileride, 10 ft yüksekliğinde bir duvar bulunmaktadır. Bir savunmacı, sıçrayarak yerden 11 ft yüksekliğe kadar herhangi bir topu yakalayıp duvarı aşmasını engelleyebilmektedir. Vurucu, sayı vuruşu yapmış mıdır? 31. Lineer sürtünme ile rüzgar altındaki bir beyzbol topuna vurmak Yine Örnek 4’teki beyzbol topu problemini ele alın. Bu defa 0.08’lik bir sürtünme katsayısını ve topa vurulduğu anda, topun ilk hızına –17.6i (ft@s) bileşenini ekleyen ani bir rüzgarı göz önüne alın. a. Beyzbol topunun yolu için bir vektörel denklem bulun. Yer çekimi b. Top ne kadar yükselir? Maksimum yüksekliğine ne zaman ulaşır? c. Beyzbol topunun menzilini ve uçuş süresini bulun. x d. Top, ne zaman 32 ft yüksekliktedir? Bu yükseklikteyken başlangıç levhasından ne kadar uzaktadır (yatay uzaklık)? e. Uçuş yolu üzerinde, başlangıç levhasından 380 ft ileride, 20 ft yüksekliğinde bir duvar bulunmaktadır. Vurucu, sayı vuruşu yapmış mıdır? “Evet” ise, topun ilk hızının yatay bileşenindeki hangi değişiklik topu saha içinde tutacaktır? “Hayır” ise, hangi değişiklik sayı vuruşu olmasını sağlayacaktır? 13.3 13.3 931 Yay Uzunlu¤u ve Birim Te¤et Vektör T Yay Uzunlu¤u ve Birim Te¤et Vektör T Hava içinde veya uzayda, tecrübe sahibi olabileceğiniz gibi, bir yol boyunca yüksek hızlarla yol alan hareketleri hayal edin. Özellikle, solunuza veya sağınıza döndüren hareketleri ve koltuğunuzdan kaldırmaya veya bastırmaya yönelik yukarı – aşağı hareketleri hayal edin. Atmosferde uçan pilotlar, akrobatik uçuşlardaki dönmelerde ve burulmalarda şüphesiz ki bu tecrübeyi yaşarlar. Çok dar olan dönüşler, çok dik olan inişler veya tırmanışlar veya bunların yüksek ve artan bir hızla birleştirilmesi, bir hava aracının kontrolden çıkmasına hatta, muhtemelen havada dağılmasına ve yere düşmesine neden olabilir. Bu ve bundan sonraki iki bölümde, dönüşlerinin keskinliğini ve ileri doğru olan hareketine dik burulmalarını matematiksel olarak tanımlayan, bir eğrinin şeklinin özelliklerini inceleyeceğiz. Baz noktası Bir Uzay E¤risi Boyunca Yay Uzunlu¤u 3 –2 –1 0 1 4 2 fiEK‹L 13.14 Düzgün eğriler, her noktanın koordinatı daha önce seçilmiş bir baz noktasından itibaren mesafe olmak üzere, sayı doğruları gibi ölçeklendirilebilir. s Düzgün uzay eğrilerinin özelliklerinden biri, ölçülebilir bir uzunluklarının olmasıdır. Bu, koordinat eksenlerindeki noktaları orijinden olan yönlü uzaklıklarıyla tanımlayabildiğimiz gibi, eğri üzerindeki noktaları verilen bir baz noktası’ndan itibaren olan yönlü s uzaklıklarıyla tanımlayabilmemizi sağlar (Şekil 13.14). Hareket eden bir cismin hızını ve ivmesini tanımlamak için doğal parametre zamandır, fakat bir eğrinin şeklini incelemek için doğal parametre s’dir. Uzay uçuşu analizlerinde iki parametre de karşımıza çıkar. Uzaydaki düzgün bir eğri üzerinde uzaklık ölçmek için, düzlemdeki eğriler için kullandığımız formüle bir z-terimi ekleriz. Düzgün Bir E¤rinin Uzunlu¤u TANIM t = a’dan t = b’ye doğru artarken sadece bir kere çizilen düzgün bir r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k, a t b, eğrisinin uzunluğu şöyledir: b L = 2 2 dy 2 dx dz b + a b + a b dt. dt dt La C dt a (1) Düzlemdeki eğriler için olduğu gibi, uzaydaki bir eğrinin uzunluğunu da belirtilen koşulu sağlayan uygun parametrizasyondan buluruz. Yine, ispatı atlayacağız. (1) denklemindeki kök hız vektörü dr@dt’nin uzunluğu uvu’dir. Bu, uzunluk formülünü kısa bir şekilde yazmamızı sağlar. Yay Uzunluğu Formülü b L = ÖRNEK 1 La ƒ v ƒ dt (2) Bir Planörün Ald›¤› Yol Bir planör r(t) = (cos t)i + (sin t)j + t k helisi boyunca yukarı doğru uçmaktadır. Planör, yolu boyunca t = 0’dan t = 2p < 6.28 s’ye kadar ne kadar mesafe kat eder? 932 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Çözüm Bu zaman süresince gidilen yol parçası, helisin tam bir dönüşüne karşı gelir.(Şekil 13.15). Eğrinin bu kısmının uzunluğu z b L = 2p tp t 2p r P L0 2s -sin td2 + scos td2 + s1d2 dt 2p = 0 (1, 0, 0) La 2p ƒ v ƒ dt = birimofuzunluk 22 dt = 2p22 units length. olarak bulunur. Bu, helisin üzerinde bulunduğu, xy-düzlemindeki çemberin uzunluğunun 22 katıdır. t p 2 t0 L0 t ile parametrize edilen düzgün bir C eğrisinin üzerinde bir P(t0) baz noktası seçersek, her t değeri C üzerinde bir P(t) = (x(t), y(t), z(t)) noktası ve C üzerinde baz noktasından itibaren ölçülen bir “yönlü uzaklık” y x t sstd = fiEK‹L 13.15 Örnek 1’deki r(t) = (cos t)i + (sin t)j + tk helisi. ƒ vstd ƒ dt, tanımlar (Şekil 13.16). t t0 ise, s(t) P(t0)’dan P(t)’ye olan uzaklıktır. t t0 ise, s(t) uzaklığın negatifidir. Her s değeri C üzerinde bir nokta belirler ve bu da C’yi s’e göre parametrize eder. s’ye eğrinin yay uzunluğu parametresi deriz. Parametrenin değeri artan t yönünde artar. Yay uzunluğu paramatresi, bir uzay eğrisinin dönüşlerinde ve burulmalarında özel olarak etkilidir. t harfi üst sınır olarak kullanıldığından, integrasyon değişkeni olarak t (‘‘tau’’) Yunan harfini kullanırız. z r Lt0 P(t0) Baz Noktası ile Yay Uzunluğu Parametresi P(t) 0 t Baz noktası sstd = s(t) y Lt0 t 2[x¿std]2 + [y¿std]2 + [z¿std]2 dt = Lt0 ƒ vstd ƒ dt (3) P(t0) x fiEK‹L 13.16 Eğri üzerindeki P(t0)’dan herhangi bir P(t) noktasına olan yönlü uzaklık şöyledir: ÖRNEK 2 t sstd = Lt0 Bir r(t) eğrisi bir t parametresi cinsinden verilmişse ve s(t), (3) denklemi ile verilen yay uzunluğu fonksiyonu ise, t’yi s’nin bir fonksiyonu olarak çözebiliriz, t = t(s). Bu durumda t yerine değerini yazarak, r = r(t(s)) , eğriyi s cinsinden parametrize edebiliriz. ƒ vstd ƒ dt. Bir Yay Uzunlu¤u Parametrizasyonu Bulmak t0 = 0 ise, t0’dan t’ye kadar rstd = scos tdi + ssin tdj + tk helisi boyunca yay uzunluğu parametresi t sstd = Lt0 ƒ vstd ƒ dt (3) Denklemi 22 dt Örnek 1’deki değer t = L0 = 22 t. olur. 13.3 Yay Uzunlu¤u ve Birim Te¤et Vektör T 933 Bu eşitlikten t’yi çözersek t = s> 22. buluruz. Bu değeri r’nin konum vektöründe yerine yazarsak helis için aşağıdaki yay uzunluğu parametrizasyonunu elde ederiz: rstssdd = ¢ cos s 22 ≤ i + ¢ sin s 22 ≤j + s 22 k. Örnek 2’nin aksine, başka bir t parametresi cinsinden verilmiş bir eğri için yay uzunluğu parametrizasyonunu analitik olarak bulmak genellikle zordur. Neyse ki, s(t) veya tersi t(s) için tam bir formüle ender olarak ihtiyaç duyarız. ÖRNEK 3 Bir Do¤ru Boyunca Uzakl›k u = u1i + u2j + u3k bir birim vektörse, rstd = sx0 + tu1 di + s y0 + tu2 dj + sz0 + tu3 dk doğrusu üzerinde, t = 0 olan P0(x0, y0, z0) noktasından olan yönlü uzaklığın t’nin kendisi olduğunu gösterin. Çözüm v = d d d sx + tu1 di + s y + tu2 dj + sz + tu3 dk = u1i + u2 j + u3k = u u, dt 0 dt 0 dt 0 olur, dolayısıyla t sstd = L0 t ƒ v ƒ dt = L0 t ƒ u ƒ dt = L0 1 dt = t. bulunur. TARİHSEL BİYOGRAFİ Josiah Willard Gibbs (1839–1903) Düzgün Bir E¤ri Üzerinde Sürat (3) denklemindeki kökün altındaki türevler sürekli olduğu için (eğri düzgündür), Analizin Temel Teoremi s’nin t’nin türetilebilir bir fonksiyonu olduğunu ve türevinin ds = ƒ vstd ƒ . dt (4) olduğunu söyler. Beklediğimiz gibi, parçacığın yolu üzerinde ilerlediği sürat v’nin büyüklüğüdür. Baz noktası P(t0) (3) denkleminde s’yi tanımlayıcı bir rol oynarken, (4) denkleminde bir rol oynamadığına dikkat edin. Hareket eden bir parçacığın yolu üzerinde bir mesafe kat ettiği oranın baz noktasının ne kadar uzakta olduğuyla bir ilişkisi yoktur. Ayrıca ds@dt 0 olduğuna da dikkat edin, çünkü, tanım gereği, ƒ v ƒ düzgün bir eğri için asla sıfır olmaz. Bir kere daha s’nin t’nin artan bir fonksiyonu olduğunu görürüz. Birim Te¤et Vektör T v = dr@dt hız vektörünün eğriye teğet olduğunu ve bu nedenle T = v ƒvƒ 934 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket z vektörünün (düzgün) eğriye teğet olan bir birim vektör olduğunu zaten biliyoruz. Dikkate aldığımız eğriler için ds@dt 0 olduğundan, s bire-birdir ve t’yi s’nin türetilebilir bir fonksiyonu olarak veren bir tersi vardır (Bölüm 7.1). Tersin türevi v dt 1 1 = = . ds ds>dt ƒvƒ r 0 s T v v olur. Bu da r’yi s’nin türetilebilir bir fonksiyonu haline sokar. Türevi Zincir Kuralı ile v dr dr dt 1 = = v = = T. ds dt ds ƒvƒ ƒvƒ y P(t0) olarak hesaplanır. Bu denklem, dr@ds’nin v hız vektörü yönünde birim teğet vektör olduğunu söyler (Şekil 13.17). x fiEK‹L 13.17 Birim teğet vektör T’yi, v’yi |v| ile bölerek buluruz. TANIM Birim Te¤et Vektör Düzgün bir r(t) eğrisinin birim teğet vektörü T = dr>dt v dr = = . ds ds>dt ƒvƒ (5) dir. v t’nin türetilebilir bir fonksiyonu olduğu sürece, birim teğet vektör T de t’nin türetilebilir bir fonksiyonudur. Bölüm 13.5’te göreceğimiz gibi, T uzay araçlarının ve üç boyutta hareket eden diğer cisimlerin hareketini tanımlamakta kullanılan bir referans çerçevesinin üç birim vektöründen biridir. ÖRNEK 4 Birim Te¤et Vektör T’yi Bulmak Bölüm 13.1, Örnek 4’teki planörün yolunu temsil eden rstd = s3 cos tdi + s3 sin tdj + t 2k eğrisinin birim teğet vektörünü bulun. Çözüm O örnekte v = dr = -s3 sin tdi + s3 cos tdj + 2tk dt ve ƒ v ƒ = 29 + 4t 2 . bulduk. Böylece, T = bulunur. v 3 sin t 3 cos t 2t = i + j + k. 2 2 ƒvƒ 29 + 4t 29 + 4t 29 + 4t 2 13.3 y ÖRNEK 5 Tv x2 y2 1 935 Birim Çember Üzerinde Hareket Birim çember etrafında, saat yönünün tersine P(x, y) rstd = scos tdi + ssin tdj r t 0 Yay Uzunlu¤u ve Birim Te¤et Vektör T (1, 0) hareketi için x v = s -sin tdi + scos tdj zaten bir birim vektördür, dolayısıyla T = v olur (Şekil 13.18). fiEK‹L 13.18 r(t) = (cos t)i + (sin t)j hareketi (Örnek 5). ALIfiTIRMALAR 13.3 11. rstd = s4 cos tdi + s4 sin tdj + 3t k, Birim Te¤et Vektörleri ve E¤ri Uzunluklar› Bulmak t 1–8 alıştırmalarında, eğrinin birim teğet vektörünü bulun. Ayrıca, eğrinin belirtilen parçasının uzunluğunu da bulun. 1. rstd = s2 cos tdi + s2 sin tdj + 25t k, 0 … t … p 2. rstd = s6 sin 2tdi + s6 cos 2tdj + 5t k, 0 … t … p 3. rstd = t i + s2>3dt 3>2 k, 0 … t … p>2 6. rstd = 6t 3 i - 2t 3 j - 3t 3 k, 1 … t … 2 7. rstd = st cos tdi + st sin tdj + A 2 22>3 B t 3>2 k, 8. rstd = st sin t + cos tdi + st cos t - sin tdj, p>2 … t … p -ln 4 … t … 0 14. rstd = s1 + 2tdi + s1 + 3tdj + s6 - 6tdk, -1 … t … 0 Teori ve Örnekler 15. Yay uzunluğu eğrisinin (0, 0, 1)’den A 22, 22, 0 B .’a kadar uzunluğunu bulun 0 … t … p 22 … t … 2 9. rstd = s5 sin tdi + s5 cos tdj + 12t k 16. Helisin Uzunluğu Örnek 1’deki helisin bir dönüşünün uzunluğu 2p 22, ayrıca bir kenarı 2p olan bir karenin köşegeninin uzunluğudur. Helisin etrafına sarıldığı silindirin bir kısmını kesip düzleştirerek bu karenin nasıl elde edileceğini gösterin. 17. Elips a. Bir dik silindir ile bir düzlemin kesişim eğrisi olduğunu göstererek r(t) = (cos t)i +(sin t)j + (1 – cos t)k, 0 t 2p, eğrisinin bir elips olduğunu gösterin. Silindir ve düzlemin denklemlerini bulun. eğrisi üzerinde, artan yay uzunluğu yönünde orijinden 26p birim uzaklıktaki noktayı bulun. 10. rstd = s12 sin tdi - s12 cos tdj + 5t k b. Silindir üzerinde elipsi çizin. Çiziminize t = 0, p@2, p ve 3p@2’deki birim teğet vektörleri de ekleyin. eğrisi üzerinde, artan yay uzunluğu yönünün tersine orijinden 13p birim uzaklıktaki noktayı bulun. c. İvme vektörünün her zaman düzleme paralel (düzleme normal bir vektöre ortogonal) olacağını gösterin. Yani, ivmeyi elipse eklenmiş bir vektör olarak çizerseniz, elipsin düzleminde olacaktır. Çiziminize t = 0, p@2 ve 3p@2’deki ivme vektörlerini ekleyin. Yay Uzunlu¤u Parametresi 11–14 alıştırmalarında, (3) denklemindeki t L0 t 13. rstd = se cos tdi + se sin tdj + e k, 0 … t … 3 5. rstd = scos3 t dj + ssin3 t dk, t rstd = A 22t B i + A 22t B j + s1 - t 2 dk 0 … t … 8 4. rstd = s2 + tdi - st + 1dj + t k, s = 0 … t … p>2 12. rstd = scos t + t sin tdi + ssin t - t cos tdj, d. Elipsin uzunluğu için bir integral yazın. İntegrali hesaplamaya çalışmayın; elementer değildir. ƒ vstd ƒ dt integralini t = 0 olan noktadan itibaren hesaplayarak, eğri boyunca yay uzunluğu parametresini bulun. Sonra eğrinin belirtilen kısmının uzunluğunu bulun. T e. Sayısal integral hesaplayıcı Elipsin uzunluğunu iki ondalık basamak hassaslıkla hesaplayın. 18. Uzunluk parametrizasyondan bağımsızdır Uzaydaki düzgün bir eğrinin uzunluğunun, hesaplamak için kullandığınız 936 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket parametrizasyondan bağımsız olduğunu göstermek için, Örnek 1’deki helisin bir dönüşünün uzunluğunu aşağıdaki parametrizasyonlarla hesaplayın. a. rstd = scos 4tdi + ssin 4tdj + 4t k, 0 … t … p>2 b. rstd = [cos st>2d]i + [sin st>2d] j + st>2dk, c. rstd = scos tdi - ssin td j - t k, 0 … t … 4p y -2p … t … 0 x = cos t + t sin t, y = sin t - t cos t, P(x, y) t O 1 (1, 0) x t 7 0 20. (Alıştırma 19’un devamı) Çemberin involutunun P(x, y) noktasındaki birim teğet vektörünü bulun. parametrik denklemlerini elde edin. 13.4 İp Q 19. Bir çemberin involutu Bir çembere dolanmış bir ip, çember düzleminde gergin tutularak çözülürse, ipin ucu, P, çemberin bir involutunu çizer. Şekle göre, sorudaki çember x2 + y2 = 1 birim çemberidir ve çizim noktası (1, 0)’dan başlar. İpin çözülmüş kısmı Q noktasında çembere teğettir ve pozitif x-ekseninden OQ doğru parçasına olan açının radyan ölçüsü t dir. İnvolut için P(x, y) noktasının E¤rilik ve Birim Normal Vektör N Bu bölümde bir eğrinin nasıl döndüğünü ve eğildiğini inceleyeceğiz. Önce koordinat düzlemlerindeki eğrilere, sonra uzaydaki eğrilere bakacağız.. y Düzlemsel Bir E¤rinin E¤rili¤i Bir parçacık düzgün bir düzlemsel eğri boyunca ilerlerken, eğri eğildikçe T = dr@ds döner. T bir birim vektör olduğundan, parçacık eğri boyunca ilerlerken, uzunluğu sabit kalır ve sadece yönü değişir. T’nin eğri boyunca birim uzunluktaki dönüş oranına eğrilik denir (Şekil 13.19). Eğrilik fonksiyonunun alışılmış sembolü Yunan harfi k (“kappa”)’dır. T P T s P0 0 T x fiEK‹L 13.19 P artan yay uzunluğu yönünde eğri boyunca ilerlerken, birim teğet vektör döner. dT@ds’nin P’deki değerine eğrinin P’deki eğriliği denir. TANIM E¤rilik T, düzgün bir eğrinin birim teğet vektörüyse, eğrinin eğrilik fonksiyonu k = ` dT `. ds olur. ) dT@ds ) büyükse, parçacık P’den geçerken T keskin bir şekilde döner ve P’deki eğrilik büyüktür. ) dT@ds ) sıfıra yakınsa, T daha yavaş döner ve P’deki eğrilik daha küçüktür. Düzgün bir r(t) eğrisi, s yay uzunluğu parametresinden farklı bir t parametresi cinsinden verilmişse, eğriliği aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz. k = ` dT dT dt ` = ` ` ds dt ds = dT 1 ` ` ƒ ds>dt ƒ dt = 1 dT ` `. ƒ v ƒ dt Zincir Kuralı ds = ƒvƒ dt 13.4 937 E¤rilik ve Birim Normal Vektör N Eğriliği Hesaplama Formülü r(t) düzgün bir eğri ise, T = v> ƒ v ƒ teğet bitim vektör olmak üzere, eğrilik k = 1 dT ` `, ƒ v ƒ dt (1) olur. T Tanımı test ederken, Örnek 1 ve 2’de, doğrular ve çemberler için eğriliğin sabit olduğunu görürüz. ÖRNEK 1 fiEK‹L 13.20 Bir doğru boyunca, T daima aynı yönü gösterir. Eğrilik, ƒ d T>ds ƒ , sıfırdır (Örnek 1). Bir do¤runun e¤rili¤i s›f›rd›r Bir doğru üzerinde, birim teğet vektör T her zaman aynı yönü gösterir, dolayısıyla bileşenleri sabittir. Buradan, ƒ dT>ds ƒ = ƒ 0 ƒ = 0 olur (Şekil 13.20). Yar›çap› a Olan Bir Çemberin E¤rili¤i 1@a’d›r ÖRNEK 2 Nedenini anlamak için, a yarıçaplı bir çemberin rstd = sa cos tdi + sa sin tdj parametrizasyonu ile başlarız. Sonra, v = dr = -sa sin tdi + sa cos tdj dt ƒ v ƒ = 2s -a sin td2 + sa cos td2 = 2a 2 = ƒ a ƒ = a. buluruz. Buradan, T = a 0 olduğundan ƒ a ƒ = a. v = -ssin tdi + scos tdj ƒvƒ dT = -scos tdi - ssin tdj dt ` dT ` = 2cos2 t + sin2 t = 1. dt bulunur. Dolayısıyla, t parametresinin herhangi bir değeri için, k = 1 dT 1 1 ` ` = a s1d = a . ƒ v ƒ dt elde ederiz. (1) denklemindeki, k’yı hesaplama formülü uzay eğrileri için de geçerli olmasına rağmen, gelecek bölümde, uygulaması genellikle daha uygun olan bir hesaplama formülü bulacağız. Birim teğet vektör T’ye ortogonal vektörler arasında bir tanesinin özel bir önemi vardır çünkü eğrinin döndüğü yönü gösterir. T’nin uzunluğu sabit (değeri 1) olduğundan dT@ds türevi T’ye ortogonaldir (Bölüm 13.1). Bu nedenle, dT@ds’yi kendi uzunluğu olan k’ya bölersek, T’ye ortogonal bir N birim vektörü elde ederiz (Şekil 13.21). 938 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket N 1 dT κ ds T T P2 P1 TANIM Asal Birim Normal k 0 olan bir noktada, düzlemsel bir eğrinin asal birim normal vektörü şu şekilde verilir: 1 dT N = k . ds s P0 N 1 dT κ ds fiEK‹L 13.21 Eğriye normal olan dT@ds vektörü daima T’nin döndüğü yönü işaret eder. N birim normal vektörü dT@ds’nin yönüdür. dT@ds vektörü, eğri büküldükçe T’nin döndüğü yönü işaret eder. Dolayısıyla, artan yay uzunluğu yönüne bakarsak, dT@ds vektörü, T saat yönünde dönüyorsa sağa, saat yönünün tersine dönüyorsa sola işaret eder. Başka bir deyişle, asal birim normal vektör N eğrinin konkav tarafını işaret edecektir (Şekil 13.21). Düzgün bir r(t) eğrisi, s yay uzunluğu parametresinden farklı bir t parametresi cinsinden verilmişse, N’yi doğrudan hesaplamak için Zincir Kuralını kullanabiliriz: N = dT>ds ƒ dT>ds ƒ = sdT>dtdsdt>dsd ƒ dT>dt ƒ ƒ dt>ds ƒ = dT>dt . ƒ dT>dt ƒ dt 1 7 0 sadeleşir = ds ds>dt Bu formül önce k ve s’yi bulmak zorunda kalmadan N’yi bulmamızı sağlar. N’yi Hesaplama Formülü r(t) düzgün bir eğri ise, T = v> ƒ v ƒ teğet birim vektör olmak üzere, asal birim normal N = dT>dt , ƒ dT>dt ƒ olur. ÖRNEK 3 T ve N Bulmak Aşağıdaki dairesel hareket için T ve N’yi bulun. rstd = scos 2tdi + ssin 2tdj. Çözüm Önce T’yi buluruz. v = -s2 sin 2tdi + s2 cos 2tdj ƒ v ƒ = 24 sin2 2t + 4 cos2 2t = 2 T = v = -ssin 2tdi + scos 2tdj. ƒvƒ (2) 13.4 E¤rilik ve Birim Normal Vektör N 939 Bundan, dT = -s2 cos 2tdi - s2 sin 2tdj dt ` dT ` = 24 cos2 2t + 4 sin2 2t = 2 dt ve N = dT>dt ƒ dT>dt ƒ = -scos 2tdi - ssin 2tdj. (2) denklemi buluruz. T N = 0’a dikkat edin. Bu, N’nin T’ye ortogonal olduğunu gerçekler. Ayrıca, buradaki dairesel hareket için, N’nin r(t)’den çemberin orijindeki merkezini işaret ettiğine de dikkat edin. Eğrilik çemberi Düzlem E¤riler ‹çin E¤rilik Çemberi Düzlemsel bir eğri üzerinde, k 0 olan bir P noktasındaki eğrilik çemberi veya değen çember eğrinin düzleminde bulunan ve aşağıdaki koşulları sağlayan çemberdir: Eğrilik merkezi Eğri Eğrilik yarıçapı N T P(x, y) fiEK‹L 13.22 P(x, y)’de eğriye değen çember eğrinin iç tarafında bulunur. 1. 2. 3. Eğriye P’de teğettir (teğeti eğrininkiyle aynıdır); P’deki eğriliği eğrininkiyle aynıdır; ve Eğrinin konkav veya iç tarafında bulunur (Şekil 13.22). Eğrinin P’deki eğrilik yarıçapı eğrilik çemberinin yarıçapıdır ve Örnek 2’ye göre 1 Eğrinin yarıçapı = r = — k ile verilir. r’yu bulmak için, k’yı bulur ve çarpmaya göre tersini alırız. Eğrinin P’deki eğrilik merkezi eğrilik çemberinin merkezidir. ÖRNEK 4 Bir Parabolün E¤rilik Çemberini Bulmak 2 y = x parabolünün orijindeki eğrilik çemberini bulun ve çizin. Çözüm Parabolü, t = x parametresi ile parametreleriz (Bölüm 10.4, Örnek 1): rstd = ti + t 2j. Önce, (1) denklemini kullanarak, parabolün orijindeki eğriliğini buluruz: v = dr = i + 2tj dt ƒ v ƒ = 21 + 4t 2 ve dolayısıyla T = v = s1 + 4t 2 d-1>2 i + 2ts1 + 4t 2 d-1>2 j. ƒvƒ 940 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket y Buradan, y x2 Eğrilik çemberi dT = -4ts1 + 4t 2 d-3>2 i + [2s1 + 4t 2 d-1>2 - 8t 2s1 + 4t 2 d-3>2] j. dt buluruz. Orijinde t = 0 dır, dolayısıyla eğrilik 1 2 ks0d = 0 x 1 = fiEK‹L 13.23 y = x2 parabolünün orijindeki eğrilik çemberi (Örnek 4). dT 1 ` s0d ` vs0d ƒ ƒ dt (1) Denklemi 1 ƒ 0i + 2j ƒ 21 = s1d20 2 + 22 = 2. olur. Bundan dolayı eğrilik yarıçapı 1@k = 1@2 ve çemberin merkezi (0, 1@2) dir (Şekil 13.23’e bakın). Eğrilik çemberinin denklemi sx - 0d2 + ay - 2 1 1 b = a b 2 2 2 veya x 2 + ay - 2 1 1 b = . 2 4 tür. Şekil 13.23’ten, eğrilik çemberinin, parabolün orijindeki y = 0 teğet yaklaşımından daha iyi bir yaklaşımı olduğunu görebilirsiniz. z Uzay E¤rileri ‹çin E¤rilik ve Normal Vektörler Uzayda bir düzgün eğri, bir t parametresinin fonksiyonu olarak r(t) konum vektörü ile belirlenmişse ve s eğrinin yay uzunluğu parametresi ise T birim teğet vektörü dr@ds = v@uvu dir. Bu durumda uzaydaki eğrilik, düzlem eğriler için olduğu gibi 2pb tp t 2p k = ` dT 1 dT ` = ` ` ds ƒ v ƒ dt (3) ile tanımlanır. dT@ds vektörü T’ye ortogonaldir ve 0 (a, 0, 0) t0 r P t p 2 x2 y2 a2 dT>dt 1 dT N = k = . ds dT>dt ƒ ƒ (4) y x fiEK‹L 13.24 a ve b pozitif ve t 0 için çizilmiş r(t) = (a cos t)i + (a sin t)j + btk helisi (Örnek 5). vektörünü asal birim normal olarak tanımlarız. ÖRNEK 5 E¤rilik Bulmak Aşağıdaki helisin (Şekil 13.24) eğriliğini bulun. rstd = sa cos tdi + sa sin tdj + btk, a, b Ú 0, a 2 + b 2 Z 0. 13.4 Çözüm E¤rilik ve Birim Normal Vektör N 941 Hız vektörü v’den T’yi hesaplarız: v = -sa sin tdi + sa cos tdj + bk ƒ v ƒ = 2a 2 sin2 t + a 2 cos2 t + b 2 = 2a 2 + b 2 T = v 1 = [-sa sin tdi + sa cos tdj + bk]. 2 ƒvƒ 2a + b 2 Sonra (3) denklemini kullanarak k = 1 dT ` ` ƒ v ƒ dt = 1 1 ` [-sa cos tdi - sa sin tdj] ` 2a 2 + b 2 2a 2 + b 2 = a ƒ -scos tdi - ssin tdj ƒ a2 + b2 = a a 2scos td2 + ssin td2 = 2 . a2 + b2 a + b2 buluruz. Bu eşitlikten, sabit bir a değeri için b’yi arttırmanın eğriliği azaltacağını görürüz. Sabit bir b değeri için a’yı arttırmak da eğriliği azaltır. Bir yayı germek onu düzleştirir. b = 0 ise, helis a yarıçaplı bir çembere ve eğriliği de, olması gerektiği gibi, 1@a’ya indirgenir. a = 0 ise, helis z-ekseni haline gelir ve eğriliği de, yine olması gerektiği gibi, 0 olur. ÖRNEK 6 Asal Birim Normal Vektör N’yi Bulmak Örnek 5’teki helis için N’yi bulun. Çözüm dT 1 = [sa cos tdi + sa sin tdj] dt 2a 2 + b 2 Örnek 5 a dT 1 ` ` = 2a 2 cos2 t + a 2 sin2 t = 2 2 2 dt 2a + b 2a + b 2 N = d T>dt ƒ dT>dt ƒ (4) Denklemi 2a + b a 2 = - 2 # 1 2a + b 2 2 = -scos tdi - ssin tdj. buluruz. [sa cos tdi + sa sin tdj] 942 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket ALIfiTIRMALAR 13.4 Düzlem E¤riler d T>dt , ƒ d T>dt ƒ N = 1–4 alıştırmalarındaki düzlem eğrileri için T, N ve k’yı bulun. 1. rstd = t i + sln cos tdj, -p>2 6 t 6 p>2 2. rstd = sln sec tdi + t j, -p>2 6 t 6 p>2 değerini hesaplayın. t = 0’da, N bulunabilir mi? Eğriyi çizin ve t negatiften pozitif değerlere geçerken N’ye ne olduğunu açıklayın. 3. rstd = s2t + 3di + s5 - t 2 dj 4. rstd = scos t + t sin tdi + ssin t - t cos tdj, t Z 0, t 7 0 Uzay E¤rileri 5. Bir fonksiyonun xy-düzlemindeki grafiğinin eğriliği için bir formül. 9–16 alıştırmalarındaki eğriler için T, N ve k’yı bulun. a. xy-düzlemindeki y = ƒ(x) grafiğinin, x = x, y = ƒ(x) parametrizasyonu ve r(x) = xi + ƒ(x)j vektör formülü otomatik olarak vardır. Bu formülü, x’in iki kere türetilebilir bir ƒ fonksiyonu için ƒ ƒ–sxd ƒ . ksxd = C 1 + sƒ¿sxdd2 D 3>2 10. rstd = scos t + t sin tdi + ssin t - t cos tdj + 3k olduğunu göstermekte kullanın. b. (a) şıkkında k için bulunan formülü kullanarak, y = ln (cos x), t p@2, fonksiyonunu eğriliğini bulun. Yanıtınızı –p@2 Örnek 1’deki yanıtla karşılaştırın. c. Bir büküm noktasında eğriliğin sıfır olduğunu gösterin. 6. Parametrize bir düzlem eğri için eğrilik formülü. a. İki kere türetilebilir x = ƒ(t) ve y = g(t) fonksiyonlarıyla tanımlanan düzgün bir r(t) = ƒ(t)i + g(t)j eğrisinin eğriliğinin #$ #$ ƒx y - y xƒ . k = #2 # sx + y 2 d3>2 formülüyle verildiğini gösterin. Formülü aşağıdaki eğrilerin eğriliklerini bulmakta kullanın. b. rstd = t i + sln sin tdj, 0 6 t 6 p c. rstd = [tan-1 ssinh td]i + sln cosh tdj. 7. Düzlem eğrilerin normalleri a. n(t) = –g(t)i + ƒ(t)j ve –n(t) = g(t)i – ƒ(t)j’nin ikisinin de r(t) = ƒ(t)i + g(t)j eğrisine (ƒ(t), g(t)) noktasında normal olduklarını gösterin. Düzlemdeki belirli bir eğri için N’yi elde etmek amacıyla, (a) şıkkındaki eğrinin konkav tarafını gösteren n veya –n’ den birini seçip, bunu bir birim vektör yapabiliriz (Şekil 13.21’e bakın). Bu yöntemi, N’yi bulmak için aşağıdaki eğrilere uygulayın. -2 … t … 2 8. (Örnek 7’nin devamı.) a. r(t) = ti + (1@3)t3j eğrisi için t 0 ve t 0 iken N’yi bulmak üzere, Örnek 7’deki yöntemi kullanın. b. (a) şıkkındaki eğri için 11. rstd = se t cos tdi + se t sin tdj + 2k 12. rstd = s6 sin 2tdi + s6 cos 2tdj + 5t k 13. rstd = st 3>3di + st 2>2dj, t 7 0 14. rstd = scos tdi + ssin tdj, 0 6 t 6 p>2 15. rstd = t i + sa cosh st>addj, a 7 0 3 3 16. rstd = scosh tdi - ssinh tdj + t k E¤rilik Üzerine Baflka Al›flt›rmalar 17. y = ax2, a 0, parabolünün en büyük eğriliğe tepe noktasında sahip olduğunu ve minimum eğriliğinin bulunmadığını gösterin. (Not: Bir eğri ötelendiğinde veya döndürüldüğünde eğriliği aynı kaldığı için, bu sonuç her parabol için geçerlidir.) 18. x = a cos t, y = b sin t, a b 0, elipsinin en büyük eğriliğe büyük ekseni üzerinde, en küçük eğriliğe küçük ekseni üzerinde sahip olduğunu gösterin (Alıştırma 17’de olduğu gibi, aynısı her elips için geçerlidir). 19. Bir helisin eğriliğini maksimize etmek Örnek 5’te, r(t) = (a cos t)i + (a sin t)j + bt k, (a, b 0) helisinin eğriliğini k = a@(a2 + b2) olarak bulmuştuk. Verilen bir b değeri için k’nın en büyük değeri nedir? Yanıtınızı açıklayın. 20. Toplam eğrilik Düzgün bir eğrinin s = s0’dan s = s1 > s0’ a kadar olan kısmının toplam eğriliğini k’yı s0’dan s1’e kadar integre ederek buluruz. Eğrinin başka bir parametresi varsa, örneğin t, toplam eğrilik, t0 ve t1 sırası ile s0 ve s1’e karşılık gelmek üzere, s1 K = Ls0 k ds = t1 Lt0 t k 1 ds dt = k ƒ v ƒ dt , dt Lt0 olarak bulunur. b. rstd = t i + e 2t j c. rstd = 24 - t 2 i + t j, 9. rstd = s3 sin tdi + s3 cos tdj + 4t k a. r(t) = (3 cos t)i + (3 sin t)j + t k helisinin 0 t p@4 arasındaki kısmının b. y = x2, – x parabolünün 21. r(t) = ti + (sin t)j eğrisinin (p@2, 1) noktasındaki eğrilik çemberinin denklemini bulun. (Eğri xy-düzlemindeki y = sin x grafiğini parametrize eder.) 13.5 22. r(t) = (2 ln t)i – [t + (1@t)]j, e–2 t e2, eğrisinin t = 1 için (0, –2) noktasındaki eğrilik çemberinin denklemini bulun. T Grafik Araflt›rmalar› ƒ ƒ–sxd ƒ C 1 + s ƒ¿sxdd2 D 3>2 , C = rst0 d + Formülü, iki kere türetilebilen bir y = ƒ(x) düzlem eğrisinin k(x) eğriliğini x’in bir fonksiyonu olarak ifade eder. 23–26 alıştırmalarındaki eğrilerin her birinin eğrilik fonksiyonunu bulun. Sonra verilen aralıkta ƒ(x)’in grafiğini k(x)’in grafiğiyle birlikte çizin. Bazı sürprizlerle karşılaşacaksınız. 23. y = x 2, 24. y = x 4>4, -2 … x … 2 25. y = sin x, 0 … x … 2p x 26. y = e , -2 … x … 2 -1 … x … 2 E¤rilik Çemberleri e. Değen çemberin denklemi (x – a)2 + (y – b)2 = 1@k2’yi kapalı olarak çizin. Sonra eğrinin grafiğini ve değen çemberi birlikte çizin. Görüntüleme çerçevenizin boyutlarını değiştirmek zorunda kalabilirsiniz, ama kare olmasına dikkat edin. 27. rstd = s3 cos tdi + s5 sin tdj, 28. rstd = scos3 tdi + ssin3 tdj, a. Eğriyi belirtilen aralıkta verilen parametrik veya fonksiyon formunda çizerek neye benzediğini görün. b. Örnek 5 veya 6’daki formüllerden uygun olanını kullanarak eğrinin verilen t0 noktasındaki k eğriliğini bulun. Eğri y = ƒ(x) fonksiyonu şeklinde verilmişse, x = t ve y = ƒ(t) parametrizasyonunu kullanın. 0 … t … 2p, 0 … t … 2p, -4 … t … 4, 30. rstd = st 3 - 2t 2 - tdi + 27–34 Alıştırmalarında, bir düzlem eğrinin üzerinde k 0 olan bir P noktasına değen çemberi incelemek için bir BCS kullanacaksınız. Aşağıdaki adımları gerçekleştirmek için bir BCS kullanın. 1 Nst0 d . kst0 d vektör denkleminden bulun. Eğri üzerindeki P(x0, y0) noktası konum vektörü r(t0) ile verilir. 29. rstd = t 2i + st 3 - 3tdj, B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI 13.5 c. t0’daki birim normal vektör N’yi bulun. N’nin bileşenlerinin işaretlerinin, birim teğet vektör T’nin t = t0’da saat yönüne mi, yoksa saat yönünün tersine mi döndüğüne bağlı olduğuna dikkat edin. (Alıştırma 7’ye bakın.) d. Orijinden, eğrilik çemberinin merkezi (a, b)’ye giden vektör C = a i + b j ise, merkez C’yi Örnek 5’te türetilen ksxd = 943 Burulma ve Birim Binormal Vektör B t0 = p>4 t0 = p>4 t0 = 3>5 3t j, -2 … t … 5, 21 + t 2 31. rstd = s2t - sin tdi + s2 - 2 cos tdj, 0 … t … 3p, t0 = 3p>2 32. rstd = se -t cos tdi + se -t sin tdj, 33. y = x 2 - x, -2 … x … 5, 34. y = xs1 - xd2>5, 0 … t … 6p, t0 = 1 t0 = p>4 x0 = 1 -1 … x … 2, x0 = 1>2 Burulma ve Birim Binormal Vektör B z BT×N N 1 dT κ ds r P T dr ds s P0 x fiEK‹L 13.25 Uzayda bir eğri boyunca ilerleyen, ikişer ikişer ortogonal birim vektörlerin TNB çerçevesi. y Bir uzay eğrisi boyunca ilerliyorsanız, Kartezyen i, j ve k koordinat sistemi, hareketinizi tanımlayan vektörleri ifade etmek için size karşı cömert değildir. Bunların yerine anlamlı olan vektörler, ileriye doğru hareketinizi (birim teğet vektör T), yolunuzun döndüğü yönü (birim normal vektör N) ve bu vektörlerce belirlenen düzlemden bu düzleme dik doğrultuda dışarıya doğru ‘‘burulma ’’ eğilimini (B = T N ile tanımlanan birim binormal vektör) temsil eden vektörlerdir. İvme vektörünü eğri boyunca, hareket ile birlikte ilerleyen ve ikişer ikişer ortogonal birim vektörlerden oluşan bu TNB çerçevesinin (Şekil 13.25 ) bir lineer kombinasyonu olarak ifade etmek, yolun doğası ve yol boyunca hareket hakkında özel olarak açıklayıcıdır. Torsiyon Uzaydaki bir eğrinin binormal vektörü B = T N, hem T’ye hem de N’ye ortogonal bir birim vektördür (Şekil 13.26). T, N ve B birlikte, uzayda hareket eden parçacıkların uçuş yörüngelerinin hesaplanmasında önemli bir rol oynayan, hareketli ve sağ el kuralına uyan bir vektör çerçevesi tanımlarlar. 944 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Bu çerçeveye Frenet (“fre-nay”) çerçevesi (Jean-Frédérix Frenet’nin anısına, 18161900) veya TNB çerçevesi denir. dB@ds vektörü T, N ve B’ye göre nasıl davranır? Vektörel çarpımın türev alma kuralından B P dN dB dT = * N + T * . ds ds ds N T buluruz. N, dT@ds’nin yönü olduğundan, (dT@ds) N = 0 olur ve fiEK‹L 13.26 T, N ve B vektörleri (bu sırayla) uzayda ikişer ikişer aralarında ortogonal birim vektörlerden oluşan ve sağ el kuralına uyan bir çerçeve oluştururlar. dN dN dB = 0 + T * = T * . ds ds ds elde ederiz. Buradan, vektörel bir çarpım çarpanlarına dik olduğu için, dB@ds’nin T’ye ortogonal olduğunu görürüz. dB@ds ayrıca B’ye (uzunluğu sabittir) de dik olduğundan, dB@ds ’nin B ile T’nin düzlemine ortogonal olduğu anlaşılır. Başka bir deyişle, dB@ds N’ye paraleldir, dolayısıyla dB@ds vektörü N’nin bir skaler katıdır. Sembolik olarak, dB = -tN. ds Bu denklemdeki eksi işareti gelenekseldir. t skalerine eğri boyunca burulma denir. dB # N = -tN # N = -ts1d = -t, ds ve dolayısıyla t = - dB # N. ds olduğuna dikkat edin. Torsiyon ( Burulma) TANIM B = T N olsun. Düzgün bir eğrinin burulma fonksiyonu Binormal Doğrultucu düzlem t = - Normal düzlem dB # N. ds (1) ile verilir. B Asla negatif olmayan eğrilik k’nın aksine, burulma t pozitif, negatif veya sıfır olabilir. P T Birim teğet N Asal normal Değen düzlem fiEK‹L 13.27 T, N ve B’nin belirlediği üç düzlemin isimleri. T, N ve B tarafından belirlenen düzlemler Şekil 13.27’de isimlendirilmiş ve gösterilmişlerdir. Eğrilik k = ƒ dT>ds ƒ, P noktası eğri boyunca ilerlerken, normal düzlemin dönme oranı olarak düşünülebilir. Benzer şekilde, burulma t = -sdB>dsd # N de, P eğri boyunca ilerlerken, değen düzlemin T etrafında dönme oranı olarak düşünülebilir. Burulma, eğrinin nasıl büküldüğünü ölçer. Eğriyi hareket eden bir cismin yolu olarak düşünürsek, ƒ dT>ds ƒ, cisim eğri boyunca ilerlerken, yolun sola veya sağa ne kadar döndüğünü söyler; ƒ dT>ds ƒ’ye cismin yolunun eğriliği denir. -sdB>dsd # N sayısı bir cisim bir yol boyunca ilerlerken yolun 13.5 945 Burulma ve Birim Binormal Vektör B hareket düzleminin dışına ne kadar döndüğünü veya kıvrıldığını söyler; buna da cismin yolunun burulması denir. Şekil 13.28’e bakın. P eğri bir ray üzerinde ilerleyen bir trense, birim mesafede farların bir yandan diğer yana dönüş oranı rayın eğriliğidir. Lokomotifin T ile N’nin oluşturduğu düzlemden dışarı çıkma eğilimi gösterdiği oransa burulmadır. dB ds P’deki burulma –(dB/ds)⋅N’dir. B P’deki eğrilik (dT/ds)’tir. s artar. N T P s0 fiEK‹L 13.28 Hareket eden her cisim hareket ettiği yolu karakterize eden bir TNB çerçevesi ile ilerler. ‹vmenin Te¤et ve Normal Bileflenleri Bir cisim yerçekimi, frenler, roket motorlarının bir birleşimi veya başka bir şey tarafından ivmelendirilirse, genellikle ivmenin ne kadarının hareket doğrultusunda, yani teğet T doğrultusunda etkidiğini bilmek isteriz. Bunu, Zincir Kuralını kullanarak v’yi v = dr dr ds ds = = T dt ds dt dt şeklinde yazıp, bu eşitlikler zincirinin iki tarafının da türevini alarak hesaplayabiliriz: a = dv d d 2s ds dT ds = aT b = 2 T + dt dt dt dt dt dt = d 2s ds dT ds d 2s ds ds T + a b = 2T + akN b 2 dt ds dt dt dt dt dt = d 2s ds T + k a b N. dt dt 2 dT = kN ds 2 TANIM İvme ‹VMENIN TE⁄ET VE NORMAL B‹LEfiENLER‹ a = aTT + aNN (2) şeklinde yazılabilir. Burada aT = d 2s d = v dt ƒ ƒ dt 2 ve and aN = k a ivmenin teğet ve normal skaler bileşenleridir. 2 ds b = kƒ v ƒ2 dt (3) 946 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket a N ds aN κ ⎛⎝ ⎛⎝ dt T 2 2 aT d 2s dt s P0 fiEK‹L 13.29 İvmenin teğet ve normal bileşenleri. a ivmesi her zaman B’ye ortogonal olan T ile N’nin düzleminde bulunur. (2) denklemi içinde B binormal vektörünün yer almadığına dikkat edin. İzlediğimiz hareketli cismin yolu uzay içinde ne şekilde bükülür ve dönerse dönsün, a ivmesi her zaman B’ye dik olan T ve N’nin düzleminde bulunur. Denklem ayrıca ivmenin ne kadarının harekete teğet (d2s@dt2) ve ne kadarının harekete normal [k(ds@dt)2] olduğunu söyler (Şekil 13.29). (3) denklemlerinden hangi bilgileri edinebiliriz? Tanım olarak, a ivmesi v hızının değişim oranıdır ve genelde bir parçacık, yolu üzerinde ilerlerken, v’nin hem uzunluğu hem de yönü değişir. İvmenin teğet bileşeni aT, v’nin uzunluğunun değişim oranını (yani, hızdaki değişikliği) ölçer. İvmenin normal bileşeni aN, v’nin yönünün değişim oranını ölçer. İvmenin normal skaler bileşeninin, eğrilik kere hızın karesi olduğuna dikkat edin. Bu, arabanız keskin (k büyük), yüksek hızlı (ƒ v ƒ büyük) bir dönüş yaptığında neden tutunmanız gerektiğini açıklar. Arabanızın hızını iki katına çıkarırsanız, aynı eğrilik için ivmenin normal skaler bileşeninin dört katını hissedersiniz. Eğer bir cisim bir çember üzerinde sabit hızla ilerlerse, d2s@dt2 sıfır olur ve ivme’nin tamamı N doğrultusunda çemberin merkezini gösterir. Cisim hızlanıyor veya yavaşlıyorsa, a’nın sıfırdan farklı bir teğet bileşeni vardır (Şekil 13.30). aN’yi hesaplamak için, genellikle ƒ a ƒ 2 = a # a = a T2 + a N2 denkleminden aN çözülerek elde edilen a N = 2ƒ a ƒ 2 - a T2 , formülü kullanılır. Bu formülle, aN ’yi önce k’yı hesaplamak zorunda kalmadan bulabiliriz. İvmenin Normal Bileşenini Hesaplama Formülü a N = 2ƒ a ƒ 2 - a T2 d2s T dt2 a P ÖRNEK 1 ‹vmenin aT ve aN Skaler bileflenlerini Bulmak T ve N’yi bulmadan, v2 v2N N C rstd = scos t + t sin tdi + ssin t - t cos tdj, hareketinin ivmesini a = aTT + aNN 13.31’deki çemberin involutudur.) Çözüm t 7 0 şeklinde yazın. (Hareketin izlediği yol, Şekil (3) denklemlerini kullanarak aT’yi buluruz: v = fiEK‹L 13.30 r yarıçaplı bir çemberin üzerinde saat yönünün tersine hareket ederken hızlanan bir cismin ivmesinin teğet ve normal bileşenleri. (4) dr = s -sin t + sin t + t cos tdi + scos t - cos t + t sin tdj dt = st cos tdi + st sin tdj ƒ v ƒ = 2t 2 cos2 t + t 2 sin2 t = 2t 2 = ƒ t ƒ = t aT = d d std = 1. v = dt ƒ ƒ dt t 7 0 (3) Denklemi aT’yi bildiğimize göre, (4) denklemini kullanarak aN’yi bulabiliriz: a = scos t - t sin tdi + ssin t + t cos tdj ƒ a ƒ2 = t2 + 1 a N = 2ƒ a ƒ 2 - a T2 = 2st 2 + 1d - s1d = 2t 2 = t. Biraz işlemden sonra 13.5 947 Burulma ve Birim Binormal Vektör B Sonra (2) denklemini kullanarak a’yı buluruz: a = aTT + aNN = (1)T + (t)N = T + tN T a P(x, y) tN y Şimdi düzgün bir eğrinin eğriliğini ve burulmasını hesaplamak için kullanımı kolay formüller vereceğiz. (2) denkleminden, İp r Q E¤rilik ve Burulmay› Hesaplamak ‹çin Formüller v * a = a t O (1, 0) = a x 2 ds d 2s ds Tb * c 2 T + k a b N d dt dt dt 3 ds d 2s ds bsT * Td + k a b sT * Nd dt dt 2 dt = ka x2 y2 1 v = dr>dt = sds>dtdT 3 ds b B. dt T * T = 0 ve T * N = B buluruz. Buradan fiEK‹L 13.31 r(t) = (cos t + t sin t)i + (sin t – t cos t)j hareketinin ivmesinin t 0 için teğet ve normal bileşenleri. Sabit bir çemberin etrafına sarılmış bir ip, çemberin düzlemi içinde gergin tutularak çözülürse ip’in P ucu çemberin bir involutunu çizer (Örnek 1). 3 ds ƒ v * a ƒ = k ` dt ` ƒ B ƒ = k ƒ v ƒ 3 . ds = ƒvƒ dt and ve ƒBƒ = 1 olduğu ortaya çıkar. Buradan k’yı çözmek aşağıdaki formülü verir. Eğrilik İçin Vektör Formülü k = Newton’un türevler için nokta gösterimi (6) denklemindeki noktalar t’ye göre türev almayı göstermektedir, her türev # için bir nokta vardır. Yani, x (“x nokta) $ % 2 dx/dt, x (“x iki nokta”) d x@dt2 ve x 3 3 (“x üç nokta”) d x@dt anlamına gelir. # Benzer şekilde, y = dy>dt , vs. ƒv * aƒ ƒ v ƒ3 (5) (5) denklemi eğrinin geometrik bir özelliği olan eğriliği, ƒ v ƒ’nin sıfırdan farklı olması koşulu ile eğrinin herhangi bir vektör temsilinin hızından ve ivmesinden hesaplar. Bir an durup, bunun aslında ne kadar önemli olduğunu düşünün: Bir eğri boyunca herhangi bir hareket formülünden eğrinin, hareket ne kadar değişken olursa olsun (v sıfır olmadığı sürece), eğrinin nasıl bir yol çizdiği ile hiç ilgisi yokmuş gibi görünen, fiziksel bir özelliğini hesaplayabiliyoruz. Burulma için genelde kullanılan ve daha ileri kitaplarda türetilen formül şöyledir: t = # x $ 3x % x # y $ y % y # z $3 z % z ƒ v * a ƒ2 sifv a*a0Zise) 0d. (v (6) 948 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Bu formül burulmayı doğrudan, r’yi oluşturan x = ƒ(t), y = g(t), z = h(t) bileşen fonksiyonlarının türevlerinden hesaplar. Determinantın birinci satırı v’den, ikinci satırı a’dan ve üçüncü satırı da a· = da@dt’den gelir. ÖRNEK 2 E¤rilik ve Burulma Bulmak (5) ve (6) denklemlerini kullanarak, r(t) = (a cos t)i + (a sin t)j + bt k, a, b 0, a2 + b2 0 helisi için k ve t’yu hesaplayın. Çözüm Eğriliği (50) denkleminden hesaplarız: v = -sa sin tdi + sa cos tdj + bk a = -sa cos tdi - sa sin tdj i v * a = 3 -a sin t -a cos t j a cos t -a sin t k b3 0 = sab sin tdi - sab cos tdj + a 2k ƒv * aƒ 2a 2b 2 + a 4 a2a 2 + b 2 a = = = 2 . 3 2 2 3>2 2 2 3>2 v a + b2 sa + b d sa + b d ƒ ƒ k = (7) (7) denkleminin, eğriliği doğrudan tanımından hesapladığımız Bölüm 13.4, Örnek 5’teki sonuçla uyuştuğuna dikkat edin. Burulma için (6) denklemini hesaplarken, determinantın elemanlarını r’ nin t’ye göre türevini alarak buluruz. Elimizde zaten v ile a vardır ve da # a = = sa sin tdi - sa cos tdj. dt olarak bulunur. Böylece, t = # x 3 x$ % x # y $ y % y # z $3 z % z ƒv * aƒ 2 -a sin t 3 -a cos t a sin t = a cos t -a sin t -a cos t A a2a 2 + b 2 B 2 = bsa 2 cos2 t + a 2 sin2 td a 2sa 2 + b 2 d = b . a2 + b2 b 03 0 (7) Denkleminden u v a u’nın değeri elde ederiz. Bu son denklemden, dik bir silindir etrafındaki bir helisin burulmasının sabit olduğunu görürüz. Aslında, sabit eğrilik ve sabit burulma uzaydaki bütün eğriler arasında helisleri karakterize eder. 13.5 Burulma ve Birim Binormal Vektör B 949 Uzaydaki Eğriler İçin Formüller Birim teğet vektör: T = v ƒvƒ Asal birim normal vektör: N = dT>dt dT>dt ƒ ƒ Binormal vektör: B = T * N Eğrilik: k = ` ƒv * aƒ dT ` = ds ƒ v ƒ3 dB # N = ds Burulma: t = - İvmenin teğet ve normal skaler bileşenleri: a = a TT + a NN aT = # x 3 x$ % x # y $ y % y # z $3 z % z ƒ v * a ƒ2 d v dt ƒ ƒ a N = k ƒ v ƒ 2 = 2ƒ a ƒ 2 - a T2 ALIfiTIRMALAR 13.5 Burulma ve Binormal Vektör Bulmak 1-8 alıştırmalarındaki eğriler için Bölüm 13.4’te (9–16 alıştırmaları) T, N ve k’yı buldunuz. Şimdi bu uzay eğrileri için B ve t’yu bulun. 1. rstd = s3 sin tdi + s3 cos tdj + 4t k 2. rstd = scos t + t sin tdi + ssin t - t cos tdj + 3k 3. rstd = se t cos tdi + se t sin tdj + 2k 4. rstd = s6 sin 2tdi + s6 cos 2tdj + 5t k 5. rstd = st 3>3di + st 2>2dj, t 7 0 6. rstd = scos3 tdi + ssin3 tdj, 0 6 t 6 p>2 7. rstd = ti + sa cosh st>addj, a 7 0 8. rstd = scosh tdi - ssinh tdj + t k ‹vmenin Te¤et ve Normal Bileflenleri 9 ve 10 alıştırmalarında T ve N’yi bulmadan, a’yı aTT + aNN şeklinde yazın. 9. rstd = sa cos tdi + sa sin tdj + bt k 10. rstd = s1 + 3tdi + st - 2dj - 3t k 11–14 alıştırmalarında T ve N’yi bulmadan, verilen t değerinde a’yı aTT + aNN formunda yazın. 11. rstd = st + 1di + 2tj + t 2k, t = 1 12. rstd = st cos tdi + st sin tdj + t 2k, 2 t = 0 3 13. rstd = t i + st + s1>3dt dj + st - s1>3dt 3 dk, 14. rstd = se t cos tdi + se t sin tdj + 22e t k, t = 0 t = 0 15 ve 16 alıştırmalarında, verilen t değerinde r, T, N ve B’yi bulun. Sonra, t’nin bu değerindeki değen, normal ve doğrultucu düzlemlerin denklemlerini bulun. 15. rstd = scos tdi + ssin tdj - k, t = p>4 16. rstd = scos tdi + ssin tdj + t k, t = 0 Fiziksel Ugulamalar 17. Arabanızdaki sürat göstergesi sürekli 35 mil@sa göstermektedir. İvmeleniyor olabilir misiniz? Açıklayın. 18. Sabit bir süratle ilerleyen bir parçacığın ivmesi hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. 19. İvmesi her zaman hızına dik olan bir parçacığın sürati hakkında bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızı açıklayın. 950 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket 20. m kütleli bir cisim 10 birim@s’lik sabit süratle y = x2 parabolü üzerinde ilerlemektedir. (0, 0) ve (21@2, 2)’de ivmesinden dolayı parçacığın üzerine etkiyen kuvvet nedir? Yanıtınızı i ve j cinsinden yazın (Newton yasası, F = ma’yı hatırlayın). 21. Aşağıda, The American Monthly’de yayınlanmış olan, Robert Osserman tarafından yazılmış “Seksenlerde Eğrilik” isimli (Ekim 1990, sayfa 731) makaleden bir alıntı vardır: Eğrilik fizikte de önemli bir rol oynar. Bir cismi eğri bir yol boyunca sabit süratle haraket ettirmek için gereken kuvvetin büyüklüğü, Newton yasalarına göre, yörüngelerin eğriliğinin sabit bir katıdır. Alıntının ikinci cümlesinin matematiksel olarak neden doğru olduğunu açıklayın. 22. Hareket eden bir parçacığın ivmesinin normal bileşeni sıfırsa, parçacığın bir doğru üzerinde ilerlediğini gösterin. 23. Eğrilik için arada bir kullanılabilecek bir kestirme ƒ aN ƒ ve ƒ v ƒ’yi biliyorsanız, aN = k ƒ v ƒ 2 formülü eğriliği bulmak için uygun bir yol sağlar. Bunu kullanarak r(t) = (cos t + t sin t)i + (sin t – t cos t)j, t 0 eğrisinin eğriliğini ve eğrilik yarıçapını bulun (aN ve ƒ v ƒ’yi Örnek 1’den alın). 24. k ve t’nun ikisinin de r(t) = (x0 + At)i + (y0 + Bt)j + (z0 + Ct)k eğrisi için sıfır olduğunu gösterin. 28. T’yu B ve v’den hesaplayan bir formül t = –(dB@ds) N tanımı ile başlayıp Zincir Kuralını uygulayarak dB@ds’yi dB d B dt dB 1 = = , ds dt ds dt ƒ v ƒ şeklinde yazarsak, t = - 1 dB # a Nb . ƒ v ƒ dt formülünü buluruz. Bu formülün (6) denklemine göre avantajı türevinin alınmasının ve ifade edilmesinin daha kolay olmasıdır. Dezavantajı ise bir bilgisayar kullanmadan hesaplanmasının çok uğraştırıcı olmasıdır. Yeni formülü kullanarak Örnek 2’deki helisin burulmasını bulun. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI E¤rilik, Burulma ve TNB Çerçevesi Teori ve Örnekler 25. Düzlemdeki (yeteri kadar türetilebilir) bir r(t) = ƒ(t)i + g(t)j eğrisinin burulması için ne söylenebilir? Yanıtınızı açıklayın. 26. Bir helisin burulması Örnek 2’de, rstd = sa cos tdi + sa sin tdj + bt k, Yanıtları dört ondalık basamağa yuvarlayarak, 29–32 alıştırmalarındaki eğriler için, verilen t değerlerinde, v, a, sürat, T, N, B, k, t ve ivmenin teğet ve normal bileşenlerini bulmak için bir BCS kullanın. 29. rstd = st cos tdi + st sin tdj + t k, t = 23 30. rstd = se t cos tdi + se t sin tdj + e t k, a, b Ú 0 helisinin burulmasını t = b@(a2 + b2) olarak bulduk. Verilen bir a değerinde t’nun en büyük değeri nedir? Yanıtınızı açıklayın. 13.6 27. Burulması sıfır olan eğriler bir düzlemde bulunurlar Burulması sıfır olan yeterince türetilebilir eğrilerin bir düzlemde bulunması, hızı bir C sabit vektörüne dik kalan bir parçacığın C’ye dik bir düzlemde hareket etmesinin özel bir durumudur. Bu, yine, aşağıdaki analiz probleminin çözümü olarak görülebilir. r(t) = ƒ(t)i + g(t)j + h(t)k’nin [a, b] aralığındaki her t için iki kere türetilebildiğini, t = a iken r = 0 ve [a, b]’ deki her t için v k = 0 varsayın. Bu durumda [a, b]’ deki her t için h(t) = 0 dır. Bu problemi çözün (İpucu: a = d2r@dt2 ile başlayın ve başlangıç koşullarını ters sırada uygulayın). t = ln 2 31. rstd = st - sin tdi + s1 - cos tdj + 2 -t k, t = -3p 32. rstd = s3t - t 2 di + s3t 2 dj + s3t + t 3 dk, t = 1 Gezegen Hareketi ve Uydular Bu bölümde, Newton’un hareket yasalarından Kepler’in gezegen hareketi yasalarını türetecek ve Dünya çevresindeki uyduların yörüngelerini tartışacağız. Kepler yasalarının Newton yasalarından türetilmesi analizin zaferlerinden biridir. Neredeyse, uzayda vektörlerin cebri ve geometrisi, vektör fonksiyonların analizi, diferansiyel denklem çözümleri ve başlangıç değer problemleri ile konik kesitlerin kutupsal koordinatlardaki tanımları da dahil olmak üzere, şimdiye kadar işlediğimiz her konuyu kullanır. 13.6 Gezegen Hareketi ve Uydular 951 Kutupsal ve Silindirik Koordinatlarda Hareket y Bir parçacık kutupsal koordinat düzlemindeki bir eğri boyunca ilerlerken, konum, hız ve ivmesini Şekil 13.32’de gösterilen, hareketli uu P(r, u) r ur ur = (cos u)i + (sin u)j, uu = – (sin u)i + (cos u)j 1 birim vektörleriyle ifade ederiz. ur vektörü OP , konum vektörü yönünü gösterir, dolayısıyla r = r ur olur. ur ’ye ortogonal olan uu vektörü artan u yönünü gösterir. (1) denklemlerinden aşağıdakileri elde ederiz: x O fiEK‹L 13.32 r’nin uzunluğu P noktasının pozitif kutupsal koordinatı r’dir. Yani, r@|r| olan ur aynı zamanda r@r’dir. (1) denklemleri ur ve uu’yı i ve j cinsinden ifade eder. y v . ruuu . rur P(r, u) r x O fiEK‹L 13.33 Kutupsal koordinatlarda, hız vektörü şöyledir: # # v = r ur + ru uu z 0 ise |r| r olduğuna dikkat edin. z dur = -ssin udi + scos udj = uu du (2) duu = -scos udi - ssin udj = -ur . du ur ve uu’nın zamana göre nasıl değiştiklerini görmek için, t’ye göre türevlerini alırsak, Zincir Kuralı # # du u # dur # # # (3) ur = u = u uu, uu = u = -u ur . du du verir. Buradan # d # # # # (4) v = r = ar ur b = r ur + rur = r ur + ru uu . dt elde edilir. Şekil 13.33’e bakın. Önceki bölümdeki gibi, formülleri olabildiğince basit tut# mak üzere zamana # göre türevler için Newton’un nokta notasyonunu kullanıyoruz: ur ’nin anlamı dur>dt, u’nın anlamı du@dt vs. dir. İvme $ # # # $ # # ## a = v = sr ur + r ur d + sr u uu + ru uu + ru uu d. (5) # # olarak bulunur. ur ve uu’yı hesaplamak için (3) denklemleri kullanılır ve bileşenler ayrılırsa, ivme denklemi şu hali alır: # $ $ ## a = sr - ru2 dur + sru + 2r u duu . (6) Bu hareket denklemlerini uzaya genişletmek için, r = rur denkleminin sağ tarafına zk ekleriz. Bu durumda, silindirik koordinatlarda, r = rur + zk # # # v = r ur + ru uu + z k # $ $ ## $ a = sr - ru2 dur + sru + 2r u duu + z k. (7) elde edilir. ur, uu ve k vektörleri, k uu r rur zk zk u rur ur * uu = k, uu * k = ur , k * ur = uu . (8) olmak üzere, sağ el kuralına uyan bir çerçeve oluştururlar. ur Gezegenler Düzlem Üzerinde Hareket Ederler y x fiEK‹L 13.34 Silindirik koordinatlarda konum vektörü ve temel birim vektörler. Newton’un Yerçekimi Yasası, r, M kütleli bir güneşin merkezinden m kütleli bir gezegenin merkezine giden yarıçap vektörü ise, gezegen ile güneş arasındaki çekim kuvveti F’nin F = - GmM r ƒ r ƒ2 ƒ r ƒ (9) 952 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket olduğunu söyler (Şekil 13.35). G sayısı evrensel çekim sabitidir. Kütleyi kilogram, kuvveti newton ve uzaklığı metre olarak ölçersek, G yaklaşık olarak 6.6726 10–11 Nm2 kg–2 civarında bulunur. Gezegene etkiyen kuvveti bulmak için (9) denklemlerini Newtonun ikinci yasası, F = mr̈ ile birleştirmek M r r r m r F – GmM r2 r GmM r $ mr = , ƒ r ƒ2 ƒ r ƒ fiEK‹L 13.35 Yerçekimi kuvveti kütle merkezlerini birleştiren doğru boyunca etki eder. GM r $ r = . ƒ r ƒ2 ƒ r ƒ verir. Gezegen sürekli olarak güneşin merkezine doğru çekilmektedir. $ (10) denklemi r ’nın r’nin skaler bir katı olduğunu söyler, dolayısıyla $ rr=0 $ $ olur. Kolay bir işlem r r ’nın r r ’nın türevi olduğunu gösterir: d # # # $ $ sr * r d = (')'* r * r + r * r = r * r. dt (10) (11) (12) 0 Yani (11) denklemi . Cr×r d # sr * r d = 0, dt Güneş r Gezegen . r denklemine eşdeğerdir ve denklem integre edilirse, C bir sabit vektör olmak üzere, # r * r = C fiEK‹L 13.36 Newton’un çekim ve hareket yasalarına uyan bir gezegen güneşin merkezinden geçen ve C = r r’ya dik olan düzlemde dolaşır. (13) (14) bulunur. (14) denklemi, r ve ṙ’nın C’ye dik bir düzlemde bulunduğunu söyler. Dolayısıyla, gezegen güneşinin merkezinden geçen sabit bir düzlemde hareket eder (Şekil 13.36). Koordinatlar ve Bafllang›ç Koflullar› z Perihelyon konumu (güneşe en yakın) u Gezegen r Güneş u0 P(r, u) fiEK‹L 13.37 Gezegen hareketinin koordinat sistemi. Burada görüldüğü gibi, üstten bakılırsa ve u 0 ise, hareket saat yönünün tersindedir. Şimdi silindirik koordinatları, orijini güneşin kütle merkezine yerleştiren ve gezegenin hareket düzlemini kutupsal koordinat düzlemi yapan bir şekilde tanımlayacağız. Bu r’yi gezegenin kutupsal koordinatlardaki konum vektörü yapar ve ƒ r ƒ’yi r’ye, r> ƒ r ƒ’yi de ur’ye eşitler. Ayrıca, z-eksenini, k vektörü C yönünde olacak şekilde yerleştiririz. Böylece, k ile # # r * r arasındaki ilişki, r * r ile C arasında var olan aynı sağ el kuralına uyar ve pozitif z-ekseninden bakıldığında# hareket saat yönünün tersinedir. Bu u’nın t ile artmasına neden olur, böylece her t için u 7 0’dır. Son olarak, kutupsal koordinat düzlemini, gerekirse, z-ekseni etrafında döndürerek, başlangıç ışınının, gezegenin güneşe en yakın konumundaki r yönüyle çakışmasını sağlarız. Bu, ışını gezegenin perihelyon konumundan geçirir (Şekil 13.37). Zamanı, perihelyonda t = 0 olacak şekilde ölçersek, gezegenin hareketi için aşağıdaki başlangıç koşullarını buluruz. 1. 2. 3. 4. t = 0 iken, r = r0, yani minimum yarıçap olur, # t = 0 iken r = 0’dır (çünkü o anda r’nin bir minimum değeri vardır), t = 0 iken u = 0’dır. t = 0 iken ƒ v ƒ = y0 olur. 13.6 y0 = ƒ v ƒ t = 0 # # = ƒ r ur + ru u u ƒ t = 0 # = ƒ ru u u ƒ t = 0 # = s ƒ ru ƒ ƒ uu ƒ dt = 0 # = ƒ ru ƒ t = 0 # = sru dt = 0, Gezegen Hareketi ve Uydular 953 (4) Denklemi # t = 0 iken r = 0 ƒ uu ƒ = 1 # Hem r hem u pozitiftir. olduğundan, ayrıca # 5. t = 0 iken ru = y0 olur. Kepler’in Birinci Kanunu ( Konik Kesit Yasas›) TARİHSEL BİYOGRAFİ Kepler’in birinci yasası, bir gezegenin izlediği yol, bir odağında güneş bulunan bir konik kesittir der. Koniğin dışmerkezliği Johannes Kepler (1571–1630) r0y02 - 1 GM (15) s1 + edr0 . 1 + e cos u (16) e = ve kutupsal denklemi r = Formülün türetilmesi Kepler’in ikinci kanunun kullanılmasını gerektirir, o nedenle birinci kanunu ispatlamadan önce ikinci kanunun ifadesini verecek ve onu ispatlayacağız. Kepler’in ‹kinci Kanunu (Eflit Alanlar Yasas›) Gezegen r Güneş fiEK‹L 13.38 Bir gezegeni güneşine bağlayan doğru eşit zamanlarda eşit alanlar tarar. Kepler’in ikinci kanunu bir güneşten bir gezegene giden yarıçap vektörünün (bizim modelimizdeki r vektörü) eşit zamanlarda eşit alanlar taradığını söyler (Şekil 13.38). Yasayı # türetmek için, (14) denklemindeki C = r * r vektörel çarpımını hesaplamak üzere (4) denklemini kullanırız: # C = r * r = r * v # # (4) Denklemi = rur * sr u r + ru u u d # # (17) = rrsur * ur d + rsru dsur * uu d ('')''* ('')''* 0 k # = rsru dk. t’yi sıfıra eşitlemek # C = [rsru d]t = 0 k = r0 y0 k. olduğunu gösterir. (17) denklemine bu C değerini yerleştirmek, # # r0 y0 k = r 2u k, veya or r 2u = r0 y0 . (18) (19) verir. İşte alan burada işin içine girmektedir. Kutupsal koordinatlardaki alan diferansiyeli dA = 1 2 r du 2 954 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket ile verilir (Bölüm 10.7). Buna göre, dA@dt’nin değeri Kepler’in ikinci yasası olan dA 1 # 1 = r 2u = r0 y0. 2 2 dt (20) sabitidir. Dünya için, r0 150.000.000.000 km civarında, y0 30 km@s civarında ve dA@dt de 2.250.000.000 km2@s civarındadır. Kalbiniz her çarptığında, Dünya yörüngesi boyunca 30 km kadar kat eder ve Dünya’yı güneşe bağlayan yarıçap 2.250.000.000 km2’lik bir alan tarar. Kepler’in Birinci Yasas›n›n ‹spat› Bir gezegenin, odaklarından birinde güneşin bulunduğu bir konik kesit üzerinde hareket ettiğini ispatlamak için, gezegenin yarıçapı r’yi u’nın bir fonksiyonu olarak ifade etmemiz gerekir. Bu uzun bir işlem dizisi ve bazıları açık olmayan değişken dönüşümleri gerektirir. (6) ve (10) denklemlerindeki ur = r> ƒ r ƒ ’nin katsayılarını eşitlemekle işe başlarız: # GM $ r - ru2 = - 2 . r (21) # u’yı geçici olarak, yerine (19) denklemindeki r0y0 @r2 değerini yazarak ortadan kaldırırız ve ortaya çıkan denklemi düzenleyerek 2 2 r0 y0 GM $ r = - 2 . 3 r r (22) elde ederiz. Bunu bir değişken dönüşümüyle birinci derece bir diferansiyel denkleme dönüştürürüz. p = dr , dt dp dp dr dp d 2r = = = p , 2 dt dr dt dr dt Zincir Kuralı ile, (22) denklemi dp r0 2y02 GM = - 2 . 3 dr r r halini alır. 2 ile çarpıp, r’ye göre integre etmek p 2 (23) 2 r0 y0 2GM # p 2 = sr d2 = + r + C1 . 2 r # verir. t = 0 iken, r = r0 ve r = 0 başlangıç koşulları C1’in değerini (24) 2GM r0 . olarak belirlerler. Buna göre, (24) denklemi, uygun bir düzenlemeden sonra, C1 = y02 - 2 r0 # 1 1 r 2 = y02 a1 - 2 b + 2GM a r - r0 b . r (25) halini alır. (21) denkleminden (25) denklemine geçişin etkisi, r’nin ikinci derece bir diferansiyel denkleminin yerine birinci derece bir diferansiyel denkleminin gelmesi olmuştur. Amacımız hala r’yi u cinsinden yazmaktır, o nedenle u’yı yeniden işin #içine sokmamız gerekir. Bunu gerçekleştirmek için, (25) denkleminin iki tarafını da r 2u = r0 y0 (19 denklemi) 13.6 Gezegen Hareketi ve Uydular denkleminin bunlara karşılık gelen taraflarının # # r>u = sdr>dtd>sdu>dtd = dr>du olduğunu kullanarak karesiyle böler 955 ve 2 2GM 1 1 1 dr 1 1 a b = 2 - 2 + 2 2 a r - r0 b r 4 du r0 r r0 y0 (26) 1 1 1 1 = 2 - 2 + 2h a r - r0 b . r0 r GM h = 2 2 r0 y0 elde ederiz. Sonucu daha da basitleştirmek için, denklemde 1 u = r, 1 u0 = r0 , du 1 dr = - 2 , du r du a 2 2 du 1 dr b = 4 a b , du r du yazarak, a 2 du b = u 02 - u 2 + 2hu - 2hu0 = su0 - hd2 - su - hd2 , du du = ; 2su0 - hd2 - su - hd2 . du (27) (28) elde ederiz. # Hangi işareti almamız gerekir? u = r0y0>r 2’nin pozitif olduğunu biliyoruz. Ayrıca, r de t = 0’da bir minimum değerden başlamaktadır, o nedenle hemen azalamaz ve en azından t’nin küçük pozitif değerleri için ṙ 0’dır. Dolayısıyla, # dr r = # Ú 0 du u ve and du 1 dr = - 2 … 0. du r du bulunur. (28) denklemi için doğru işaret negatif işarettir. Bunu belirledikten sonra, (28) denklemini düzenler ve iki tarafı da u’ya göre integre ederiz: du -1 = 1 2 2 du 2su0 - hd - su - hd cos -1 u - h b = u + C2 . a u0 - h (29) C2 sabiti sıfırdır, çünkü u = 0 iken u = u0 ve cos–1(1) = 0’dir. Dolayısıyla, u - h = cos u u0 - h ve 1 r = u = h + su0 - hd cos u. elde edilir. Birkaç cebirsel manevra denklemin son halini verir: s1 + edr0 r = , 1 + e cos u Burada e = olarak verilir. r0y02 1 - 1 = - 1. GM r0 h (30) (31) (32) 956 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket (31) ve (32) denklemleri birlikte, bir gezegenin yörüngesinin bir odağında güneş bulunan ve dışmerkezliği (r0y20@GM) – 1) olan bir konik kesit olduğunu söyler. Bu Kepler’in ilk yasasının modern formülasyonudur. Kepler’in Üçüncü Kanunu (Zaman-Uzakl›k Kanunu) Bir gezegenin, güneşi etrafında bir kere dönmesi için gereken T zamanı gezegenin yörüngesel periyodudur. Kepler’in üçüncü kanunu T’nin ve yörüngenin yarı büyük ekseni a’nın 4p2 T2 = . 3 GM a (33) denklemiyle birbirine bağlı olduğunu söyler. Belirlenen bir güneş sisteminde bu denklemin sağ tarafı sabit olduğu için, T2’nin a3’e oranı sistemdeki her gezegen için aynıdır. Kepler’in üçüncü kanunu, güneş sistemimizin büyüklüğünü hesaplamanın çıkış noktasıdır. Her gezegenin yörüngesinin yarı büyük ekseninin, astronomik birimlerle ifade edilmesini sağlar. Dünyanın yarı büyük ekseni bir birimdir. Herhangi bir anda iki gezegen arasındaki mesafe astronomik birimlerle tahmin edilebilir ve geriye kalan bu mesafeleri kilometreye çevirmektir. Bu, örneğin, Venüs’ten radar dalgaları yansıtarak yapılabilir. Astronomik birimin, böyle bir seri ölçümden sonra, 149.597.870 km olduğu bilinmektedir. Kepler’im üçüncü yasasını gezegenin eliptik yörüngesinin kapladığı alanın iki formülünü birleştirerek türetiriz: Formül 1: Alan = pab Formül 2:2: Formula Alan Area = a’nın yarı büyük eksen, b’nin de yarı küçük eksen olduğu geometrik formül T dA L0 T = 1 r0 y0 dt L0 2 = 1 Tr y . 2 0 0 (20) Denklemi Bunları eşitlemek 2pab 2pa 2 T = r0 y0 = r0 y0 21 - e 2 . Herhangi bir elips için, b = a21 - e 2 (34) verir. Artık geriye sadece a ve e’yi r0, y0, G ve M cinsinden ifade etmek kalır. (32) denklemi e’yi bu şekilde verir. a için, (31) denkleminde u’yı p’ye eşitlemenin rmax = r0 1 + e . 1 - e verdiğini gözleriz. Dolayısıyla, 2a = r0 + rmax = 2r0 2r0GM = . 1 - e 2GM - r0y02 (35) bulunur. (34) denkleminin iki tarafının da karesini alıp, (32) ve (35) denklemlerinin sonuçlarını koymak Kepler’in üçüncü kanununu verir (Alıştırma 15). 13.6 Gezegen Hareketi ve Uydular 957 Yörünge Verileri Perije yüksekliği Apoje yüksekliği Dünya fiEK‹L 13.39 Dünya çevresindeki bir uydunun hareketi: 2a = dünyanın çapı + perije yüksekliği + apoje yüksekliği. Kepler, yasalarını gözlemsel olarak bulmasına ve onları sadece o zaman bilinen altı gezegen için söylemesine rağmen, Kepler’in yasalarının modern türetilişi, bunların, (9) denklemi gibi bir ters kare yasasına uyan bir kuvvetin etkisindeki her cisim için geçerli olduğunu göstermiştir. Halley kuyruklu yıldızı ve Icarus asteroidi için de geçerlidirler. Ayın dünya çevresindeki yörüngesine uygulanabilirler ve Apollo 8 uzay aracının ay çevresindeki yörüngesine uygulanmışlardır. 13.1-13.3 Tabloları, gezegen yörüngeleri ve Dünya’nın yedi tane yapay uydusunun yörüngeleri (Şekil 13.39) hakkında ek bilgi verir. Vanguard I Dünya’daki okyanusların seviyelerindeki farkları ortaya koyan veriler göndermiş ve ıssız Pasifik adalarının bazılarının kesin yerlerinin ilk defa belirlenmesini sağlamıştır. Veriler ayrıca güneşin ve ayın çekimlerinin Dünya’nın uydularının yörüngelerini etkileyebileceğini ve güneş radyasyonunun bir yörüngeyi bozabilecek kadar basınç uygulayabileceğini doğrulamıştır. TABLO 13.1 Büyük gezegenler için a, e ve T de¤erleri Gezegen Yarı büyük eksen a* Dışmerkezlik e Periyod T Merkür Venüs Dünya Mars Jupiter Satürn Uranüs Neptün Plüto 57.95 108.11 149.57 227.84 778.14 1427.0 2870.3 4499.9 5909 0.2056 0.0068 0.0167 0.0934 0.0484 0.0543 0.0460 0.0082 0.2481 87.967 gün 224.701 gün 365.256 gün 1.8808 yıl 11.8613 yıl 29.4568 yıl 84.0081 yıl 164.784 yıl 248.35 yıl * Milyon kilometre TABLO 13.2 Dünya uydular› hakk›nda bilgi İsim Atılış tarihi Kaldığı veya Atılıştaki beklenen kütle kalış süresi (kg) Sputnik 1 Vanguard 1 Syncom 3 Skylab 4 Tiros II GOES 4 Intelsat 5 Ekim 1957 Mart 1958 Ağus. 1964 Kasım 1973 Ekim 1978 Eylül 1980 Aralık 1980 57.6 gün 300 yıl 106 yıl 84.06 gün 500 yıl 106 yıl 106 yıl 83.6 1.47 39 13,980 734 627 1928 Periyod (min) Perije Apoje Yarı büyük yüksekliği yüksekliği eksen a (km) (km) (km) Dışmerkezlik 96.2 138.5 1436.2 93.11 102.12 1436.2 1417.67 215 649 35,718 422 850 35,776 35,143 0.052 0.208 0.002 0.001 0.001 0.0003 0.007 939 4340 35,903 437 866 35,800 35,707 6955 8872 42,189 6808 7236 42,166 41,803 958 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket TABLO 13.3 Say›sal veriler Evrensel Çekim sabiti: Güneşin kütlesi: Dünyanın kütlesi: Dünyanın ekvatordaki yarıçapı: Dünyanın kutupsal yarıçapı: Dünyanın dönme periyodu: Dünyanın yörüngesel periyodu: G = 6.6726 * 10 -11 Nm2 kg-2 1.99 * 10 30 kg 5.975 * 10 24 kg 6378.533 km 6356.912 km 1436.1 min 1 yıl = 365.256 gün Syncom 3 Amerikan Savunma Bakanlığı’nın haberleşme uydularından biridir. Tiros 11 ( ‘‘Televizyon kızılötesi gözlem uydusu’’nun kısaltılması) bir hava tahmin uyduları serisinden biridir. GOES 4 ( “geostationary operational environmental satellite”- “jeostasyoner operasyonel çevresel uydu” kısaltması) dünyanın atmosferi hakkında bilgi toplamak için tasarlanmış bir uydular serisinden bir uydu. Yörünge periyodu, 1436.2 dak, neredeyse dünyanın dönme periyoduyla (1436.1 dak) aynıdır ve yörüngesi neredeyse daireseldir (e = 0.0003). İntelsat 5 yüksek kapasiyeli bir ticari telekomünikasyon uydusudur. ALIfiTIRMALAR 13.6 Hatırlatma: Bir hesaplama çekim sabiti G’yi içeriyorsa, kuvveti newton, uzaklığı metre, kütleyi kilogram, zamanı da saniye olarak ifade edin. 1. Skylab 4’ün periyodu Skylab 4’ün yörüngesinin yarı büyük ekseni a = 6808 km olduğundan, M dünyanın kütlesine eşit olmak üzere Kepler’in üçüncü yasasının periyodu vermesi gerekir. Bunu hesaplayın. Sonucunuzu Tablo 13.2’deki değerle karşılaştırın. 2. Dünyanın perihelyondaki hızı Dünyanın perihelyonda güneşten uzaklığı yaklaşık olarak 149.577.000 km ve dünyanın güneş çevresindeki yörüngesinin dışmerkezliği 0.0167’dir. Dünya perihelyondayken, hızı y0’ı bulun (15 denklemini kullanın). 3. Proton I’in yarı büyük ekseni Temmuz 1965’te, SSCB ağırlığı 12.200 kg (kalkışta), perije yüksekliği 183 km, apoje yüksekliği 589 km ve periyodu 92.25 dakika olan Proton 1’i fırlattı. Dünyanın kütlesinin ve çekim sabiti G’nin verilen değerlerini kullanarak, (3) denkleminden yörüngenin yarı büyük ekseni a’ yı bulun. Yanıtınızı perije ile apoje yüksekliklerini dünyanın çapına ekleyerek bulduğunuz sayıyla karşılaştırın. 4. Viking I’in yarı büyük ekseni Ağustos 1975’ten Haziran 1976’ya kadar Mars’ı araştıran Viking 1 uydusunun periyodu 1639 dakikaydı. Bunu ve Mars’ın kütlesinin 6.418 1023 kg olduğunu kullanarak, Viking 1’in yörüngesinin yarı büyük eksenini bulun. 5. Mars’ın ortalama çapı (Alıştırma 4’ün devamı) Viking I uydusu Mars’tan en yakın noktada 1499 km, en uzak noktada ise 35.800 km uzaktaydı. Bu bilgileri ve (a) şıkkında bulduğunuz değeri kullanarak, Mars’ın ortalama çapını hesaplayın. 6. Viking 2’nin periyodu Eylül 1975’ten Ağustos 1976’ya kadar Mars’ı inceleyen Viking 2 uydusu, yarı büyük ekseni 22.030 km olan bir elips üzerinde ilerliyordu. Yörüngesel periyodu neydi? (Yanıtınızı dakika olarak verin.) 7. Jeosenkronize yörüngeler Dünyanın ekvator düzlemindeki birkaç uydunun, periyotları dünyanın dönme periyoduyla aynı olan, dairesele yakın yörüngeleri vardır. Böyle yörüngelere jeosenkronize veya jeostasyoner denir, çünkü uyduyu Dünya yüzeyi üzerinde aynı noktada tutarlar. a. Bir jeosenkronize yörüngenin yarı büyük ekseni yaklaşık olarak nedir? Yanıtınızı açıklayın. b. Bir jeosenkronize yörünge dünyadan yaklaşık ne kadar yüksektedir? c. Tablo 13.2’deki uyduların hangilerinin (neredeyse) jeosenkronize yörüngeleri vardır? 8. Mars’ın kütlesi 6.418 1023 kg’dır. Mars çevresinde dönen bir uydu stasyoner (1477.4 dak olan Mars’ın dönme periyoduyla aynı Bölüm 13 Bölüm Tekrar Sorular› periyotlu ) bir yörünge izleyecekse, yörüngesinin yarı büyük ekseni ne olmalıdır? Yanıtınızı açıklayın. 9. Dünya’dan Ay’a uzaklık Ayın dünya çevresindeki dönüşünün periyodu 2.36055 106 saniyedir. Ay ne kadar uzaktadır? 959 16 ve 17 alıştırmalarında iki gezegen, gezegen A ve gezegen B, güneş çevresinde, A içteki ve B de dıştaki gezegen olmak üzere, dairesel yörüngelerde dönüyorlar. A ve B’nin t anındaki konumlarının sırasıyla rAstd = 2 cos s2ptdi + 2 sin s2ptdj 10. Uydu hızı bulmak Bir uydu Dünya çevresinde dairesel bir yörünge üzerinde ilerler. Uydunun süratini yörünge yarıçapının fonksiyonu olarak ifade edin. ve 11. Yörünge peryotları T saniye ve a metre olarak ölçülürse, güneş sistemimizdeki gezegenler, dünya çevresindeki uydular ve ay çevresindeki uydular için T2@a3’ün değeri nedir? (Ayın kütlesi 7.354 1022 kg’dır.) olduğunu varsayın. Burada güneşin merkezde bulunduğu varsayılmakta ve uzaklık astronomik birimlerle ölçülmektedir (Gezegen A’nın gezegen B’den hızlı hareket ettiğine dikkat edin). Gezegen A’daki insanlar güneşe değil, gezegenlerine güneş sistemlerinin merkezi olarak bakmaktadırlar. 12. Yörünge tipi (15) denklemindeki hangi y0 değerleri için (16) denklemindeki yörünge bir çember, bir elips, bir parabol veya bir hiperboldür? 13. Dairesel yörüngeler Yörüngesi dairesel olan bir gezegenin sabit süratle ilerlediğini gösterin (İpucu: Kepler’in yasalarından birinin sonucudur). 14. r’nin düzlemdeki bir eğri üzerinde ilerleyen bir parçacığın konum vektörü, dA@dt’nin de vektörün alan tarama oranı olduğunu varsayın. Koordinatları tanımlamadan ve gerekli türevlerin var olduğunu varsayarak, dA 1 # = ƒr * rƒ . 2 dt denkleminin geçerliğini artım ve limitlerle veren geometrik bir yorum yapın. 15. Keplerin üçüncü kanunu Kepler’in üçüncü kanununun türetilişini tamamlayın (34 denklemini izleyen kısım). Bölüm 13 rBstd = 3 cos sptdi + 3 sin sptdj, 16. Gezegen A’yı yeni koordinat sisteminin merkezi olarak kullanarak, gezegen B’nin t anındaki konumunun parametrik denklemlerini bulun. Yanıtınızı cos (p t) ve sin (p t) cinsinden ifade edin. T 17. Gezegen A’yı merkez olarak kullanarak, gezegen B’nin izlediği yolun bir grafiğini çizin. Bu alıştırma Kepler’in zamanından önceki, akıllarında dünya merkezli (gezegen A) bir güneş sistemi olan, insanların gezegenlerin hareketlerini anlamada çektikleri zorlukları örnekler (mesela, gezegen B = Mars). The American Mathematical Monthly, Vol. 97, Şubat 1990, s. 105-119’daki D.G. Saari’nin makalesine bakın. 18. Kepler, dünyanın güneş etrafındaki yörüngesinin odaklarından biri güneş olan bir elips olduğunu keşfetmiştir. r(t), t anında güneşin merkezinden dünyanın merkezine giden konum vektörü olsun. w da dünyanın Güney Kutbundan Kuzey Kutbuna giden vektör olsun. w’nın sabit olduğu ve elips düzlemine dik olmadığı (dünyanın ekseni eğiktir) bilinmektedir. r(t) ve w cinsinden, (i) perihelyonun, (ii) aphelyonun, (iii) ekinoksun, (iv) yaz gündönümü ve (v) kış gündönümünün matematiksel anlamını açıklayın. Bölüm Tekrar Sorular› 1. Vektör fonksiyonların türevlerini ve integrallerini alma kurallarını ifade edin. Örnekler verin. 6. Uzaydaki düzgün bir eğri üzerinde önceden seçilmiş bir baz noktasından itibaren uzaklığı nasıl ölçersiniz? Örnek verin. 2. Uzayda, yeterince türetilebilen bir eğri üzerinde hareket eden bir cismin hızını, süratini, hareket yönünü ve ivmesini nasıl tanımlar ve hesaplarsınız? Örnek verin. 7. Türetilebilir bir eğrinin birim teğet vektörü nedir? Bir örnek verin. 3. Sabit uzunluklu vektör fonksiyonların türevlerinin ne gibi bir özelliği vardır? Bir örnek verin. 4. İdeal mermi hareketinin vektörel ve parametrik denklemleri nedir? Bir merminin maksimum yüksekliğini, uçuş zamanını ve menzilini nasıl bulursunuz? Örnekler verin. 5. Uzaydaki düzgün bir eğrinin bir parçasının uzunluğunu nasıl tanımlar ve hesaplarsınız? Bir örnek verin. Tanımda hangi matematiksel varsayımlar kullanılır? 8. Düzlemdeki iki kere türetilebilen eğrilerin eğrilik, eğrilik çemberi (değen çember), eğrilik merkezi ve eğrilik yarıçaplarını tanımlayın. Örnekler verin. Hangi eğrilerin eğrilikleri sıfır veya sabittir? 9. Düzlemdeki bir eğrinin asal normal vektörü nedir? Ne zaman tanımlıdır? Nereye işaret eder? Örnek verin. 10. Uzaydaki eğriler için N ve k’yı nasıl tanımlarsınız? Bu büyüklükler arasındaki ilişki nedir? Örnekler verin. 960 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket 11. Bir eğrinin binormal vektörü nedir? Bir örnek verin. Bu vektörle eğrinin burulması arasındaki ilişki nedir? Örnek verin. 12. Hareket eden bir cismin ivmesini, teğet ve normal bileşenlerinin toplamı olarak yazabilmek için hangi formüller vardır? Örnek ve- Bölüm 13 rin. Neden ivmeyi bu şekilde yazmak isteyelim? Ya cisim sabit süratle hareket ediyorsa? Ya sabit bir süratle bir çember üzerinde hareket ediyorsa? 13. Kepler’in yasalarını söyleyin. Neye uygulanırlar? Problemler Kartezyen Düzlemde Hareket a. 0 t 3 aralığında P’nin izlediği eğriyi çizin. 1 ve 2 problemlerinde, verilen t değerlerinde eğrilerin grafiklerini, hız ve ivme vektörlerini çizin. Sonra, T ve N’yi bulmadan, a’yı a = aTT + aNN şeklinde yazın ve verilen t değerlerinde k’nın değerini bulun. b. t = 0, 1, 2 ve 3’te v ve a’yı bulun ve bu vektörleri çiziminize ekleyin. 1. rstd = s4 cos tdi + A 22 sin t B j, t = 0 ve p>4 2. rstd = A 23 sec t B i + A 23 tan t B j, c. Herhangi bir zamanda, tekerleğin en tepedeki noktasının ve C’nin ileri doğru sürati nedir? y t = 0 3. Düzlemdeki bir parçacığın t anındaki konumu t 1 i + j. 21 + t 2 21 + t 2 dir. Parçacığın en yüksek süratini bulun. r = t 4. r(t) = (e cos t)i + (e sin t)j olsun. r ile a arasındaki açının hiç değişmediğini gösterin. Açı nedir? 5. Eğrilik bulmak P noktasında, düzlemde ilerleyen bir parçacığın hız ve ivmesi v = 3i + 4j ve a = 5i + 15j’dir. Parçacığın izlediği yolun P’deki eğriliğini bulun. 6. y = ex eğrisi üzerinde, eğriliğin en büyük olduğu noktayı bulun. 7. Bir parçacık xy-düzlemindeki bir birim çemberin üzerinde ilerlemektedir. t anındaki konumu, x ve y t’nin türetilebilir fonksiyonları olmak üzere, r = xi + yj ile verilmektedir. v i = y ise, dy@dt’yi bulun. Hareket saat yönüne mi, yoksa saat yönünün tersine midir? 8. 9y = x3 eğrisini izleyen pnömatik bir tüp içinde bir mesaj yolluyorsunuz (uzaklıklar metredir). (3, 3) noktasında v i = 4 ve a i = –2’dir. v j ve a j’nin (3, 3)’teki değerlerini bulun. 9. Dairesel hareketi tanımlamak Bir parçacık bir düzlemde hız ve konum vektörleri hep dik olacak şekilde ilerlemektedir. Parçacığın merkezi orijinde olan bir çember üzerinde ilerlediğini gösterin. 10. Bir sikloid boyunca sürat Yarıçapı 1 ft ve merkezi C olan bir tekerlek x-ekseni boyunca saniyede yarım tur atarak sağa doğru yuvarlanmaktadır (Aşağıdaki şekle bakın). t. saniyede, tekerleğin çevresi üzerindeki P noktasının konum vektörü r = (pt – sin pt)i + (1 – cos pt)j ile verilir. C t pt r 1 P x 0 Mermi Hareketi ve Bir Düzlemde Hareket 11. Gülle atışı Bir gülle atıcının, yerden 6.5 ft yüksekteki elinden 45°’lik açıyla 44 ft@s süratle çıkıyor. 3 saniye sonra nerededir? 12. Cirit Bir cirit atıcının, yerden 7 ft yüksekteki elinden 45°’lik açıyla 80 ft@s süartle çıkıyor. Ne kadar yükselir? 13. Bir golf topuna, yatayla f açısı yapan düzgün yüzeyli bir tepenin yamacından yatayla a açısı yapacak şekilde y0 başlangıç süratiyle vurulmaktadır. Burada 0 6 f 6 a 6 p . 2 olarak verilmektedir. Topun tepenin üzerinden ölçülen 2y02 cos a g cos2 f sin sa - fd , uzaklığında yere düşeceğini gösterin. Buradan, verilen bir y0 için en büyük menzilin a = (f@2) + (p@4) iken, yani başlangıç hızı vektörünün dikey ile tepe arasındaki açının açıortayı olduğu zaman, ortaya çıkacağını gösterin. Bölüm 13 Problemler y T 14. Diktatör Sivil Savaş havan topu Diktatör o kadar ağırdı (17.120 lb) ki, bir trene yüklenmesi gerekiyordu. Ağzı 13 inçti ve 200 lb’lik bir top fırlatmak için 20 lb barut harcıyordu. Havan, Pittsburg, Pensilvanya’daki işliğinde Bay Charles Knapp tarafından yapılmış ve 1864’te Petersburg, Virginia, kuşatmasında Kuzey ordusu tarafından kullanılmıştı. Ne kadar uzağa ateş edebiliyordu? Burada bir görüş ayrılığı vardır. Kullanım kitabı 4325 yd olduğunu iddia ederken, saha subayları 4752 yd olduğunu iddia ediyorlardı. 45°’lik bir ateşleme açısı varsayarak, burada hangi hızlar söz konusudur? T 15. Bir şampanya mantarı patlama dünya rekoru a. 1988’e kadar, bir şampanya mantarı patlatma rekoru İngiliz Kraliyet Ordusu Topçu Yüzbaşısı (elbette ki) Michael Hill tarafından kırılan 109 ft 6 inçti. Yüzbaşı Hill’in şişeyi yerle 45∞ yapacak şekilde tuttuğunu ve mantarın ideal bir mermi gibi davrandığını varsayarak, mantarın şişeden ayrılma hızını bulun. 0.6 0.4 0.2 –0.75 –0.5 –0.25 –0.2 –0.4 –0.6 0.25 y x f i a. Felke’nin ciriti yatayla 40°’lik bir açı yapacak şekilde yerden 6.5 ft yukarıdan attığını varsayarsak, ciritin ilk hızı neydi? x 0 (a) b. Cirit ne kadar yükseğe çıktı? y 17. Senkronize eğriler İdeal mermi denklemleri olan T x2 y2 a2 1 y = sy0 sin adt - gt 2 , 2 P a u s O denklemlerinden a’yı yok ederek, x2 + (y + gt2@2) = y02 t2 olduğunu gösterin. Bu orijinden aynı başlangıç süratiyle aynı anda fırlatılan mermilerin, herhangi bir anda, atış açılarına bakılmaksızın, merkezi (0, –gt2@2)’ de olan y0t yarıçaplı çember üzerinde bulunduklarını gösterir. Bu çemberler atışın senkronize eğrileridir. f x (a, 0)’da s 0 (b) 18. Eğrilik yarıçapı İki kere türetilebilir bir r(t) = ƒ(t)i + g(t)j düzlem eğrisinin eğrilik yarıçapının d x 2 + y 2 olmak üzere ρ = dt 0.75 T T 16. Cirit 1988’de Potsdam’da, (o zamanki) Doğu Alman Petra Felke bir ciriti 262 ft 5 inç fırlatarak kadınlar dünya rekorunu kırdı. s= 0.5 20. Düzlemde eğriliğin alternatif bir tanımı Alternatif bir tanım düzlemde yeterince türetilebilen bir eğrinin eğriliğini, T ile i arasındaki açı f olmak üzere, u df@ds u olarak verir (Şekil 13.40a). Şekil 13.40b, x2 + y2 = a2 çemberi üzerinde (a, 0) noktasından bir P noktasına kadar saat yönünün tersine ölçülen s mesafesini, P’deki açısıyla birlikte göstermektedir. Alternatif tanımı kullanarak çemberin eğriliğini hesaplayın (İpucu: f = u + p@2). b. 117 ft 9 inçlik yeni rekor 5 Haziran 1988’de Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nden Prof. Emeritus Heinrich tarafından Woodburry Bağları Şaraphanesi, New York’ta yerden 4 ft yüksekten atılarak kırılmıştır. İdeal bir yörünge varsayarsanız, mantarın ilk hızı nedir? x = sy0 cos adt, 961 fiEK‹L 13.40 şekilleri Alıştırma 20’nin x 2 + y 2 x2 + y 2 – s2 Uzayda Hareket 21 ve 22 problemlerindeki eğrilerin uzunluklarını bulun. olduğunu gösterin. 19. Eğrilik rstd = a 22. rstd = s3 cos tdi + s3 sin tdj + 2t t L0 0 … t … p>4 21. rstd = s2 cos tdi + s2 sin tdj + t 2k, t 1 1 cos a pu2 b du b i + a sin a pu2 b du bj 2 2 L0 k, 0 … t … 3 23–26 problemlerinde verilen t değerinde T, N, B, k ve t’yu bulun. 23. rstd = eğrisinin eğriliğini eğri boyunca orijinden ölçülen yönlü s mesafesinin fonksiyonu olarak ifade edin. ( Şekle bakın. ) 3>2 4 1 4 s1 + td3>2 i + s1 - td3>2j + t k, 9 9 3 t = 0 962 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket 24. rstd = se t sin 2tdi + se t cos 2tdj + 2e t k, 25. rstd = ti + 1 2t e j, 2 t = 0 t = ln 2 26. rstd = s3 cosh 2tdi + s3 sinh 2tdj + 6t k, t = ln 2 35. Skylab 4’ten bir manzara Skylab 4 apoje yüksekliğinde, yani yeryüzünden 437 km yüksekteyse, astronotlar Dünya yüzeyinin yüzde kaçını görebilirler? Bunu bulmak için, görünebilir yüzeyi aşağıda görülen GT yayının y-ekseni etrafında döndürülmesiyle üretilen yüzey olarak modelleyin. Sonra aşağıdaki adımları gerçekleştirin: 27 ve 28 problemlerinde, T ve N’yi bulmadan, t = 0’da a’yı a = aTT + aNN şeklinde yazın. 1. Şekildeki benzer üçgenleri kullanarak, y0@6380 = 6380@(6380 + 437) olduğunu gösterin. y0’ı çözün. 27. rstd = s2 + 3t + 3t 2 di + s4t + 4t 2 dj - s6 cos tdk 2. Dört basamak hassaslıkla, görünebilir yüzeyi 28. rstd = s2 + tdi + st + 2t 2 dj + s1 + t 2 dk 29. rstd = ssin tdi + A 22 cos t B j + ssin tdk. ise, T, N, B, k ve t’ yu t’nin fonksiyonları olarak bulun. 30. 0 t p aralığının hangi zamanlarında r(t) = i + (5 cos t)j + (3 sin t) k hareketinin hız ve ivme vektörleri ortogonaldir? 31. t 0 zamanında uzayda ilerleyen bir parçacığın konumu 6380 VA = 2px Ly0 C 1 + a 2 dx b dy . dy olarak hesaplayın. 3. Sonucu Dünya’nın yüzey alanının bir yüzdesi olarak ifade edin. t t rstd = 2i + a4 sin b j + a3 - p bk. 2 olarak verilmektedir. r’nin i – j vektörüne ilk olarak ne zaman ortogonal olduğunu bulun. y S (Skylab) ⎧ 437 ⎨ G ⎩ x 兹(6380)2 y2 32. r(t) = t i + t2j + t3k eğrisinin değen, normal ve doğrultucu düzlemlerinin denklemlerini bulun. T y0 6380 33. r(t) = eti + (sin t)j + ln (1 – t)k eğrisine t = 0’da teğet olan doğrunun parametrik denklemlerini bulun. x 0 34. r(t) = A 22 cos t B i + A 22 sin t B j + tk helisine t = p@4’te teğet olan doğrunun parametrik denklemlerini bulun. Bölüm 13 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar 2. Düz bir nehir 20 m genişliğindedir. Nehrin (x, y)’deki hızı Uygulamalar 1. Düz bir nehir 100 m genişliğindedir. Bir sandal uzaktaki kıyıdan t = 0 anında ayrılmaktadır. Sandaldaki kişi sürekli yakın kıyıya doğru 20 m@dak süratle kürek çekmektedir. Nehrin (x, y)’deki hızı 1 v = as y - 50d2 + 10 b i m>min, 250 m@dak ile verilmektedir. 0 6 y 6 100 . v = - 3xs20 - xd j m>min, 100 0 … x … 20 . ile verilmektedir. Bir sandal kıyıdaki (0, 0) noktasından ayrılır ve suda sabit bir hızla gider. Karşı kıyıya (20, 0)’da varır. Kayığın sürati hep √2ƒ0 m@dak’dır. y a. r(0) = 0i + 100j ise, t anında kayığın konumu nedir? b. Sandal yakın kıyıya başladığı yerden ne kadar uzakta varacaktır? y 100 Uzak kıyı 0 20 a. Sandalın hızını bulun. 0 x Yakın kıyı b. t anında sandalın konumunu bulun. c. Sandalın izlediği yolu çizin. x Bölüm 13 3. t = 0 anında (a, 0, 0) noktasından durgun durumdan harekete başlayan sürtünmesiz P parçacığı aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi yerçekiminin etkisiyle rsud = sa cos udi + sa sin udj + buk a. u = 2p iken, açısal hız du@dt’yi bulun. b. Parçacığın u- ve z-koordinatlarını t’nin fonksiyonları olarak ifade edin. c. dr@dt hızı ve d2r@dt2 ivmesinin teğet ve normal bileşenlerini t’nin fonksiyonları olarak ifade edin. İvmenin binormal B vektörü yönünde sıfırdan farklı bir bileşeni varmıdır? a r x r a, z bu helisi P y Pozitif z-ekseni aşağı doğrudur z 4. Alıştırma 3’teki eğri yerine, aşağıdaki şekilde görülen r = au, z = bu konik helisinin konulduğunu varsayın. a. Açısal hız du@dt’yi u’nın bir fonksiyonu olarak ifade edin. b. Parçacığın helis üzerinde gittiği yolu u’nın bir fonksiyonu olarak ifade edin 963 Kutupsal Koordinat Sistemi ve Uzayda Hareket 5. r = sa, b 7 0d helisinden aşağı kaymaktadır. Bu denklemdeki u silindirik koordinat u’dır ve helis, silindirik koordinatlarda, r = a, z = bu, u 0 eğrisidir. Hareket boyunca u’nın t’nin türetilebilir bir fonksiyonu olduğunu varsayıyoruz. Enerji korunumu yasası z mesafesi kadar düştükten sonra parçacığın süratinin, g sabit yerçekimi ivmesi olmak üzere, 22gz , olduğunu söyler. Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar s1 + edr0 1 + e cos u yörünge denkleminden bir gezegenin u = 0 iken güneşine en yakın durumda olduğunu çıkarın ve o anda r = r0 olduğunu gösterin. T 6. Bir Kepler denklemi Verilen bir zaman ve tarihte bir gezegenin yörüngesi üzerinde nerede olduğunu belirleme problemi 1 sin x = 0 . 2 şeklinde “Kepler” denklemlerini çözmeyi gerektirir. ƒsxd = x - 1 - a. Bu özel denklemin x = 0 ile x = 2 arasında bir çözümünün olduğunu gösterin. b. Radyan modundaki bilgisayarınız veya hesap makinenizle, Newton yöntemini kullanarak yapabildiğiniz basamağa kadar çözümü bulun. 7. Bölüm 13.6’da, düzlemde ilerleyen bir parçacığın hızını # # # # v = x i + y j = r ur + r u uu . olarak bulduk. # # # a. v # i ve v j skaler çarpımlarını hesaplayarak, x ve y ’yı r ve ru cinsinden ifade edin. # # # b. v ur ve v uu skaler çarpımlarını hesaplayarak, r ve ru’yı x # ve y cinsinden ifade edin. 8. Kutupsal düzlemde iki kere türetilebilir bir r = ƒ(u) eğrisinin eğriliğini ƒ ve türevleri cinsinden ifade edin. 9. Kutupsal koordinat düzleminin orijininden geçen ince bir çubuk orijin etrafında 3 rad@dak hızla dönmektedir (düzlem içinde). (2, 0) noktasından harekete başlayan bir böcek çubuk üzerinde orijine doğru 1 inç@dak hızla ilerler. a. Orijinden yarı yol (1 inç) uzaktayken, böceğin ivmesini hızını kutupsal formda bulun. ve T b. Bir inçin onda biri hassaslıkla, orijine ulaştığında böceğin izlemiş olduğu yolun uzunluğu ne olacaktır? 10. Açısal momentum korunumu r(t) uzayda hareket eden bir cismin t anındaki konumunu göstersin. Cisme t anında etkiyen kuvvetin, c bir sabit olmak üzere, x y Fstd = r au, z bu konik helisi P z ba r konisi Pozitif z-ekseni aşağı doğrudur z c rstd , ƒ rstd ƒ 3 olduğunu varsayın. Fizikte, bir cismin t anındaki açısal momentumu, m cismin kütlesi ve v(t) de hızı olmak üzere, L(t) = r(t) mv(t) şeklinde tanımlanır. Açısal momentumun korunan bir büyüklük olduğunu ispatlayın; yani, L(t)’nin zamandan bağımsız, sabit bir vektör olduğunu ispatlayın. Newton yasası F = ma’yı hatırlayın (Bu bir fizik değil, bir analiz problemidir). 964 Bölüm 13: Vektör-De¤erli Fonksiyonlar ve Uzayda Hareket Silindirik Koordinat Sistemi 11. Silindirik koordinatlarda konum ve hareket için birim vektörler Uzayda hareket eden bir parçacığın konumu silindirik koordinatlarda verildiğinde, konumunu ve hareketini tanımlamada kullandığımız birim vektörler ur = scos udi + ssin udj, uu = -ssin udi + scos udj, ve k’dir (şekle bakın). Bu durumda parçacığın konum vektörü, r parçacığın konumunun pozitif kutupsal uzunluğu olmak üzere, r = r ur + z k olur. z k a. ur, uu ve k’nin, bu sırayla, sağ el kuralına uyan bir çerçeve oluşturduklarını gösterin. b. d ur = uu du olduğunu gösterin. ve and d uu = -ur . du c. t’ye göre gerekli türevlerin var olduğunu varsayarak, v = ṙ # v = r ve a = r̈’yı ur, uu, k, ṙ ve u̇ cinsinden ifade edin (Noktalar t’ye göre türevi belirtirler, ṙ dr@dt, r̈ d2r@dt2 anlamına gelir vs.). Bölüm 13.6 bu formülleri türetir ve burada söz edilen vektörlerin gezegen hareketini tanımlamada nasıl kullanıldıklarını gösterir. 12. Silindirik koordinatlarda yay uzunluğu uu a. ds2 = dx2 + dy2 + dz2’yi silindirik koordinatlarda ifade ettiğinizde, ds2 = dr2 + r2 du2 + dz2 elde edeceğinizi gösterin. ur b. Bu sonucu bir kutunun köşeleri ve bir köşegeni cinsinden geometrik olarak yorumlayın. Kutuyu çizin. r z c. (a) şıkkındaki sonucu kullanarak r = eu, z = eu, 0 u u ln 8, eğrisinin uzunluğunu bulun. 0 u y r x (r, u, 0) Bölüm 13 Teknoloji Uygulama Projeleri Mathematica / Maple Module Hareketli Bir Cismin Radar Takibi Hareketi analiz etmek için konum, hız ve ivme vektörlerini canlandırın. Mathematica / Maple Module Bir Şekil çizici ile Parametrik ve Kutupsal Denklemler Hareketi analiz etmek için konum, hız ve ivme vektörlerini canlandırın. Mathematica / Maple Module Üç Boyutta Hareket Bir uzay eğrisi boyunca hareket için kat edilen mesafe, hız, eğrilik ve burulma hesaplayın. Bir uzay eğrisi boyunca harekete karşı gelen teğet, normal ve binormal vektörleri canlandırın ve hesaplayın. Bölüm 14 KISMİ TÜREVLER G‹R‹fi Bir gerçek-dünya olayının araştırılmasında incelenen çokluk genelde iki veya daha çok bağımsız değişkene bağlıdır. Dolayısıyla, tek değişkenli fonksiyonların analizindeki temel fikirleri çok değişkenli fonksiyonlara genişletmeliyiz. Aslında kurallar aynı kalsa da analizleri daha zengindir. Değişkenlerin etkileşim yollarının farklılığı nedeniyle çok değişkenli fonksiyonların türevleri daha çeşitli ve daha ilginçtir. İntegrallerinin çok daha geniş uygulama alanları vardır. Birkaçından bahsetmek gerekirde, olasılık, istatistik, akışkanlar dinamiği ve elektik araştırmalarının hepsi doğal bir şekilde birden fazla değişkenli fonksiyonlara yol açarlar. 14.1 Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar Çoğu fonksiyon birden fazla bağımsız değişkene bağlıdır. V = pr2h fonksiyonu, yarıçapı ve yüksekliğinden dik bir silindirin hacmini hesaplar. ƒ(x, y) = x2 + y2 fonksiyonu z = x2 + y2 paraboloidinin P(x, y) noktasının üzerindeki yüksekliğini P’nin iki koordinatından hesaplar. Dünya yüzeyindeki bir noktanın sıcaklığı T, enlemi x ve boylamı y’ye bağlıdır ve T(x , y) yazarak ifade edilir. Bu bölümde, birden fazla bağımsız değişkenli fonksiyonları tanımlayacak ve grafiklerinin nasıl çizileceğini tartışacağız. Çok değişkenli reel değerli fonksiyonlar tek değişkenli durumdakine benzer şekilde tanımlanırlar. Tanım kümeleri reel sayı ikililerinden (üçlülerinden, dörtlülerinden, n-lilerinden) oluşan kümeler, değer kümeleri ise şimdiye kadar çalışmış olduğumuz reel sayı kümeleridir. TANIMLAR n Ba¤›ms›z De¤iflkenli Fonksiyonlar D’nin reel sayılardan oluşan (x1, x2, …, xn) n–lilerinin bir kümesi olduğunu varsayın. D üzerinde reel değerli bir ƒ fonksiyonu, D’deki her elemana bir w = (x1, x2, …, xn) reel sayısı atayan bir kuraldır. D kümesi fonksiyonun tanım kümesidir. ƒ’nin aldığı w değerlerinin kümesi fonksiyonun değer kümesidir. w sembolü ƒ’nin bağımlı değişkenidir ve ƒ’ye x1’den xn’e kadar olan n bağımsız değişkenin bir fonksiyonu denir. Ayrıca x’lere fonksiyonun girdi değişkenleri, w’ye de fonksiyonun çıktı değişkeni deriz. 965 966 Bölüm 14: K›smi Türevler ƒ iki bağımsız değişkenli bir fonksiyon ise, genellikle bağımsız değişkenleri x ve y olarak adlandırır ve ƒ’nin tanım kümesini xy-düzleminde bir bölge olarak gözümüzde canlandırırız. Üç bağımsız değişkenli bir fonksiyon için de değişkenlere x, y ve z der ve tanım kümesini uzayda bir bölge olarak düşünürüz. Uygulamalarda, değişkenlerin neyi temsil ettiklerini bize hatırlatan harfler kullanmayı tercih ederiz. Bir dik silindirin hacminin, silindirin yarıçapının ve yüksekliğinin bir fonksiyonu olduğunu söylemek için, V = ƒ(r, h) yazabiliriz. Daha açık olmak gerekirse, ƒ(r, h) gösterimi yerine V’yi r ve h’nin değerlerinden hesaplayan bir formül koyabilir ve V = pr2h yazabiliriz. Her iki durumda da, r ve h fonksiyonun bağımsız değişkenlerini, V de bağımlı değişkeni simgeleyecektir. Her zamanki gibi, formüllerle tanımlanan fonksiyonları, bağımsız değişkenlerin değerlerini formülde yerine yazıp karşı gelen bağlı değişkenin değerini bularak hesaplarız. ÖRNEK 1 Bir Fonksiyonu Hesaplamak ƒsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2’nin (3, 0, 4) noktasındaki değeri ƒs3, 0, 4d = 2s3d2 + s0d2 + s4d2 = 225 = 5. olarak bulunur. Bölüm 12.1’den ƒ’yi Kartezyen uzay koordinatlarında orijinden (x, y, z) noktasına uzaklık fonksiyonu olarak hatırlıyoruz. Tan›m Kümeleri Birden fazla değişkenli fonksiyonları tanımlarken, her zamanki gibi kompleks sayılara veya sıfırla bölmeye yol açan girdiler koymamaya çalışırız. ƒsx, yd = 2y - x 2. ise, y değeri x2’den küçük olamaz. ƒ(x, y) = 1@(xy) ise, xy çarpımı sıfır olamaz. Bunların dışında, fonksiyonların tanım kümeleri tanımlayıcı kuralların reel sayı ürettikleri en büyük kümelerdir. ÖRNEK 2(a) ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar Fonksiyon Tanım kümesi Değer Kümesi w = 2y - x 2 y Ú x2 [0, q d 1 w = xy xy Z 0 s - q , 0d ´ s0, q d w = sin xy Tüm düzlem [-1, 1] (b) Üç De¤iflkenli Fonksiyonlar Fonksiyon Tanım kümesi Değer Kümesi w = 2x 2 + y 2 + z 2 Tüm düzlem [0, q d 1 x + y2 + z2 w = xy ln z sx, y, zd Z s0, 0, 0d s0, q d z 0 yarım uzayı s - q, q d w = 2 14.1 967 Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar Tıpkı reel doğrudaki aralıklarda olduğu gibi düzlemdeki bölgelerin de iç noktaları ve sınır noktaları var olabilir. [a, b] kapalı aralıkları sınır noktalarını içerirler, (a, b) açık aralıkları sınır noktalarını içermezler, [a, b) gibi aralıklar da ne açık ne de kapalıdırlar. (x0, y0) R (a) İç nokta R (x0, y0) TANIMLAR ‹ç ve S›n›r Noktalar, Aç›k, Kapal› xy-düzleminde bir R bölgesindeki (kümesindeki) bir (x0, y0) noktası, bütünüyle R’nin içinde bulunan pozitif yarıçaplı bir dairenin merkezi ise R’nin bir iç noktasıdır (Şekil 14.1). Merkezi (x0, y0)’da olan her daire R’nin içinden noktaların yanı sıra R’nin dışından da noktalar içeriyorsa, R’nin bir sınır noktasıdır. (Sınır noktasının R’ye ait olması gerekmez.) Bir bölgenin iç noktaları, bir küme olarak, bölgenin içini oluştururlar. Bölgenin sınır noktaları bölgenin sınırını oluştururlar. Bir bölge sadece iç noktalarından oluşuyorsa açıktır. Bir bölge bütün sınır noktalarını içeriyorsa kapalıdır (Şekil 14.2). y y y (b) Sınır noktası fiEK‹L 14.1 Düzlemdeki bir R bölgesinin iç noktaları ve sınır noktaları. Bir iç noktanın R’nin bir noktası olması gerekir. R’nin bir sınır noktasının R’ye ait olması gerekmez. 0 {(x, y) x2 y2 1} Açık birim daire. Her nokta bir iç noktadır. fiEK‹L 14.2 x 0 {(x, y) x2 y2 1} Birim dairenin sınırı (Birim çember). x 0 x {(x, y) x2 y2 ⱕ 1} Kapalı birim daire. Bütün sınır noktalarını içerir. Düzlemde birim dairenin iç noktaları ve sınır noktaları. Reel sayı aralıklarında olduğu gibi, düzlemdeki bazı bölgeler ne açık ne de kapalıdırlar. Şekil 14.2’deki açık daire ile işe başlar ve ona sınır noktalarının hepsini değil de bazılarını eklerseniz, ortaya çıkan küme ne açık ne de kapalıdır. Orada bulunan sınır noktaları kümenin açık olmasını engeller. Kalan sınır noktalarının bulunmayışı ise kümenin kapalı olmasını engeller. TANIMLAR Düzlemde S›n›rl› ve S›n›rl› Olmayan Bölgeler Düzlemdeki bir bölge sabit yarıçaplı bir dairenin içindeyse sınırlıdır. Aksi taktirde bölge, sınırlı olmayan (sınırsız) bir bölgedir. Düzlemde sınırlı kümelere örnekler doğru parçaları, üçgenler, üçgenlerin içleri, dikdörtgenler, çemberler ve dairelerdir. Sınırlı olmayan kümelere örnekler de doğrular, koordinat eksenleri, sonsuz aralıklarda tanımlı fonksiyonların grafikleri, dörtte bir bölgeler, yarı düzlemler ve düzlemin kendisidir. 968 Bölüm 14: K›smi Türevler y ÖRNEK 3 İç noktalar y x2 0 ‹ki De¤iflkenli Bir Fonksiyonun Tan›m Kümesini Belirlemek ƒsx, yd = 2y - x 2. fonksiyonunun tanım kümesini belirleyin. Çözüm ƒ fonksiyonu sadece y – x2 0 olduğu yerlerde tanımlı olduğundan, tanım kümesi Dışarıda, y x2 0 y x2 0 parabolü sınırdır. 1 –1 0 Şekil 14.3’te gösterilen kapalı, sınırlı olmayan bölgedir. y – x2 parabolü tanım kümesinin sınırıdır. Parabolün üst tarafındaki noktalar tanım kümesinin içini oluşturur. ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar›n Grafikler, Seviye E¤rileri ve Kontur Çizgileri x 1 fiEK‹L 14.3 ƒsx, yd = 2y - x 2 ’nin tanım kümesi renkli bölge ve sınırlayıcı parabol y = x2’den oluşur (Örnek 3). Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun değerlerini resimlemenin iki standart yolu vardır. Biri, tanım kümesinde ƒ’nin sabit bir değer aldığı eğrileri çizip isimlendirmektir. Diğeri ise, uzayda z = ƒ(x, y) yüzeyini çizmektir. TANIMLAR Seviye E¤risi, Grafik, Yüzey Düzlemde, bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ƒ(x, y) = c gibi sabit bir değer aldığı noktalar kümesine ƒ’nin bir seviye eğrisi denir. (x, y) noktası ƒ’nin tanım aralığında olmak üzere, bütün (x, y, ƒ(x, y)) noktalarının kümesine ƒ’nin grafiği denir. ƒ’nin grafiğine ayrıca z = ƒ(x, y) yüzeyi de denir. z 100 f(x, y) 75 z f(x, y) 100 x2 y2 yüzeyi ƒ’nin grafiğidir. ÖRNEK 4 ‹ki De¤iflkenli Bir Fonksiyonu Çizmek ƒ(x, y) = 100 – x2 – y2’nin grafiğini çizin ve ƒ’nin düzlemdeki tanım kümesinde ƒ(x, y) = 0, ƒ(x, y) = 51 ve ƒ(x, y) = 75 seviye eğrilerini işaretleyin. f(x, y) 51 Çözüm ƒ’nin tanım kümesi bütün xy-düzlemidir ve ƒ’nin değer kümesi 100’e eşit veya (Fonksiyonunun 100’den küçük reel sayıların kümesidir. Grafiği, Şekil 14.4’te bir kısmı gösterilen tanım kümesinde 2 2 tipik bir seviye z = 100 – x – y paraboloidi dir. ƒ(x, y) = 0 seviye eğrisi, xy-düzleminde eğrisi) 10 10 x y f(x, y) 0 fiEK‹L 14.4 ƒ(x, y) = 100 – x2 – y2 fonksiyonunun grafiği ve seçilmiş seviye eğrileri (Örnek 4). ƒ(x, y) = 100 – x2 – y2 = 0 veya x2 + y2 = 100 koşulunu sağlayan noktalar kümesidir ki, o da merkezi orijinde olan 10 yarıçaplı çemberdir. Benzer şekilde, ƒ(x, y) = 51 ve ƒ(x, y) = 75 seviye eğrileri (Şekil 14.4) ƒ(x, y) = 100 – x2 – y2 = 51 veya x2 + y2 = 49 ƒ(x, y) = 100 – x2 – y2 = 75 veya x2 + y2 = 25 çemberleridir. ƒ(x, y) = 100 seviye eğrisi sadece orijinden oluşur (Yine de bir seviye eğrisidir). Uzayda z = c düzleminin bir z = ƒ(x, y) yüzeyini kestiği eğri, ƒ(x, y) = c fonksiyon değerini temsil eden noktalardan oluşur. Buna, ƒ’nin tanım kümesindeki ƒ(x, y) = c seviye eğrisinden ayırt etmek için, ƒ(x, y) = c kontur eğrisi denir. Şekil 14.5, z = 100 – x2 – y2 yüzeyi üzerinde ƒ(x, y) = 100 – x2 – y2 fonksiyonuyla tanımlanan ƒ(x, y) = 75 kontur çizgisini göstermektedir. Kontur eğrisi, fonksiyonun tanım kümesindeki ƒ(x, y) = 75 seviye eğrisi olan x2 + y2 = 25 çemberinin yukarısında bulunmaktadır. Ancak herkes bu ayrımı yapmaz ve iki eğriyi de aynı isimle adlandırmak isteyebilir ve aklınızda hangisinin bulunduğunu bildiğinize güvenebilirsiniz. Örneğin, çoğu haritalarda, sabit yükseklikleri (deniz seviyesinden yükseklik) temsil eden eğrilere seviye eğrileri değil, kontür denir (Şekil 14.6). 14.1 Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar 969 f(x, y) ⫽ 100 ⫺ x2 ⫺ y2 ⫽ 75 kontur eğrisi z = 75 düzlemindeki x2 ⫹ y2 ⫽ 25 çemberidir. z z ⫽ 75 düzlemi z ⫽ 100 ⫺ x2 ⫺ y2 100 75 0 y x f(x, y) ⫽ 100 ⫺ x2 ⫺ y2 ⫽ 75 seviye eğrisi xy- düzlemindeki x2 ⫹ y2 ⫽ 25 çemberidir. fiEK‹L 14.5 xy-düzlemine paralel ve z = ƒ(x,y) yüzeyini kesen bir z = c düzlemi bir kontur çizgisi üretir. fiEK‹L 14.6 New Hampshire’deki Mt. Washington’un konturları (Appalachian Mountain Club’ın izniyle yeniden üretilmiştir). Üç De¤iflkenli Fonksiyonlar Düzlemde, iki bağımsız değişkenli bir fonksiyonun sabit bir ƒ(x, y) = c değerine sahip olduğu noktalar fonksiyonun tanım kümesinde bir eğri oluşturur. Uzayda, üç bağımsız değişkenli bir fonksiyonun sabit bir ƒ(x, y, z) = c değerine sahip olduğu noktalar fonksiyonun tanım kümesinde bir yüzey oluşturur. TANIM Seviye Yüzeyi Uzayda, üç bağımsız değişkenli bir fonksiyonun sabit bir ƒ(x, y, z) = c değerine sahip olduğu (x, y, z) noktaları ƒ’nin bir seviye yüzeyini oluştururlar. Üç değişkenli bir fonksiyonların grafikleri, dört boyutlu bir uzayda bulunan (x, y, z, ƒ(x, y, z)) noktalarından oluştuğu için, bunları üç-boyutlu referans çerçevemizde etkili olarak çizemeyiz. Ancak, üç-boyutlu seviye yüzeylerine bakarak, fonksiyonun nasıl davrandığını görebiliriz. ÖRNEK 5 Üç De¤iflkenli Bir Fonksiyonun Seviye Yüzeylerini Belirlemek Aşağıdaki fonksiyonun seviye yüzeylerini tanımlayın: ƒsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2 . 970 Bölüm 14: K›smi Türevler 兹x2 y2 z2 1 z 兹x2 y2 z2 2 兹x2 y2 z2 3 1 y 2 ƒ’nin değeri, orijinden (x, y, z) noktasına olan uzaklıktır. Her 2x 2 + y 2 + z 2 = c, c 7 0 , seviye yüzeyi, merkezi orijinde olan c yarıçaplı bir küredir. Şekil 14.7 bu kürelerden üçünün görünüşünü sunmaktadır. 2x 2 + y 2 + z 2 = 0 seviye yüzeyi sadece orijinden oluşmaktadır. Burada fonksiyonun grafiğini çizmiyoruz; fonksiyonun tanım kümesindeki seviye yüzeylerine bakıyoruz. Fonksiyonun seviye yüzeyleri tanım kümesinde ilerlerken, fonksiyonun değerlerinin nasıl değiştiğini gösterir. Merkezi orijinde olan c yarıçaplı bir kürenin üzerinde kalırsak, fonksiyon sabit bir değer, yani c değerini alır. Bir küreden diğerine geçersek fonksiyonun değeri değişir. Orijinden uzaklaşırsak bu değer artar, orijine yaklaşırsak bu değer azalır. Fonksiyonun değerlerinin değişimi izlediğimiz yöne bağlıdır. Değişikliğin yöne bağımlılığı önemlidir. Buna Bölüm 14.5’te geri döneceğiz. Uzaydaki bölgeler için iç, sınır, açık, kapalı, sınırlı ve sınırlı olmama tanımları düzlemdeki tanımların benzeridir. Ekstra boyutu işin içine katmak için, daireler yerine katı toplar kullanırız. Çözüm 3 x fiEK‹L 14.7 ƒsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2’nin seviye yüzeyleri eşmerkezli kürelerdir (Örnek 5 ). z (x0, y0, z0) Uzay Bölgeleri ‹çin ‹ç ve S›n›r Noktalar› TANIMLAR Uzaydaki bir R bölgesinde bir (x0, y0, z0) noktası, bütünüyle R’nin içinde bulunan bir katı topun merkeziyse R’nin bir iç noktasıdır (Şekil 14.8a). Merkezi (x0, y0, z0) ’da olan her küre R ’nin içinden noktaların yanı sıra R’nin dışından da noktalar içeriyorsa (x0, y0, z0) noktası R’nin bir sınır noktasıdır. R’nin iç noktaları, bir küme olarak, R’nin içini oluştururlar. R’nin sınır noktalarının kümesi R’nin sınırıdır. Bir R bölgesi sadece iç noktalardan oluşuyorsa açıktır. Bir bölge bütün sınır noktalarını içeriyorsa kapalıdır. y x (a) İç noktaları (x0, y0, z0) z y x (b) Sınır noktaları fiEK‹L 14.8 Uzaydaki bir bölgenin iç noktaları ve sınır noktaları. Uzayda açık kümelere örnekler; bir kürenin içi, z 0 açık yarı düzlemi, birinci sekizde bir bölge (x, y ve z her biri pozitif) ve uzayın kendisidir. Uzayda kapalı kümelere örnekler; doğrular, düzlemler, z 0 kapalı yarı-düzlemi, sınırlayıcı düzlemleriyle birlikte birinci sekizde bir bölge ve uzayın kendisi (sınır noktası var olmadığından) dir. Sınırlayıcı küresinin bir kısmı kaldırılmış katı bir küre veya bir yüzü, kenarı veya köşe noktası olmayan katı bir küp ne açık ne de kapalı olacaktır. Üçten daha fazla bağımsız değişkenli fonksiyonlar da önemlidir. Örneğin, uzayda bir yüzeyin üzerindeki sıcaklık sadece yüzeyin üzerindeki P(x, y, z) noktasının konumuna değil aynı zamanda t zamanına da bağlı olabilir dolayısıyla böyle bir durumda ƒ(x, y, z, t) yazacağız. Bilgisayarla Grafik Çizme Bilgisayarların üç-boyutlu grafik çizim programları iki değişkenli fonksiyonların grafiklerini sadece birkaç tuşa basarak çizmeyi olası kılmıştır. Genellikle, bir formülden öğrendiğimizi, bir grafikten daha çabuk öğreniriz. 14.1 ÖRNEK 6 Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar 971 Yeryüzünün Alt›ndaki S›cakl›¤› Modellemek Yeryüzünün altındaki sıcaklık, yeryüzü altındaki x derinliğinin ve yılın t zamanının bir fonksiyonudur. x’i feet olarak t’yi de yeryüzünde yüzey sıcaklığının en yüksek olmasının beklendiği günden itibaren geçen gün olarak alırsak, sıcaklıktaki değişimi w = cos (1.7 10–2t – 0.2x)e–0.2x fonksiyonu ile modelleyebiliriz. (0 ft’teki sıcaklık +1 ile –1 arasında değişecek şekilde ölçeklenmiştir. Öyle ki x feet’teki değişim yüzeydeki değişimin bir kesri olarak yorumlanabilsin.) Şekil 14.9, fonksiyonun bilgisayarla üretilmiş bir grafiğini göstermektedir. 15 ft derinlikteki değişim (şekilde dikey genlikteki değişim) yüzeydeki değişimin yaklaşık %5’idir. 30 ft derinlikte yıl boyunca neredeyse hiç değişim yoktur. Sıcaklık w x k, ft Derinli 15 30 Günl er t fiEK‹L 14.9 w = cos s1.7 * 10-2t - 0.2xde-0.2x fonksiyonunun bilgisayarla üretilmiş bu grafiği yer altı sıcaklığının mevsimlik değişimini yüzey sıcaklığının bir kesri olarak göstermektedir. x = 15 ft’te, değişim yüzeydeki değişimin sadece %5’idir. x = 30 ft’te değişim yüzeydeki değişimin %0.25’inden azdır (Örnek 6). (Norton Starr’ın hazırladığı çizimden alınmıştır.) Grafik ayrıca, yüzeyin 15 ft altındaki sıcaklıkla yüzey sıcaklığı arasında neredeyse yarım yıllık bir faz farkı olduğunu göstermektedir. Yüzeyde sıcaklık en düşükken (örneğin, Şubat’ta), 15 ft aşağıda en yüksektir. Yerin 15 ft altında, mevsimlerin sırası değişmiştir. Şekil 14.10 iki değişkenli birkaç fonksiyonun bilgisayarla üretilmiş grafiklerini seviye eğrileri ile birlikte göstermektedir. 972 Bölüm 14: K›smi Türevler y z x x y (a) z e – (x 2 y 2 )/8 (sin x 2 cos y 2 ) z y x y x (b) z sin x 2 sin y z y x y x 2 (c) z (4x 2 y 2 )e –x y 2 y z x y x (d) z xye –y 2 fiEK‹L 14.10 İki değişkenli tipik fonksiyonların bilgisayarla üretilmiş grafikleri ve seviye eğrileri. 14.1 Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar 973 ALIfiTIRMALAR 14.1 17. Tan›m ve De¤er Kümeleri, Seviye E¤rileri 18. y 1–12 alıştırmalarında, (a) fonksiyonun tanım kümesini bulun, (b) fonksiyonun değer kümesini bulun, (c) fonksiyonun seviye eğrilerini tanımlayın, (d) fonksiyonun tanım kümesinin sınırını bulun, (e) tanım kümesinin kapalı mı, açık mı, yoksa ikisi de olmayan bir bölge mi olduğunu belirleyin ve (f) tanım kümesinin sınırlı mı yoksa sınırlı olmayan mı olduğunu belirleyin. x x 2. ƒsx, yd = 2y - x 1. ƒsx, yd = y - x 2 3. ƒsx, yd = 4x + 9y 2 4. ƒsx, yd = x 2 - y 2 6. ƒsx, yd = y>x 2 5. ƒsx, yd = xy 1 7. ƒsx, yd = y 216 - x 2 - y 2 8. ƒsx, yd = 29 - x 2 - y 2 2 2 9. ƒsx, yd = ln sx 2 + y 2 d 10. ƒsx, yd = e -sx + y d 11. ƒsx, yd = sin-1 s y - xd y 12. ƒsx, yd = tan-1 a x b a. z y Yüzeyleri ve Seviye E¤rilerini Belirlemek x 13–18 alıştırmaları (a)–(f)’de grafikleri verilen fonksiyonların seviye eğrilerini göstermektedir. Her eğri kümesini uygun fonksiyonla eşleştirin. 13. z (cos x)(cos y) e –兹x 2 y 2 /4 14. y y b. z– x x z xy 2 x2 y2 x y c. 15. 16. y y x x x y z 1 4x2 y2 974 Bölüm 14: K›smi Türevler z d. 25. ƒsx, yd = 4x 2 + y 2 26. ƒsx, yd = 4x 2 + y 2 + 1 27. ƒsx, yd = 1 - ƒ y ƒ 28. ƒsx, yd = 1 - ƒ x ƒ - ƒ y ƒ Bir Seviye E¤risini Bulmak 29–32 alıştırmalarında, ƒ(x, y) fonksiyonun verilen noktadan geçen seviye eğrisinin denklemini bulun. 29. ƒsx, yd = 16 - x 2 - y 2, y 30. ƒsx, yd = 2x 2 - 1, x A 222, 22 B s1, 0d dt , A - 22, 22 B 2 Lx 1 + t q n x 32. ƒsx, yd = a a y b , s1, 2d y 31. ƒsx, yd = z e–y cos x e. z n=0 Seviye Yüzeyleri Çizmek 33–40 alıştırmalarında, fonksiyonun tipik bir seviye yüzeyini çizin. y x 33. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 34. ƒsx, y, zd = ln sx 2 + y 2 + z 2 d 35. ƒsx, y, zd = x + z 36. ƒsx, y, zd = z 2 37. ƒsx, y, zd = x + y 2 2 z 39. ƒsx, y, zd = z - x - y xy(x 2 y 2 ) 40. ƒsx, y, zd = sx 2>25d + s y 2>16d + sz 2>9d x2 y2 f. 38. ƒsx, y, zd = y 2 + z 2 2 Bir Seviye Yüzeyi Bulmak z 41–44 alıştırmalarında, ƒ(x, y) fonksiyonunun verilen noktadan geçen seviye yüzeyinin denklemini bulun. 41. ƒsx, y, zd = 2x - y - ln z, y x s3, -1, 1d 42. ƒsx, y, zd = ln sx 2 + y + z 2 d, s -1, 2, 1d q sx + ydn , sln 2, ln 4, 3d 43. gsx, y, zd = a n!z n n=0 y 44. gsx, y, zd = du Lx 21 - u2 z + dt , L22 t2t 2 - 1 s0, 1>2, 2d Teori ve Örnekler z y2 y4 x2 ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar› Tan›mlama 19–28 alıştırmalarındaki fonksiyonların değerlerini iki şekilde gösterin: (a) z = ƒ(x, y) yüzeyini çizerek ve (b) fonksiyonun tanım kümesindeki seviye eğrilerinden birkaçını çizerek. Her eğriyi fonksiyon değeriyle isimlendirin. 19. ƒsx, yd = y 2 20. ƒsx, yd = 4 - y 2 21. ƒsx, yd = x 2 + y 2 22. ƒsx, yd = 2x 2 + y 2 23. ƒsx, yd = -sx 2 + y 2 d 24. ƒsx, yd = 4 - x 2 - y 2 45. Bir fonksiyonun, bir uzay doğrusu üzerindeki maksimum değeri ƒ(x, y, z) = xyz fonksiyonunun x = 20 – t, y = t, z = 20 doğrusu üzerinde bir maksimum değeri var mıdır? Varsa, nedir? Yanıtınızı açıklayın (İpucu: Doğru boyunca, w = ƒ(x, y, z) fonksiyonu t’nin türetilebilir bir fonksiyonudur.) 46. Bir fonksiyonun, bir uzay doğrusu üzerindeki maksimum değeri ƒ(x, y, z) = xy – z fonksiyonunun x = t – 1, y = t – 2, z = t + 7 doğrusu üzerinde bir maksimum değeri var mıdır? Varsa, nedir? Yanıtınızı açıklayın (İpucu: Doğru boyunca, w = ƒ(x, y, z) fonksiyonu t’nin türetilebilir bir fonksiyonudur.) 47. Concorde’un sonik patlamaları Concorde’dan gelen ses dalgaları, uçağın uçtuğu yüksekliğin üstünde ve altında sıcaklık değiştikçe, eğilir. Sonik patlama halısı yer yüzeyinde şok dalgalarını 14.1 atmosferden yansıtılmış veya yerden kırılmış bir şekilde değil de doğrudan uçaktan alan bölgedir. Halı, uçağın altındaki noktadan doğrudan yere çarpan sıyırıcı dalgalarla belirlenmiştir. (Şekle bakın ) Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar 975 B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Aç›kça Verilen Yüzeyler 49–52 alıştırmalarındaki fonksiyonların her biri için aşağıdaki adımları gerçekleştirmek üzere bir BCS kullanın. a. Verilen dikdörtgen üzerinde yüzeyi çizin. b. Dikdörtgendeki birkaç seviye eğrisini çizin. c. ƒ’nin verilen noktadaki seviye eğrisini çizin. y 49. ƒsx, yd = x sin + y sin 2x, 0 … x … 5p 2 Ps3p, 3pd A B w Sonik patlama halısı Yerde bulunan insanların Concorde’un sonik patlamasını atmosferdeki bir katmandan yansıyarak değil de doğrudan duydukları bölgenin genişliği w, T = yer seviyesindeki hava sıcaklığı (Kelvin derece), 50. ƒsx, yd = ssin xdscos yde 2x + y >8, 0 … y … 5p, Ps4p, 4pd 2 2 0 … y … 5p, 0 … x … 5p, 51. ƒsx, yd = sin sx + 2 cos yd, -2p … x … 2p, -2p … y … 2p, Psp, pd 0.1 52. ƒsx, yd = e sx - yd sin sx 2 + y 2 d, -2p … y … p, Psp, -pd 0 … x … 2p, h = Concorde’un yüksekliği (km), Kapal› Olarak Verilen Yüzeyler d = dikey sıcaklık gradyanı (km başına Kelvin derece sıcaklık düşüşü) 53–56 alıştırmalarındaki seviye yüzeylerini çizmek için bir BCS kullanın. değişkenlerinin bir fonksiyonudur. 53. 4 ln sx 2 + y 2 + z 2 d = 1 w’nun formülü 55. x + y 2 - 3z 2 = 1 w = 4a Th b d 1>2 . 54. x 2 + z 2 = 1 x 56. sin a b - scos yd2x 2 + z 2 = 2 2 olarak verilir. Parametrize Yüzeyler Washington’a gitmekte olan Concorde uçağı Avrupa’dan Birleşik Devletlere Nantucket adasının kuzeyinde 16.8 km yükseklikte geçirecek bir rota izlemektedir. Yüzey sıcaklığı 290 K ve dikey sıcaklık gradyanı 5 K/km ise, uçağın sonik patlama halısını adadan uzak tutmak için uçak Nantucket’ın kaç kilometre güneyinden uçurulmalıdır? (N.K. Balachandra, W.L. Donn ve D.H. Rind tarafından Science, July 1, 1977, Vol. 197, sayfa 47-49’da yayınlanan “Concorde Sonic Booms as an Atmospheric Probe” dan.) Düzlemdeki eğrileri, bir I parametre aralığında tanımlanmış bir x = ƒ(t), y = g(t) denklem çiftiyle tanımladığınız gibi, bazen uzaydaki yüzeyleri de bir a u b, c y d parametre dikdörtgeninde tanımlanmış bir x = ƒ(u, y), y = g(u, y), z = h(u, y) denklem üçlüsüyle tanımlayabilirsiniz. Çoğu bilgisayarlı cebir sistemi böyle yüzeyleri parametre modunda çizer (Parametrize yüzeyler Bölüm 16.6’da daha detaylı olarak incelenmektedir). 57–60 alıştırmalarındaki yüzeyleri çizmek için bir BCS kullanın. Ayrıca xy-düzlemindeki birkaç seviye eğrisini çizin. 48. Bildiğiniz gibi, tek reel değişkenli, reel değerli bir fonksiyonun grafiği iki koordinatlı bir uzayda bir kümedir. İki bağımsız reel değişkenli, reel değerli bir fonksiyonun grafiği üç koordinatlı bir uzayda bir kümedir. Üç bağımsız reel değişkenli, reel değerli bir fonksiyonun grafiği dört koordinatlı bir uzayda bir kümedir. Dört bağımsız reel değişkenli, reel değerli bir ƒ(x1, x2, x3, x4) fonksiyonunun grafiğini nasıl tanımlarsınız? n bağımsız reel değişkenli, reel değerli bir ƒ(x1, x2, x3, …, xn) fonksiyonunun grafiğini nasıl tanımlarsınız? 57. x = u cos y, y = u sin y, 0 … y … 2p z = u, 0 … u … 2, 58. x = u cos y, y = u sin y, 0 … y … 2p z = y, 0 … u … 2, 59. x = s2 + cos ud cos y, y = s2 + cos ud sin y, 0 … u … 2p, 0 … y … 2p 60. x = 2 cos u cos y, y = 2 cos u sin y, 0 … u … 2p, 0 … y … p z = sin u, z = 2 sin u, 976 Bölüm 14: K›smi Türevler 14.2 Yüksek Boyutlarda Limitler ve Süreklilik Bu bölüm çok değişkenli fonksiyonların limit ve sürekliliğini ele almaktadır. İki veya üç değişkenli bir fonksiyonun limitinin tanımı tek değişkenli bir fonksiyonun limitinin tanımına benzerdir fakat şimdi göreceğimiz gibi önemli bir fark vardır. Limitler Bir (x0, y0) noktasına yeterince yakın bütün (x, y) noktaları için ƒ(x, y)’nin değerleri belirli bir L reel sayısına keyfi derecede yakın ise, (x, y) noktası (x0, y0)’a yaklaşırken ƒ fonksiyonu L limitine yaklaşır deriz. Bu, tek değişkenli bir fonksiyonun formel olmayan tanımına benzerdir. Ancak, (x0, y0) noktası ƒ’nin tanım kümesinin içinde bulunuyorsa, (x, y)’nin (x0, y0)’a herhangi bir yönden yaklaşabileceğine dikkat edin. Yaklaşımın yönü, aşağıdaki bazı örneklerde olduğu gibi, bir sorun yaratabilir. TANIMLAR ‹ki De¤iflkenli Bir Fonksiyonun Limiti Her 0 sayısına karşılık, ƒ’nin tanım kümesine ait (x, y) noktaları için, 0 2 (x – x0)2 + (y – y0)2 d iken uƒ(x, y) – Lu olacak şekilde bir d 0 sayısı karşılık getirilebiliyorsa, (x, y) noktası (x0, y0)’a yaklaşırken ƒ fonksiyonu L limitine yaklaşır der ve şu şekilde yazarız. lim sx, yd:sx0, y0d ƒsx, yd = L Limit tanımı, (x, y)’den (x0, y0)’a uzaklık yeterince küçük (fakat 0 değil) bırakıldığında, ƒ(x, y) ile L arasındaki uzaklığın keyfi derecede küçüldüğünü söyler. Limit tanımı ƒ’nin tanım kümesinin iç noktalarıyla birlikte (x0, y0) sınır noktaları için de geçerlidir. Tek koşul (x, y) noktasının her zaman tanım kümesinin içinde kalmasıdır. Tek değişkenli fonksiyonlarda olduğu gibi, lim x = x0 lim y = y0 lim k = k sx, yd:sx0, y0d sx, yd:sx0, y0d sx, yd:sx0, y0d (Herhangi bir kd. k) sany number olduğu gösterilebilir. Örneğin, yukarıdaki ilk limit ifadesinde ƒ(x, y) = x ve L = x0’dır. Limit tanımını kullanarak, P 7 0 sayısının seçildiğini varsayın. Eğer d’yı bu ’a eşit olarak alırsak 0 6 2sx - x0 d2 + sy - y0 d2 6 d = P eşitsizliğinin 0 6 2sx - x0 d2 6 P sonucunu gerektirdiğini görürüz: ƒ x - x0 ƒ 6 P 2a 2 = ƒ a ƒ ƒ ƒsx, yd - x0 ƒ 6 P x = ƒsx, yd 14.2 Yüksek Boyutlarda Limitler ve Süreklilik 977 Yani, her ne zaman 0 2 (x – x0)2 + (y – y0)2 d ise uƒ(x, y) – x0u olur. Dolayısıyla, lim sx, yd:sx0 , y0d ƒsx, yd = lim sx, yd:sx0 , y0d x = x0. dır. Ayrıca, iki fonksiyonun toplamının limitinin limitlerinin toplamı olduğu da gösterilebilir (ikisi de varsa) ve farkların, çarpımların, sabitlerle çarpımların, bölümlerin ve kuvvetlerin limitleri için de benzer sonuçlar elde edilir. TEOREM 1 ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar›n Limitlerinin Özellikleri L, M ve k reel sayılar ve lim sx, yd:sx0, y0d ƒsx, yd = L 1. Toplam Kuralı: 2. Fark Kuralı: 3. Çarpım Kuralı: 4. Sabitle Çarpı Kuralı: 5. Bölüm Kuralı: 6. Kuvvet Kuralı: and ve lim sx, yd:sx0 , y0d gsx, yd = M. lim (ƒsx, yd + gsx, ydd = L + M lim (ƒsx, yd - gsx, ydd = L - M lim sƒsx, yd # gsx, ydd = L # M lim skƒsx, ydd = kL sx, yd:sx0 , y0d sx, yd:sx0 , y0d sx, yd:sx0, y0d sx, yd:sx0 , y0d ƒsx, yd L = M sx, yd:sx0 , y0d gsx, yd lim (Herhangi bir k) sany number kd M Z 0 r ve s tamsayılar ve s 0, Lr@s bir reel sayı ise, sƒsx, yddr>s = L r>s lim sx, yd:sx0 , y0d (s çift ise L 0’ın pozitif olduğunu varsayıyoruz) Teorem 1’i burada ispatlamamakla birlikte, neden doğru olduğuna dair formel olmayan bir düşünce veriyoruz. (x, y) noktası (x0, y0) noktasına yeterince yakın ise ƒ(x, y) değeri L’ye ve g(x, y) değeri de M’ye yakındır (limitlerin formel olmayan açıklamasından). Şu halde ƒ(x, y) + g(x, y) değerinin L + M’ye yakın olması; ƒ(x, y) – g(x, y)’nin L – M’ye yakın olması; ƒ(x, y)g(x, y)’nin LM’ye yakın olması; kƒ(x, y)’nin kL’ye yakın olması; ve M 0 ise ƒ(x, y)@g(x, y)’nin L@M’ye yakın olması anlamlıdır. Teorem 1’i polinomlara ve rasyonel fonksiyonla uyguladığımızda, bu fonksiyonların (x, y) → (x0, y0) iken limitlerinin, fonksiyonları (x0, y0)’da hesaplayarak bulabileceğini söyleyen yararlı sonucu elde ederiz. Tek koşul rasyonel fonksiyonların (x0, y0)’da tanımlı olmalarıdır. ÖRNEK 1 (a) (b) Limitleri Hesaplamak x - xy + 3 0 - s0ds1d + 3 = -3 s0d s1d + 5s0ds1d - s1d3 lim 2 lim 2x 2 + y 2 = 2s3d2 + s -4d2 = 225 = 5 sx, yd:s0,1d x y + 5xy - y sx, yd:s3, -4d 3 = 2 978 Bölüm 14: K›smi Türevler ÖRNEK 2 Limitleri Hesaplamak x 2 - xy lim sx, yd:s0,0d 2x - 2y . limitini bulun. (x, y) → (0, 0) iken, payda 2x - 2y farkı 0’a yaklaştığından, Teorem 1’deki Bölüm Kuralını kullanamayız. Ama, pay ve paydayı 2x + 2y, ile çarparsak, limitini bulabileceğimiz eşdeğer bir kesir elde ederiz: Çözüm x 2 - xy lim sx, yd:s0,0d 2x - 2y lim = sx, yd:s0,0d = A x 2 - xy B A 2x + 2y B A 2x - 2y B A 2x + 2y B x A x - y B A 2x + 2y B x - y sx, yd:s0,0d lim lim = sx, yd:s0,0d Cebir x A 2x + 2y B Sıfırdan farklı (x – y) çarpanını kısaltın = 0 A 20 + 20 B = 0 y = x yolu (üzerinde x – y = 0 dır ) x 2 - xy 2x - 2y . fonksiyonunun tanım kümesinde bulunmadığından (x – y) çarpanını kısaltabiliriz. ÖRNEK 3 Varsa Limit Tan›m›n› Uygulamak lim 4xy 2 sx, yd:s0,0d x 2 + y 2 ’yi bulun. Önce, x = 0 doğrusu boyunca y 0 iken fonksiyonun daima 0 değerini aldığını gözlemleriz. Benzer şekilde doğrusu boyunca, x 0 olması koşulu ile fonksiyonun değeri yine 0 dır. Dolayısıyla, (x, y) noktası (0, 0) noktasına yaklaşırken limit varsa bu limit değeri 0 olmalıdır. Bunun doğru olup olmadığını görmek için limit tanımını uygularız. Bir P 7 0 değeri keyfi olarak verilmiş olsun. Bir d 7 0 değeri bulmak istiyoruz. Öyle ki, Çözüm ` 4xy 2 x2 + y - 0` 6 P 2 her ne zaman whenever 0 6 2x 2 + y 2 6 d iken ` 4xy 2 x2 + y2 - 0` 6 P whenever 0 6 2x 2 + y veya 4ƒ x ƒ y 2 x2 + y 6 P 2 her ne zaman 0 6 2x 2 + y 2 6 d. iken whenever 4ƒ x ƒ y 2 x2 + y2 6 P olsun. y2 x2 + y2 olduğundan 4ƒ x ƒ y 2 x2 + y2 elde ederiz. … 4 ƒ x ƒ = 42x 2 … 42x 2 + y 2 . whenever 0 6 2x 2 + y 2 6 d 14.2 Yüksek Boyutlarda Limitler ve Süreklilik 979 Şu halde d = P>4 seçer ve 0 6 2x 2 + y 2 6 d, alırsak ` 4xy 2 P - 0 ` … 42x 2 + y 2 6 4d = 4 a b = P. 4 x + y 2 2 elde ederiz. Tanımdan 4xy 2 lim sx, yd:s0,0d x 2 + y 2 = 0. sonucu elde edilir. Süreklilik Tek değişkenli fonksiyonlardaki gibi, süreklilik limit cinsinden ifade edilir. z TANIM ‹ki De¤iflkenli Sürekli Fonksiyonlar Aşağıdaki koşullar sağlanırsa, bir ƒ(x, y) fonksiyonu (x0, y0) noktasında süreklidir: x 1. 2. –y 3. sx, yd:sx0, y0d lim sx, yd:sx0, y0d ƒsx, yd = ƒsx0 , y0 d. (a) Tanım kümesinin her noktasında sürekli olan fonksiyona sürekli fonksiyon denir. y Limit tanımında olduğu gibi, süreklilik tanımı da ƒ’nin tanım kümesinin iç noktaları kadar sınır noktalarında da geçerlidir. Tek koşul (x, y) noktasının her zaman tanım kümesi içinde olmasıdır. Tahmin edebileceğiniz gibi, Teorem 1’in sonuçlarından biri sürekli fonksiyonların cebirsel kombinasyonlarının, söz konusu fonksiyonların tanımlı oldukları her noktada sürekli olduklarıdır. Bu, sürekli fonksiyonların toplam, fark, çarpım, sabitle çarpım, bölüm ve kuvvetlerinin tanımlı oldukları yerlerde sürekli oldukları anlamına gelir. Özel olarak, iki değişkenli polinomlar ve rasyonel fonksiyonlar tanımlandıkları her noktada süreklidirler. 0 –0.8 0.8 1 –1 0.8 –0.8 0 0.8 x – 0.8 1 –1 0.8 ƒ(x0, y0)’da tanımlıdır, lim ƒsx, yd vardır, – 0.8 0 ÖRNEK 4 Tek Süreksizlik Noktas› Olan Bir Fonksiyon 2xy x + y2 ƒsx, yd = L 0, 2 (b) fiEK‹L 14.11 (a) , sx, yd Z s0, 0d sx, yd = s0, 0d fonksiyonunun orijin hariç her yerde sürekli olduğunu gösterin (Şekil 14.11). 2xy x2 + y2 ƒsx, yd = L 0, , sx, yd Z s0, 0d sx, yd = s0, 0d. ƒ fonksiyonunun grafiği. Fonksiyon, orijin hariç her yerde süreklidir. (b) ƒ’nin seviye eğrileri (Örnek 4). Çözüm ƒ fonksiyonu (x, y) (0, 0) olan her noktada süreklidir çünkü değerleri x ve y’nin rasyonel bir fonksiyonuyla (0, 0)’da ƒ’nin değeri tanımlıdır, ama (x, y) → (0, 0) iken ƒ’nin limitinin olmadığını iddia ediyoruz. Bunun nedeni orijine farklı yollardan yaklaşmanın, şimdi göreceğimiz gibi farklı sonuçlar vermesidir. 980 Bölüm 14: K›smi Türevler Her m değeri için, ƒ fonksiyonunun “delinmiş” y = mx, x 0, doğrusu üzerinde sabit bir değeri vardır, çünkü ƒsx, yd ` 2xy = 2 x + y y = mx 2 ` = y = mx 2xsmxd 2mx 2 2m = 2 = . 2 x + smxd x + m 2x 2 1 + m2 2 bulunur. Dolayısıyla, (x, y) doğru boyunca (0, 0)’a yaklaşırken ƒ’nin değeri bu sayıdır: lim sx, yd:s0,0d ƒsx, yd = lim sx, yd:s0,0d cƒsx, yd ` y = mx d = 2m . 1 + m2 y = mx boyunca Bu limit m ile değişir. Dolayısıyla, (x, y) orijine yaklaşırken ƒ’nin limiti diyebileceğimiz tek bir sayı yoktur. Limit bulunmaz ve fonksiyon sürekli değildir. Örnek 4 iki (veya daha fazla değişkenli) fonksiyonların limitleri hakkında önemli bir noktayı ortaya koyar. Bir noktada bir limitin var olması için, limit her yaklaşım yolu için aynı olmalıdır. Bu sonuç, tek-değişken durumunda soldan ve sağdan limitlerin her ikisinin de aynı değere eşit olması gerekliliği ile benzerdir. Bu yüzden, iki veya daha fazla değişkenli fonksiyonlar için, farklı limitli yollar bulursak, yaklaştıkları noktada fonksiyonun limitinin olmadığını anlarız. z y Bir Limitin Var Olmaması İçin İki-Yol Testi (x, y) noktası (x0, y0)’a yaklaşırken bir ƒ(x, y) fonksiyonunun iki farklı yol boyunca farklı limitleri varsa, limsx, yd:sx0, y0d ƒsx, yd yoktur. ÖRNEK 5 ‹ki-Yol Testini Uygulamak (x, y) noktası (0, 0)’a yaklaşırken x (a) ƒsx, yd = y 1 Doğrudan yerine yazmakla limiti bulamayız. 0@0 belirsiz formu ortaya çıkar. ƒ’nin değerlerini (0, 0)’da sona eren yollar boyunca inceleriz. y = kx2, x 0 eğrisi boyunca, fonksiyonun değeri sabittir: Çözüm 0 0 x –1 –1 x4 + y 2 fonksiyonunun (Şekil 14.12) limitinin olmadığını gösterin. 0 1 2x 2 y 0 ƒsx, yd ` 2x 2y = y = kx 2 x4 + y fiEK‹L 14.12 (a) ƒ(x, y) = 2x2y@(x4 + y2)’nin grafiği. Grafikte görüldüğü ve (b)’deki seviye eğrilerinin doğruladığı gibi, limsx, yd:s0,0d ƒsx, yd yoktur (Örnek 5). = y = kx 2 2x 2skx 2 d 2kx 4 2k = = . 4 2 2 4 2 4 x + skx d x + k x 1 + k2 Dolayısıyla, lim sx, yd:s0,0d (b) ` 2 y = kx2 boyunca ƒsx, yd = lim sx, yd:s0,0d cƒsx, yd ` y = k x2 d = 2k . 1 + k2 olur. Bu limit yola göre değişir. Örneğin, (x, y) noktası (0, 0)’a y = x2 parabolü üzerinden yaklaşırsa, k = 1 olur ve limit 1’dir. (x, y) noktası (0, 0)’a x-ekseni üzerinden yaklaşırsa, k = 0’dır ve limit 0 olur. İki yol testine göre, (x, y) noktası (0, 0)’a yaklaşırken ƒ’nin limiti yoktur. Buradaki ifade çelişkili gözükebilir. “(x, y) orijine yaklaşırken ƒ’nin limiti yoktur demekle neyi kastediyorsunuz—bir sürü limiti var” diyebilirsiniz. Ama sorun da budur. 14.2 Yüksek Boyutlarda Limitler ve Süreklilik 981 Yoldan bağımsız tek bir limit yoktur ve dolayısıyla, tanıma göre, lim(x,y)→(0, 0) ƒ(x, y) yoktur. Sürekli fonksiyonların bileşkeleri de süreklidir. İspatı, burada ihmal edilmiştir, tek değişkenli fonksiyonlardakine benzerdir (Bölüm 2.6, Teorem 10) Bileşkelerin Sürekliliği ƒ fonksiyonu (x0, y0) noktasında sürekli ise ve g fonksiyonu da ƒ(x0, y0)’da sürekli tek-değişkenli bir fonksiyon ise h(x, y) = g(ƒ(x, y)) ile tanımlı h = g ° ƒ bileşke fonksiyonu (x0, y0)’da süreklidir. Örneğin, e x - y, cos xy 2 x + 1 ln s1 + x 2y 2 d , fonksiyonları her (x, y) noktasında süreklidirler. Tek değişkenli fonksiyonlarda olduğu gibi, genel kural sürekli fonksiyonların bileşkelerinin sürekli olduğudur. Tek koşul her fonksiyonun uygulandığı yerde sürekli olmasıdır. ‹kiden Fazla De¤iflkenli Fonksiyonlar İki değişkenli fonksiyonların limit ve süreklilik kavramları ile toplam, fark, çarpım, sabitle çarpım, bölüm ve kuvvetlerin limitleri ve süreklilikleriyle ilgili sonuçlar üç veya daha fazla değişkenli fonksiyonlar için de geçerlidir. ln sx + y + zd y sin z x - 1 ve and gibi fonksiyonlar tanım kümelerinde süreklidirler ve P, (x, y, z) noktasını belirtmek üzere lim P:s1,0,-1d z e x+z 2 + cos 2xy = e1-1 1 = , 2 s -1d + cos 0 2 gibi limitler doğrudan yerine koymayla bulunabilir. Sürekli Fonksiyonlar›n Kapal› ve S›n›rl› Bölgelerde Ekstremum De¤erleri Kapalı ve sınırlı bir [a, b] aralığında sürekli olan tek değişkenli bir fonksiyonun, [a, b] içinde en az bir defa bir mutlak maksimum değer ve bir mutlak minimum değer aldığını gördük. Aynısı, düzlemin kapalı ve sınırlı bir R bölgesinde ( bir doğru parçası, bir disk veya içi dolu bir üçgen gibi ) sürekli olan bir z = ƒ(x, y) fonksiyonu için doğrudur. Fonksiyon, R’nin bir noktasında bir mutlak maksimum değer ve R’nin bir noktasında da bir mutlak minimum değer alır. Bunlara ve bu bölümdeki diğer teoremlere benzer teoremler üç veya daha fazla değişkenli fonksiyonlar için de geçerlidir. Örneğin, bir w = ƒ(x, y, z) sürekli fonksiyonu tanımlı olduğu herhangi bir kapalı ve sınırlı küme üzerinde (katı top veya küp, silindirik kabuk, dikdörtgensel bir katı cisim ) mutlak maksimum ve mutlak minimum değerlerini alması gerekir. Bu ekstremum değerleri nasıl bulacağımızı Bölüm 14.7’de öğreneceğiz, fakat önce yüksek boyutlarda türevleri çalışmalıyız. Bu, sıradaki bölümün konusudur. 982 Bölüm 14: K›smi Türevler ALIfiTIRMALAR 14.2 ‹ki De¤iflkenli Limitler Düzlemde Süreklilik 1–12 alıştırmalarındaki limitleri bulun. 3x 2 - y 2 + 5 x lim lim 1. 2. sx, yd: s0,0d x 2 + y 2 + 2 sx, yd: s0,4d 2y 27–30 alıştırmalarındaki fonksiyonlar düzlemin hangi (x, y) noktalarında süreklidir? 3. 5. 7. lim 2x 2 + y 2 - 1 4. lim sec x tan y 6. sx, yd: s3,4d sx, yd: s0,p>4d e lim sx, yd: s0,ln 2d x-y 8. e y sin x lim 9. x sx, yd: s0,0d 11. 10. x sin y lim sx, yd: s1,0d x 2 12. + 1 lim sx, yd: s2, -3d 1 1 ax + y b 2 x2 + y3 x + y + 1 lim cos lim ln ƒ 1 + x 2 y 2 ƒ sx, yd: s0,0d sx, yd: s1,1d lim 3 sx, yd: s1,1d cos2 ƒ xy ƒ - 1 cos y + 1 sx, yd: sp>2,0d y - sin x lim 27. a. ƒsx, yd = sin sx + yd x + y 28. a. ƒsx, yd = x - y b. ƒsx, yd = ln sx 2 + y 2 d y b. ƒsx, yd = 2 x + 1 1 29. a. g sx, yd = sin xy b. g sx, yd = x + y 2 + cos x b. g sx, yd = 1 x - y 30. a. g sx, yd = 31–34 alıştırmalarındaki fonksiyonlar uzayın hangi (x, y, z) noktalarında süreklidir? b. ƒsx, y, zd = 2x 2 + y 2 - 1 xZy xZy xy - y - 2x + 2 lim 15. x - 1 sx, yd: s1,1d 32. a. ƒsx, y, zd = ln xyz b. ƒsx, y, zd = e x + y cos z 1 33. a. hsx, y, zd = xy sin z b. hsx, y, zd = 1 x2 + z2 - 1 1 ƒyƒ + ƒzƒ b. hsx, y, zd = 1 ƒ xy ƒ + ƒ z ƒ 34. a. hsx, y, zd = xZ1 18. 20. y + 4 lim Bir Noktada Limit Bulunmamas› sx, yd: s2, -4d x 2y - xy + 4x 2 - 4x y Z -4, x Z x2 Farklı yaklaşma yolları ele alarak, (x, y) → (0, 0) iken 35–42 alıştırmalarındaki fonksiyonların limitlerinin olmadığını gösterin. x - y + 22x - 2 2y lim 2x - 2y sx, yd: s0,0d xZy x + y - 4 lim sx, yd: s2,2d 2x + y - 2 x+yZ4 lim sx, yd: s4,3d xZy+1 x - 3x + 2 35. ƒsx, yd = 22x - y - 2 lim 19. sx, yd: s2,0d 2x - y - 4 x 2x 2 + y 2 23. 24. 26. lim lim P: s3,3,0d 2x - 2y + 1 x - y - 1 1 1 1 ax + y + z b x y P: s-1>4,p>2,2d lim 22. lim P: s0, -2,0d tan-1 xyz 25. ln 2x 2 + y 2 + z 2 lim P: sp,0,3d x y 2xy + yz P: s1,-1,-1d x2 + z2 37. ƒsx, yd = ssin2 x + cos2 y + sec2 zd lim x4 x + y2 4 z 21–26 alıştırmalarındaki limitleri bulun. P: s1,3,4d 36. ƒsx, yd = z 2x - y Z 4 Üç De¤iflkenli Limitler 21. 2 31. a. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 - 2z 2 13–20 alıştırmalarındaki limitleri, önce kesirleri yeniden yazarak bulun. x 2 - 2xy + y 2 x2 - y2 lim lim 13. 14. x y sx, yd: s1,1d sx, yd: s1,1d x - y 17. 2 Uzayda Süreklilik Bölümlerin Limiti 16. x2 + y2 ze-2y cos 2x x4 - y 2 4 x + y 2 38. ƒsx, yd = xy ƒ xy ƒ 39. gsx, yd = x - y x + y x + y 40. g sx, yd = x - y 41. hsx, yd = x2 + y y 42. hsx, yd = x2 x - y 2 14.2 Teori ve Örnekler 43. lim(x,y) →(x0, y0) ƒ(x, y) = L ise, ƒ’nin (x0, y0)’da tanımlı olması gerekir mi? Yanıtınızı açıklayın. 44. ƒ(x0, y0) = 3 ise lim sx, yd: sx0 , y0d ƒsx, yd lim sx, yd:sx0 , y0d ƒsx, yd = L. olduğunu söyler. Bu sonucu kullanarak 45–48 alıştırmalarındaki soruları yanıtlayın. 45. 1 - x 2y 2 tan-1 xy 6 1 6 xy 3 b. (a) şıkkında elde ettiğiniz sonucu kullanarak y = mx doğrusu boyunca (x, y) → (0, 0) iken ƒ’nin limitinin yaklaşma açısına bağlı olarak –1’den 1’e değiştiğini gösterin. 50. Sürekli genişleme ƒ(0, 0)’ı ƒsx, yd = xy lim(x,y) →(x0, y0) ƒ(x, y) ile ilerleme kaydedemiyorsanız, kutupsal koordinatlara geçmeyi deneyin. x = r cos u, y = r sin u yazın ve ortaya çıkan ifadenin r → 0 iken limitini araştırın. Başka bir deyişle, aşağıdaki kriteri sağlayan bir L sayısı olup olmadığına karar vermeye çalışın: 0 sayısına karşılık, her r ve u için ƒrƒ 6 d hakkında bir şey söyler mi? Yanıtınızı açıklayın. 46. x 2y 2 6 4 - 4 cos 2ƒ xy ƒ 6 2 ƒ xy ƒ 6 olduğunu bilmek, size 2 ƒ xy ƒ - lim sx, yd: s0,0d 4 - 4 cos 2ƒ xy ƒ ? ƒ xy ƒ hakkında bir şey söyler mi? Yanıtınızı açıklayın. 47. ƒ sin s1>xd ƒ … 1 |olduğunu bilmek size lim sx, yd:s0,0d 1 y sin x ? Q ƒ ƒsr, ud - L ƒ 6 P. (1) olacak şekilde bir d 0 sayısı vardır. Böyle bir L varsa, lim tan xy xy ? sx, yd:s0,0d x2 + y2 Kutupsal Koordinatlara Dönüfltürme sx, yd: s0,0d lim x2 - y2 fonksiyonu orijinde sürekli olacak şekilde tanımlayın. olduğunu bilmek, size -1 983 formülüne m = tan u koyun ve sonucu sadeleştirerek, ƒ’nin değerlerinin doğrunun eğim açısıyla nasıl değiştiğini gösterin. için, ƒ fonksiyonu (x0, y0)’da sürekli ise? ve ƒ(x0, y0)’da sürekli değilse ne söyleyebilirsiniz? Yanıtınızı açıklayın. İki değişkenli fonksiyonlar için Sandviç Teoremi, merkezi (x0, y0)’da olan bir dairenin içindeki her (x, y) (x0, y0) için g(x, y) ƒ(x, y) h(x, y) ise ve (x, y) → (x0, y0) iken g ile h’nin limitleri sonlu ve aynı L sayısı ise Yüksek Boyutlarda Limitler ve Süreklilik ƒsx, yd = lim ƒsr, ud = L. r:0 olur. Örneğin, r 3 cos3 u x3 = lim = lim r cos3 u = 0. 2 sx, yd: s0,0d x + y r: 0 r: 0 r2 Bu eşitliklerin sonuncusunu doğrulamak için, ƒ(r, u) = r cos3 u ve L = 0’ın (1) denklemini sağladığını göstermemiz gerekir. Yani, bir 0 sayısına karşılık, her r ve u için, lim 2 ƒrƒ 6 d Q ƒ r cos3 u - 0 ƒ 6 P. olacak şekilde bir d 0 sayısının var olduğunu göstermemiz gerekir. ƒ r cos u ƒ = ƒ r ƒ ƒ cos u ƒ … ƒ r ƒ # 1 = ƒ r ƒ , 3 3 olduğu için, d = alırsak, söylenenler doğru olur. Tam tersine r 2 cos2 u x2 = = cos2 u 2 x + y r2 2 hakkında bir şey söyler mi? Yanıtınızı açıklayın. 48. ƒ cos s1>yd ƒ … 1 olduğunu bilmek size lim sx, yd:s0,0d 1 x cos y ? hakkında bir şey söyler mi? Yanıtınızı açıklayın. 49. (Örnek 4’ün devamı) a. Örnek 4’ü yeniden okuyun. Sonra ƒsx, yd ` = y = mx 2m 1 + m2 ƒ r ƒ ’nin küçüklüğünden bağımsız olarak 0’dan 1’e kadar bütün değerleri alır, bu nedenle limsx, yd:s0,0d x 2>sx 2 + y 2 d yoktur. Bu örneklerin her birinde, r → 0 iken limitin varlığı veya yokluğu oldukça açıktır. Ama kutupsal koordinatlara geçmek her zaman yararlı olmayabilir ve bizi yanlış sonuçlara götürebilir. Örneğin, limit her u = sabit doğrusu (veya ışını) üzerinde bulunabilir, ama daha geniş anlamda bulunmayabilir. Örnek 4 bu noktayı belirtmektedir. Kutupsal koordinatlarda, ƒsx, yd = s2x 2yd>sx 4 + y 2 d fonksiyonu, r 0 için ƒsr cos u, r sin ud = r cos u sin 2u r 2 cos4 u + sin2 u 984 Bölüm 14: K›smi Türevler halini alır. u’yı sabit tutar ve r → 0 alırsak, limit 0’dır. Ancak y = x2 yolu üzerinde, r sin u = r2 cos2 u olur ve ƒsr cos u, r sin ud = = bulunur. r cos u sin 2u r 2 cos4 u + sr cos2 ud2 r sin u 2r cos2 u sin u = 2 = 1. 2r 2 cos4 u r cos2 u 51–56 alıştırmalarında, (x, y) → (0, 0) iken ƒ’nin limitini bulun veya limitin bulunmadığını gösterin. x 3 - xy 2 x3 - y3 b 51. ƒsx, yd = 2 52. ƒsx, yd = cos a 2 2 x + y x + y2 53. ƒsx, yd = y2 x2 + y2 55. ƒsx, yd = tan-1 a 56. ƒsx, yd = 54. ƒsx, yd = ƒxƒ + ƒyƒ x2 + y2 2x 2 x + x + y2 b x + y x2 – y2 < d eşitsizliğini sağlayan her (x, y) için uƒ(x, y) – ƒ(0, 0)u olacak şekilde bir d 0 sayısının var olduğunu gösterin. 59. ƒsx, yd = x 2 + y 2, 2 P = 0.01 60. ƒsx, yd = y>sx + 1d, P = 0.05 61. ƒsx, yd = sx + yd>sx 2 + 1d, P = 0.01 62. ƒsx, yd = sx + yd>s2 + cos xd, P = 0.02 63–66 alıştırmalarının her biri bir ƒ(x, y, z) fonksiyonu ve pozitif bir sayısı vermektedir. Her alıştırmada, x2 + y2 + z 2 < d x2 - y2 2 d-P Tan›mlar›n› Kullanmak 59–62 alıştırmalarının her biri bir ƒ(x, y) fonksiyonu ve pozitif bir sayısı vermektedir. Her alıştırmada, eşitsizliğini sağlayan her (x, y) için uƒ(x, y, z) – ƒ(0, 0, 0)u 2 57 ve 58 alıştırmalarında, ƒ(0, 0)’ı, ƒ fonksiyonu orijinde sürekli olacak şekilde tanımlayın. 3x 2 - x 2y 2 + 3y 2 b 57. ƒsx, yd = ln a x2 + y2 3x 2y 58. ƒsx, yd = 2 x + y2 olacak şekilde bir d 0 sayısının var olduğunu gösterin. 63. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2, 64. ƒsx, y, zd = xyz, 65. ƒsx, y, zd = P = 0.015 P = 0.008 x + y + z , P = 0.015 x2 + y2 + z2 + 1 66. ƒsx, y, zd = tan2 x + tan2 y + tan2 z, P = 0.03 67. ƒ(x, y, z) = x + y – z fonksiyonunun her (x0, y0, z0) noktasında sürekli olduğunu gösterin. 68. ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2’nin orijinde sürekli olduğunu gösterin. 14.3 K›smi Türevler Çok değişkenli analiz, temelde tek değişkenli analizin her defasında bir değişkene uygulanmasıdır. Bir fonksiyonun bağımsız değişkenlerinden biri dışında hepsini sabit tutar ve o tek değişkene göre türev alırsak, bir "kısmi" türev elde ederiz. Bu bölüm kısmi türevlerin nasıl ortaya çıktıklarını, geometrik olarak nasıl yorumlandıklarını ve tek değişkenli bir fonksiyonun türev kurallarından bir kısmi türevin nasıl hesaplanacağını gösterir. ‹ki De¤iflkenli Bir Fonksiyonun K›smi Türevleri (x0, y0), bir ƒ(x, y) fonksiyonunun tanım kümesinde bir noktaysa, dikey y = y0 düzlemi z = ƒ(x, y) yüzeyini z = ƒ(x, y0) eğrisinde kesecektir (Şekil 14.13). Bu eğri y = y0 düzlemindeki z = ƒ(x, y0) fonksiyonunun grafiğidir. Bu düzlemdeki yatay koordinat x; dikey koordinat z’dir. y-değeri y0’da sabit tutulmaktadır dolayısıyla y bir değişken değildir. ƒ’nin (x0, y0) noktasında, x’e göre kısmi türevini ƒ(x, y0)’ın x = x0 noktasında x’e göre normal türevi olarak tanımlarız. Kısmi türevleri normal türevlerden ayırt etmek için önceden kullandığımız d yerine ∂ sembolünü kullanırız. 14.3 K›smi Türevler 985 z y y0 düzleminde dikey eksen P(x0, y0, f(x0, y0)) z f(x, y) y y0 düzleminde z f(x, y0) eğrisi Teğet doğru 0 x0 y0 x (x0 h, y0) (x0, y0) y y y0 düzleminde yatay eksen fiEK‹L 14.13 xy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinin üst tarafından bakıldığında, y = y0 düzleminin z = ƒ(x, y) yüzeyi ile kesişimi. TANIM x’e Göre K›smi Türev ƒ(x, y)’nin (x0, y0) noktasında x’e göre kısmi türevi, limitin var olması şartıyla 0ƒ ƒsx0 + h, y0 d - ƒsx0 , y0 d ` = lim , 0x sx0, y0d h:0 h olarak tanımlanır. Kısmi türev için eşdeğer bir gösterim d . ƒ(x, y0) ` dx x = x0 dır. z = ƒ(x, y0) eğrisinin y = y0 düzleminde P(x0, y0, ƒ(x0, y0)) noktasındaki eğimi ƒ’nin (x0, y0)’da x’e göre kısmi türevinin değeridir. Eğrinin P’deki teğeti ise y = y0 düzleminde P’den bu eğimle geçen doğrudur. (x0, y0)’daki ∂ƒ@∂x kısmi türevi, y değişkeni y0 değerinde sabit tutulurken ƒ’nin x’e göre değişim oranıdır. Bu (x0, y0)’da ƒ’ nin i yönündeki değişim oranıdır. Bir kısmi türevin gösterimi neyi vurgulamak istediğimize bağlıdır: 0ƒ sx , y d veya ƒxsx0 , y0 d “ƒ’nin (x0, y0)’da x’e göre türevi” veya “(x0, y0) da ƒ altı x.” 0x 0 0 (x0, y0) noktasını vurgulamak için uygundur. 0z ` 0x sx0, y0d ƒx, 0ƒ 0z , z , veya 0x x 0x “z’nin (x0, y0)’da x’e göre kısmi türevi.” Bilim ve mühendislikte değişkenlerle uğraşmak ve fonksiyonu açık olarak belirtmemek için yaygın olarak kullanılır. “ƒ’nin (veya z’nin) x’e göre kısmi türevi.” Kısmi türeve kendisi de bir fonksiyonmuş gibi bakıyorsanız uygundur. 986 Bölüm 14: K›smi Türevler x x0 düzleminde dikey eksen ƒ(x, y)’nin bir (x0, y0) noktasında y’ye göre kısmi türevinin tanımı ƒ’nin x’e göre kısmi türevinin tanımına benzerdir. x’i bir x0 noktasında sabit tutar ve ƒ(x0, y)’nin y0’da y’ye göre normal türevini alırız. z Teğet doğru TANIM y’ye Göre K›smi Türev ƒ(x, y)’nin (x0, y0) noktasında y’ye göre kısmi türevi, limitin var olması şartıyla P(x0, y0, f(x0, y0)) 0ƒ ƒsx0 , y0 + hd - ƒsx0 , y0 d d , ` = ƒsx0 , yd ` = lim 0y sx0, y0d dy h h:0 y = y0 z f(x, y) olarak tanımlanır. 0 x0 y0 x (x0, y0) y (x0, y0 k) x x0 düzleminde z f(x0, y) eğrisi x x0 düzleminde yatay eksen fiEK‹L 14.14 x = x0 düzlemininin z = ƒ(x, y) yüzeyi ile kesişiminin, xy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinden görünüşü. z = ƒ(x0, y) eğrisinin dikey x = x0 düzleminde P(x0, y0, ƒ(x0, y0)) noktasındaki (Şekil 14.14 ) eğimi, ƒ’nin (x0, y0)’da y’ye göre kısmi türevidir. Eğrinin P’deki teğeti ise x = x0 düzleminde P’den bu eğimle geçen doğrudur. Kısmi türev, x-değişkeni x0 değerinde sabit tutulurken ƒ’nin (x0, y0)’da y’e göre değişim oranıdır. Bu, (x0, y0)’da ƒ’nin j yönündeki değişim oranıdır. y’ye göre kısmi türev, x’e göre kısmi türevle aynı şekilde gösterilir: 0ƒ sx , y d, 0y 0 0 ƒysx0 , y0 d, 0ƒ , 0y ƒy . Elimizde, P(x0, y0, ƒ(x0, y0)) noktasında z = ƒ(x, y) düzlemiyle ilgili iki tane teğet bulunduğuna dikkat edin (Şekil 14.15). Bunların belirledikleri düzlem yüzeye P’de teğet midir? Öyle olduğunu göreceğiz, ama neden böyle olduğunu bulmadan önce kısmi türevler hakkında daha fazla şey öğrenmemiz gerekir. z Bu teğetin eğimi fy(x0, y0)’dır. P(x0, y0, f(x0, y0)) x x0 düzleminde z f(x0, y) eğrisi Bu teğetin eğimi fx(x0, y0)’dır. y y0 düzleminde z f(x, y0) eğrisi z f(x, y) x y y0 (x0, y0) x x0 y fiEK‹L 14.15 Şekil 14.13 ve 14.14’ün birleşmiş hali (x0, y0, ƒ(x0, y0)) noktasındaki teğetler, en azından bu resimde, yüzeye teğet olan bir düzlem belirlemektedir. 14.3 K›smi Türevler 987 Hesaplamalar ∂ƒ@∂x ve ∂ƒ@∂y’nin tanımları ƒ’nin bir noktada türetilmesi için iki farklı yol verir: y’ye bir sabit gibi davranarak x’e göre her zamanki gibi türev ve x’e bir sabit gibi davranarak y’ye göre her zamanki gibi türev. Aşağıdaki örneklerin gösterdikleri gibi bu kısmi türevlerin değerleri verilen bir (x0, y0) noktasında genellikle farklıdırlar. ÖRNEK 1 Bir Noktada K›smi Türevlerin Bulunmas› ise (4, –5) noktasında ∂ƒ@∂x ve ∂ƒ@∂y değerlerini bulun: ƒsx, yd = x 2 + 3xy + y - 1. Çözüm ∂ƒ@∂x’i bulmak için, y’ye bir sabit olarak bakar ve x’e göre türev alırız: 0ƒ 0 2 sx + 3xy + y - 1d = 2x + 3 # 1 # y + 0 - 0 = 2x + 3y. = 0x 0x ∂ƒ@∂x’in (4, –5)’teki değeri 2(4) + 3(–5) = –7’dir. ∂ƒ@∂y’yi bulmak için, x’e bir sabit olarak bakar ve y’ye göre türev alırız: 0ƒ 0 2 sx + 3xy + y - 1d = 0 + 3 # x # 1 + 1 - 0 = 3x + 1. = 0y 0y ∂ƒ@∂y’nin (4, –5)’teki değeri 3(4) + 1 = 13’tür. ÖRNEK 2 Bir K›smi Türevi Bir Fonksiyon Olarak Bulmak ƒ(x, y) = y sin xy ise ∂ƒ@∂y’yi bulun. Çözüm x’e bir sabit, ƒ’ye de y ve sin xy’nin bir çarpımı olarak bakarız: 0ƒ 0 0 0 s y sin xyd = y sin xy + ssin xyd s yd = 0y 0y 0y 0y = s y cos xyd TEKNOLOJ‹ KULLANMAK 0 sxyd + sin xy = xy cos xy + sin xy. 0y K›smi Türev Alma Basit bir grafik çizicisi hesaplamalarınızı çok boyutta bile destekleyebilir. Bir tek değişken dışındaki bütün değişkenlerin değerlerini belirlerseniz, grafik çiziciniz kısmi türevleri hesaplayıp, kalan değişkene göre izleri çizebilir. Tipik olarak bir Bilgisayarlı Cebir Sistemi kısmi türevleri sembolik ve sayısal olarak basit türevler kadar kolaylıkla hesaplayabilir. Çoğu sistem değişken sayısına bakmaksızın, bir fonksiyonun türevini almak için aynı komutu kullanır (Sadece hangi değişkene göre türev almak istediğinizi belirtin). ÖRNEK 3 K›smi Türevler Farkl› Fonksiyonlar Olabilirler ƒsx, yd = ise ƒx ve ƒy’yi bulun. 2y . y + cos x 988 Bölüm 14: K›smi Türevler Çözüm ƒ’ye bir bölüm olarak bakarız. y’yi bir sabit olarak alırsak, 0 0 s y + cos xd s2yd - 2y s y + cos xd 2y 0x 0x 0 b = ƒx = a 0x y + cos x s y + cos xd2 s y + cos xds0d - 2ys -sin xd = 2y sin x = s y + cos xd2 s y + cos xd2 . buluruz. x’e bir sabit olarak bakmakla 2y 0 ƒy = a b = 0y y + cos x s y + cos xd s y + cos xd2 s y + cos xds2d - 2ys1d = s y + cos xd2 0 0 s2yd - 2y s y + cos xd 0y dy = 2 cos x . s y + cos xd2 Kapalı türev alma, sıradaki örnekte görüleceği gibi, kısmi türev alma için de normal türev almada olduğu gibidir. ÖRNEK 4 Kapal› Türev Alma yz - ln z = x + y denklemi z’yi x ve y’nin iki bağımsız değişkenli bir fonksiyonu olarak tanımlıyorsa, ve kısmi türev varsa, ∂z@∂x’i bulun. Çözüm y’yi sabit olarak tutup, z’ye x’in türetilebilir bir fonksiyonu gibi bakarak, denklemin iki tarafının da x’e göre türevini alırız: 0y 0x 0 0 + s yzd ln z = 0x 0x 0x 0x z y z x2 y2 yüzeyi x1 düzlemi Teğet doğru (1, 2, 5) 2 y x x1 fiEK‹L 14.16 x = 1 düzlemi ile z = x2 + y2 yüzeyinin kesişim eğrisinin (1, 2, 5) noktasındaki teğeti (Örnek 5). 1 0z = 1 ay - z b 0x y-sabitken, 0 0z s yzd = y . 0x 0x 0z z = . 0x yz - 1 ÖRNEK 5 1 0z 1 0z - z = 1 + 0 0x 0x Bir Yüzeyin y-Yönündeki E¤imini Bulmak x = 1 düzlemi z = x2 + y2 paraboloidiyle bir parabol üzerinde kesişir. Parabolün (1, 2, 5) noktasındaki teğetinin eğimini bulun (Şekil 14.16). Çözüm Eğim, ∂z@∂y kısmi türevinin (1, 2)’deki değeridir: 0z 0 2 ` = sx + y 2 d ` = 2y ` = 2s2d = 4. 0y s1,2d 0y s1,2d s1,2d 14.3 K›smi Türevler 989 Kontrol için, parabole x = 1 düzlemindeki tek-değişkenli z = (1)2 + y2 = 1 + y2 fonksiyonu olarak bakabilir ve y = 2’deki eğimi sorabiliriz. Şimdi normal bir türev olarak hesaplanan eğim dz d ` = s1 + y 2 d ` = 2y ` = 4. dy y = 2 dy y=2 y=2 olarak bulunur. ‹kiden Fazla De¤iflkenli Fonksiyonlar İkiden fazla değişkenli fonksiyonların kısmi türevlerinin tanımları iki değişkenli fonksiyonların kısmi türevlerinin tanımına benzer. Diğer bağımsız değişkenler sabit tutularak, bir bağımsız değişkene göre alınan normal türevlerdir. ÖRNEK 6 Üç De¤iflkenli Bir Fonksiyon x, y ve z bağımsız değişkenler ve ƒ(x, y, z) = x sin (y + 3z) ise, 0ƒ 0 0 = [x sin s y + 3zd] = x sin s y + 3zd 0z 0z 0z = x cos s y + 3zd 0 s y + 3zd = 3x cos s y + 3zd. 0z bulunur. R1 ÖRNEK 7 R2 R1, R2 ve R3 dirençleri R ohmlu bir direnç oluşturacak şekilde paralel olarak bağlanırlarsa, R’nin değeri 1 1 1 1 = + + R R1 R2 R3 denkleminden bulunabilir (Şekil 14.17). R1 = 30, R2 = 45 ve R3 = 90 ohm iken, ∂R@∂R2’nin değerini bulun. R3 Paralel Ba¤l› Elektrik Dirençleri ∂R@∂R2’yi bulmak için, R1 ve R3’e sabit olarak bakar ve kapalı türetmeyi kullanarak denkleminin iki tarafının da R2’ye göre türevini alırız: Çözüm fiEK‹L 14.17 Bu şekilde düzenlenen dirençlere paralel bağlı denir (Örnek 7). Her direnç akımın bir kısmını geçirir. Toplam direnç R 1 1 1 1 + + . = R R1 R2 R3 formülüyle hesaplanır. 0 0 1 1 1 1 a b = a + + b 0R2 R 0R2 R1 R2 R3 - 1 0R 1 = 0 - 2 + 0 R 2 0R2 R2 2 0R R2 R = 2 = a b . 0R2 R2 R2 R1 = 30, R2 = 45 ve R3 = 90 iken, 3 + 2 + 1 6 1 1 1 1 1 = + + = = = , R 30 45 90 90 90 15 990 Bölüm 14: K›smi Türevler ve dolayısıyla R = 15 bulunur. Buradan 2 2 15 0R 1 1 = a b = a b = . 0R2 45 3 9 elde edilir. K›smi Türevler ve Süreklilik Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun bir noktada, orada sürekli olması gerekmeden, hem x hem de y’ye göre kısmi türevleri var olabilir. Bu, bir türevin varlığının sürekliliği gerektirdiği tek değişkenli fonksiyonlardan farklıdır. Ancak, ƒ(x, y)’nin kısmi türevleri varsa ve merkezi (x0, y0)’da bulunan bir daire içinde sürekli iseler, bir sonraki bölümde göreceğimiz gibi, ƒ fonksiyonu (x0, y0)’da süreklidir. z 0, xy 0 1, xy 0 ÖRNEK 8 K›smi Türevler Var, Fakat ƒ Süreksiz ƒsx, yd = e z L1 0, 1, xy Z 0 xy = 0 1 olsun (Şekil 14.18). 0 L2 (a) (x, y) noktası y = x doğrusu üzerinden (0, 0)’a yaklaşırken ƒ’nin limitini bulun. (b) ƒ’nin orijinde sürekli olmadığını gösterin. (c) Orijinde, ∂ƒ@∂x ve ∂ƒ@∂y kısmi türevlerinin ikisinin de var olduğunu gösterin. y Çözüm x (a) ƒ(x, y), y = x doğrusu boyunca (orijin hariç) sabit olarak sıfır olduğundan fiEK‹L 14.18 ƒsx, yd = e 0, 1, xy Z 0 xy = 0 fonksiyonunun grafiği L1 ve L2 doğruları ile xy-düzleminin dört tane açık dörtte bir bölgesinden oluşur. Fonksiyonun orijinde kısmi türevleri vardır, ama orada sürekli değildir (Örnek 8). lim sx, yd:s0,0d ƒsx, yd ` = y=x lim 0 = 0. sx, yd:s0,0d dır. (b) ƒ(0, 0) = 1 olduğundan (a)’daki limit fonksiyonun (0, 0)’da sürekli olmadığını gösterir. (c) (0, 0)’da ∂ƒ@∂x’i bulmak için y’yi y = 0’da sabit olarak tutarız. Bu durumda, her x için ƒ(x, y) = 1 dir ve ƒ’nin grafiği Şekil 14.18’deki L1 doğrusudur. Bu doğrunun herhangi bir x noktasındaki eğimi ∂ƒ@∂x = 0 dır. Özel olarak, (0, 0)’da ∂ƒ@∂x = 0’dır. Benzer şekilde, herhangi bir y noktasında L2 doğrusunun eğimi ∂ƒ@∂y’dir. Dolayısıyla, (0, 0)’da ∂ƒ@∂y = 0’dır. Örnek 8’e rağmen, bir noktadaki diferansiyellenebilmenin sürekliliği gerektirmesi, yüksek boyutlarda hala geçerlidir. Örnek 8, yüksek boyutlarda diferansiyellenebilme için kısmi türevlerin varlığından ziyade daha güçlü bir koşulun gerektiğini gösterir. İki değişkenli fonksiyonların diferansiyellenebilmesini bu bölümün sonunda tanımlıyor ve süreklilikle olan bağlantısını tekrar ele alıyoruz. ‹kinci Mertebe K›smi Türevler Bir ƒ(x, y) fonksiyonun iki kere türevini aldığımızda, ikinci mertebeden türevlerini elde ederiz. Bu türevler genellikle aşağıdaki gibi gösterilir: 0 2ƒ 0x 2 0 2ƒ 0y 2 “d“dkare ƒdx kare” squared ƒdx squared” veya or “ƒ sub altı xx” ƒxx ƒxx “ƒ “d kare squared squared” “d ƒdy ƒdy kare” ƒyyƒyy “ƒ “ƒ altı subyy” yy” veyaor 14.3 K›smi Türevler 0 2ƒ 0x0y “d“dkare ƒdx dy” squared ƒdx dy” veyaor ƒyxƒyx “ƒ altı “ƒ yx” sub yx” 0 2ƒ 0y0x “d“dkare ƒdy dx” squared ƒdy dx” veyaor ƒxyƒxy “ƒ altı “ƒxy” sub xy” 991 Bunları tanımlayan denklemler 0 2ƒ 0x = 2 0 2ƒ 0 0ƒ = a b, 0x0y 0x 0y 0 0ƒ a b, 0x 0x şeklindedir. Türevlerin alındığı sıraya dikkat edin: 0 2ƒ 0x0y Önce y’ye göre, sonra göre türev alın. with respect to x. Differentiate first withx’e respect to y, then ƒyx = (ƒy)x Aynı anlama gelir. TARİHSEL BİYOGRAFİ ÖRNEK 9 ‹kinci Mertebeden K›smi Türevleri Bulmak Pierre-Simon Laplace (1749–1827) ƒ(x, y) = x cos y + yex ise, 0 2ƒ 0x , 2 0 2ƒ , 0y0x 0 2ƒ 0y , 2 ve and 0 2ƒ . 0x0y türevlerini bulun. Çözüm 0ƒ 0 = sx cos y + ye x d 0x 0x 0ƒ 0 = sx cos y + ye x d 0y 0y = cos y + ye x Buradan 0 2ƒ 0 0ƒ = a b = -sin y + e x 0y0x 0y 0x = -x sin y + e x Buradan 0 2ƒ 0 0ƒ = a b = -sin y + e x 0x0y 0x 0y 0 2ƒ 0 2ƒ 2 = 0x bulunur. 0 0ƒ a b = ye x. 0x 0x 0y 2 = 0 0ƒ a b = -x cos y. 0y 0y Kar›fl›k Türev Teoremi Örnek 9’daki 0 2ƒ 0y0x ve and 0 2ƒ 0x0y ikinci-mertebe “karışık” türevlerinin eşit olduğunu fark etmiş olabilirsiniz. Bu bir rastlantı değildi. Her ne zaman ƒ, ƒx, ƒy, ƒxy ve ƒyx sürekli ise, bunlar eşit olmalıdır. TEOREM 2 Kar›fl›k Türev Teoremi ƒ(x, y) ve ƒx, ƒy, ƒxy ve ƒyx kısmi türevleri bir (a, b) noktasını içeren açık bir bölge üzerinde tanımlıysalar ve hepsi (a, b)’de sürekli ise, ƒxy(a, b) = ƒyx(a, b) olur. 992 Bölüm 14: K›smi Türevler TARİHSEL BİYOGRAFİ Alexis Clairaut (1713–1765) Teorem 2, onu ortaya atan Fransız matematikçi Alexis Clairaut’nun adına Clairaut Teoremi olarak da bilinmektedir. Bir ispatı Ek 7’de verilmiştir. Teorem 2, ikinci-mertebeden karışık bir türev hesaplamak için, süreklilik koşullarının sağlanması şartıyla, türevi her iki sırada da alabileceğimizi söyler. Bu yararımıza olabilir. ÖRNEK 10 Türev Alma S›ras›n› Seçmek w = xy + ey . y + 1 2 ise, ∂2w@∂x∂y’yi bulun. ∂2w@∂x∂y sembolü bize önce y’ye, sonra da x’e göre türev almamızı söyler. Ancak, y’ye göre türev almayı erteler ve önce x’e göre türev alırsak, yanıtı daha kolay bulabiliriz. İki adımda, Çözüm 0w = y 0x ve and 0 2w = 1. 0y0x buluruz. İlk önce y’ye göre türev alırsak yine ∂2w@∂x∂y = 1 buluruz. Daha da Yüksek Mertebeli Türevler Çoğunlukla, uygulamalarda daha sık ortaya çıktıkları için, birinci ve ikinci mertebeden türevlerle uğraşacağımız halde, söz konusu türevler var oldukları sürece, bir fonksiyonun kaç kere türevini alabileceğimiz hakkında teorik bir sınır yoktur. Üçüncü ve dördüncü mertebe türevler aşağıdaki gibi sembollerle gösterilir: 0 3ƒ 0x0y 2 0 4ƒ 0x 20y 2 = ƒyyx = ƒyyxx , vs... İkinci mertebeden türevlerde olduğu gibi, söz konusu mertebeye kadar olan bütün türevler sürekli oldukları sürece, türev almanın sırası önemli değildir. ÖRNEK 11 Dördüncü Mertebeden Bir K›smi Türev Hesaplamak ƒ(x, y, z) = 1 – 2xy2z + x2y ise ƒyxyz türevini bulun. Çözüm Önce y değişkenine, sonra x, sonra tekrar y ve son olarak z’ye göre türev alırız: ƒy = -4xyz + x 2 ƒyx = -4yz + 2x ƒyxy = -4z ƒyxyz = -4 14.3 K›smi Türevler 993 Diferansiyellenebilme Diferansiyellenebilmenin başlangıç noktası Fermat’nın farklar oranı değil, daha çok artım fikridir. Bölüm 3.8’deki tek değişkenli fonksiyonlarla çalışmalarımızdan, y = ƒ(x) fonksiyonu x = x0’da diferansiyellenebilirse, x’i x0’dan x0 + Δx’e değiştirmekten kaynaklanan ƒ’nin değerindeki değişikliğin, Δx → 0 iken → 0 olmak üzere, ¢y = ƒ¿sx0 d¢x + P¢x şeklinde bir denklemle verildiğini hatırlayacaksınız. İki değişkenli fonksiyonlar için, benzer özellik diferansiyellenebilmenin tanımı halini alır. Artım Teoremi (ileri analizden) bu özelliğin geçerli olmasını ne zaman beklememiz gerektiğini söyler. TEOREM 3 ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar için Art›m Teoremi ƒ(x, y)’nin birinci kısmi türevlerinin, (x0, y0) noktasını içeren açık bir R bölgesinde tanımlı olduklarını ve ƒx ve ƒy’nin (x0, y0)’da sürekli olduklarını varsayın. Bu durumda, (x0, y0)’dan R’deki başka bir (x0 + Δx, y0 + Δy) noktasına ilerlemekten dolayı ƒ’de oluşacak ¢z = ƒsx0 + ¢x, y0 + ¢yd - ƒsx0 , y0 d değişikliği, Δx, Δy → 0 iken, 1, 2 → 0 olmak üzere, ¢z = ƒxsx0 , y0 d¢x + ƒysx0 , y0 d¢y + P1 ¢x + P2 ¢y, şeklinde bir denklemi sağlar. Ek 7’deki ispatta, epsilonların nereden geldiğini görebilirsiniz. Ayrıca, ikiden fazla değişkenli fonksiyonlar için de benzer sonuçların geçerli olduğunu göreceksiniz. TANIM Diferansiyel Fonksiyon Bir z = ƒ(x, y) fonksiyonu için ƒx(x0, y0) ve ƒy(x0, y0) varsa ve Δz, ¢z = ƒxsx0 , y0 d¢x + ƒysx0 , y0 d¢y + P1 ¢x + P2 ¢y, şeklindeki bir denklemi Δx, Δy → 0 iken 1, 2 → 0 olmak üzere sağlarsa, z = ƒ(x, y) fonksiyonu (x0, y0)’da diferansiyellenebilirdir. Tanım kümesinin her noktasında diferansiyellenebilirse, ƒ’ye diferansiyellenebilir deriz. Bu tanım ışığında, Teorem 3’ten, birinci türevleri sürekli ise, ƒ’nin diferansiyellenebilir olduğu sonucunu hemen çıkarabiliriz. TEOREM 3’ün SONUCU K›smi Türevlerin Süreklili¤i Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ƒx ve ƒy kısmi türevleri açık bir R bölgesinde sürekli iseler, ƒ fonksiyonu R’nin her noktasında diferansiyellenebilirdir. 994 Bölüm 14: K›smi Türevler z = ƒ(x, y) fonksiyonu diferansiyellenebilir ise diferansiyellenebilme tanımı, Δx ve Δy 0’a yaklaşırken, Δz = ƒ(x0 + Δx, y0 + Δy) – ƒ(x0, y0) değerinin sıfıra gitmesini garantiler. Bu bize bir ƒ(x, y) fonksiyonunun diferansiyellenebildiği her noktada sürekli olduğunu söyler. TEOREM 4 Diferansiyellenebilirlik Süreklili¤i Gerektirir Bir ƒ(x, y) fonksiyonu (x0, y0)’da diferansiyellenebilir ise (x0, y0)’da süreklidir. ƒ fonksiyonu Teorem 3 ve 4’ten görebileceğimiz gibi, ƒx ve ƒy kısmi türevleri (x0, y0)’ı içeren açık bir bölgede sürekliyseler, ƒ(x, y) fonksiyonu (x0, y0) noktasında sürekli olmak zorundadır. Ama, Örnek 8’de gördüğümüz gibi, iki değişkenli bir fonksiyon için birinci-mertebeden kısmi türevlerin var olduğu bir noktada, fonksiyonun süreksiz olabileceğini hatırlayın. Varlık tek başına yeterli değildir. ALIfiTIRMALAR 14.3 Birinci-Mertebe K›smi Türevleri Hesaplama 27. ƒsx, y, zd = sin-1 sxyzd 1–22 alıştırmalarında, ∂ƒ@∂x ve ∂ƒ@∂y’yi hesaplayın. 29. ƒsx, y, zd = ln sx + 2y + 3zd 1. ƒsx, yd = 2x 2 - 3y - 4 2. ƒsx, yd = x 2 - xy + y 2 2 2 2 31. ƒsx, y, zd = e -sx + y + z d 32. ƒsx, y, zd = e-xyz 3. ƒsx, yd = sx 2 - 1ds y + 2d 33. ƒsx, y, zd = tanh sx + 2y + 3zd 4. ƒsx, yd = 5xy - 7x 2 - y 2 + 3x - 6y + 2 2 30. ƒsx, y, zd = yz ln sxyd 28. ƒsx, y, zd = sec-1 sx + yzd 34. ƒsx, y, zd = sinh sxy - z 2 d 3 5. ƒsx, yd = sxy - 1d 6. ƒsx, yd = s2x - 3yd 7. ƒsx, yd = 2x 2 + y 2 8. ƒsx, yd = sx 3 + s y>2dd2>3 9. ƒsx, yd = 1>sx + yd 10. ƒsx, yd = x>sx 2 + y 2 d 35–40 alıştırmalarında, fonksiyonun her değişkene göre kısmi türevini bulun. 11. ƒsx, yd = sx + yd>sxy - 1d 12. ƒsx, yd = tan-1 s y>xd 35. ƒst, ad = cos s2pt - ad 36. g su, yd = y2e s2u>yd 13. ƒsx, yd = e sx + y + 1d 14. ƒsx, yd = e-x sin sx + yd 37. hsr, f, ud = r sin f cos u 38. g sr, u, zd = r s1 - cos ud - z 15. ƒsx, yd = ln sx + yd 16. ƒsx, yd = e xy ln y 39. Kalbin yaptığı iş 2 2 17. ƒsx, yd = sin sx - 3yd 18. ƒsx, yd = cos s3x - y d 19. ƒsx, yd = x y 20. ƒsx, yd = logy x y 21. ƒsx, yd = Lx t değerinde sürekli) g std dt (g, sg her continuous for all td q 22. ƒsx, yd = a sxyd n (Bölüm 3.8, Alıştırma 51) 2 s ƒ xy ƒ 6 1d WsP, V, d, y, gd = PV + 40. Wilson miktar formülü Vdy 2 2g (Bölüm 4.5, Alıştırma 45) hq km Asc, h, k, m, qd = q + cm + 2 n=0 23–34 alıştırmalarında, ƒx, ƒy ve ƒz’yi bulun. 23. ƒsx, y, zd = 1 + xy 2 - 2z 2 24. ƒsx, y, zd = xy + yz + xz 25. ƒsx, y, zd = x - 2y + z 2 2 26. ƒsx, y, zd = sx 2 + y 2 + z 2 d-1>2 ‹kinci-Mertebeden K›smi Türevleri Hesaplamak 41–46 alıştırmalarındaki fonksiyonların bütün ikinci mertebe kısmi türevlerini bulun. 41. ƒsx, yd = x + y + xy 42. ƒsx, yd = sin xy 14.3 43. g sx, yd = x 2y + cos y + y sin x 44. hsx, yd = xe y + y + 1 45. r sx, yd = ln sx + yd Kar›fl›k K›smi Türevler 47–50 alıştırmalarında, wxy = wyx olduğunu doğrulayın. 48. w = e x + x ln y + y ln x 47. w = ln s2x + 3yd 2 3 995 olarak tanımlıyorsa ve kısmi türev varsa, (1, 1, 1)’ de ∂z@∂x’in değerini bulun. 58. xz + y ln x – x2 + 4 = 0 46. ssx, yd = tan-1 s y>xd 2 K›smi Türevler 3 4 49. w = xy + x y + x y denklemi x’i iki bağımsız y ve z değişkeninin bir fonksiyonu olarak tanımlıyorsa ve kısmi türev varsa, (1, –1, –3)’te ∂x@∂z’nin değerini bulun. 59 ve 60 alıştırmaları aşağıdaki üçgenle ilgilidir. 50. w = x sin y + y sin x + xy 51. Hangi türev alma sırası ƒxy’yi daha hızlı hesaplar: önce x mi, yoksa önce y mi? Yazmadan yanıtlamaya çalışın. a. ƒsx, yd = x sin y + e B c y a b. ƒsx, yd = 1>x C c. ƒsx, yd = y + sx>yd A b d. ƒsx, yd = y + x 2y + 4y 3 - ln s y 2 + 1d e. ƒsx, yd = x 2 + 5xy + sin x + 7e x f. ƒsx, yd = x ln xy 52. Aşağıdaki fonksiyonların her biri için beşinci-mertebe kısmi türev ∂5ƒ@∂x2∂y3 sıfırdır. Bunu en kısa yoldan göstermek için, önce hangi değişkene göre türev alırsınız: x’e mi, y’ye mi? Yazmadan yanıtlamaya çalışın. a. ƒsx, yd = y 2x 4e x + 2 b. ƒsx, yd = y2 + yssin x - x4 d c. ƒsx, yd = x 2 + 5xy + sin x + 7e x d. ƒsx, yd = xe y >2 2 K›smi Türev Tan›m›n› Kullanmak 53 ve 54 alıştırmalarında, fonksiyonların belirlenen noktalardaki kısmi türevlerini hesaplamak için kısmi türevin limit tanımını kullanın. 0ƒ 0ƒ∂ƒ ∂ƒ 53. ƒsx, yd = 1 - x + y - 3x 2y, (1, 2)’de and —–at s1, 2d ve —– 0x 0y∂x ∂y ∂ƒ 0ƒ 0ƒ∂ƒ —– and at sve-2, 1d 0x 0y∂x ∂y 2 (–2, 1)’de —– 54. ƒsx, yd = 4 + 2x - 3y - xy , 55. Üç Değişken w = ƒ(x, y, z) üç bağımsız değişkenli bir fonksiyon olsun. (x0, y0, z0) noktasında ∂ƒ@∂z kısmi türevinin formel tanımını yazın. Bu tanımı kullanarak ƒ(x, y, z) = x2yz2 için (1, 2, 3)’te ∂ƒ@∂z’yi bulun. 56. Üç Değişken w = ƒ(x, y, z) üç bağımsız değişkenli bir fonksiyon olsun. (x0, y0, z0) noktasında ∂ƒ@∂y kısmi türevinin formel tanımını yazın. Bu tanımı kullanarak ƒ(x, y, z) = –2xy2 + yz2 için (–1, 0, 3)’te ∂ƒ@∂y ’yi bulun. Kapal› Türev Alma 57. xy + z3x – 2yz = 0 denklemi z’yi iki bağımsız x ve y değişkeninin bir fonksiyonu 59. A’yı kapalı olarak a, b ve c’nin bir fonksiyonu olarak tanımlayın ve ∂A@∂a ve ∂A@∂b’yi hesaplayın. 60. a’yı kapalı olarak A, b ve B’nin bir fonksiyonu olarak tanımlayın ve ∂a@∂A ve ∂a@∂B’yi hesaplayın. 61. İki Bağlı Değişken x = y ln u ve y = u ln y denklemleri, u ve y’yi iki bağımsız değişken x ve y’nin fonksiyonları olarak tanımlıyorsa ve yx varsa, yx’i u ve y cinsinden ifade edin. (İpucu: İki denklemin de x’e göre türevlerini alın ve ux’i eleyerek yx’i çözün.) 62. İki Bağlı Değişken u = x2 – y2 ve y = x2 – y denklemleri x ve y’yi iki bağımsız değişken u ve y’nin fonksiyonu olarak tanımlıyorsa ve kısmi türevler varsa, ∂x@∂u ve ∂y@∂u’yu bulun (Alıştırma 61’deki ipucuna bakın). Sonra s = x2 + y2 alın ve ∂s@∂u’ yu bulun. Laplace Denklemleri Üç boyutlu Laplace denklemi 0 2ƒ 0x 2 0 2ƒ + 0y 0 2ƒ 2 + 0z 2 = 0 uzayda durağan-durum sıcaklık dağılımları T = ƒ(x, y, z), gravitasyonel potansiyeller ve elektrostatik potansiyeller tarafından sağlanır. Bu denklemdeki ∂2ƒ@∂z2 terimi atılarak elde edilen iki-boyutlu Laplace denklemi 0 2ƒ 0x + 2 0 2ƒ 0y 2 = 0, bir düzlemdeki potansiyelleri ve durağan durum dağılımlarını tanımlar (Şekle bakın). (a)’daki düzleme (b)’deki katı cismin z-eksenine dik olan ince bir dilimi olarak bakılabilir. 996 Bölüm 14: K›smi Türevler ∂2f ∂2f 2 0 2 x y içinde periyodik dikey bir hareket görürüz. Fizikte, bu güzel simetri, w dalga yüksekliği, x uzaklık değişkeni, t zaman değişkeni ve c de dalgaların ilerleme hızı olmak üzere bir boyutlu dalga denklemiyle ifade edilir: (a) 0 2w 0 2w = c2 2 , 2 0t 0x w ∂2f ∂2f ∂2f 2 20 2 x y z x (b) x Örneğimizde, x okyanusun yüzeyi boyunca olan uzaklıktır, ama başka uygulamalarda, x titreşen bir ipteki uzaklık, havadaki uzaklık (ses dalgaları) veya uzaydaki uzaklık (ışık dalgaları) olabilir. c sayısı ortama ve dalga cinsine göre değişir. 69–75 alıştırmalarındaki fonksiyonların hepsinin dalga denkleminin çözümleri olduğunu gösterin. Sınır sıcaklıkları kontrol edilmektedir. 69. w = sin sx + ctd 63–68 alıştırmalarındaki her fonksiyonun bir Laplace denklemini sağladığını gösterin. 63. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 - 2z 2 70. w = cos s2x + 2ctd 71. w = sin sx + ctd + cos s2x + 2ctd 72. w = ln s2x + 2ctd 73. w = tan s2x - 2ctd 74. w = 5 cos s3x + 3ctd + e x + ct 64. ƒsx, y, zd = 2z 3 - 3sx 2 + y 2 dz 75. w = ƒ(u), burada ƒ, u’nun diferansiyellenebilir bir fonksiyonu ve a bir sabit olmak üzere u = a(x + ct) dir. 65. ƒsx, yd = e-2y cos 2x 66. ƒsx, yd = ln2x 2 + y 2 67. ƒsx, y, zd = sx 2 + y 2 + z 2 d-1>2 Sürekli K›smi Türevler 68. ƒsx, y, zd = e 3x + 4y cos 5z 76. Açık bir R bölgesinde birinci kısmi türevleri sürekli olan bir ƒ(x, y) fonksiyonunun R’de sürekli olması gerekir mi? Yanıtınızı açıklayın. Dalga Denklemi Bir okyanus kıyısında durur ve dalgaların bir resmini çekersek, resim bir zaman anında düzgün bir tepe ve vadi şekli gösterir. Uzayda, mesafeye göre, periyodik bir dikey hareket görürüz. Suda durursak, dalgalar geçerken, suyun yükselip alçalmasını hissedebiliriz. Zaman 77. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ikinci mertebe kısmi türevleri açık bir R bölgesinde sürekli ise, ƒ’nin birinci mertebe kısmi türevlerinin R’de sürekli olmaları gerekir mi? Yanıtınızı açıklayın. 14.4 Zincir Kural› Bölüm 3.5’te, tek değişkenli fonksiyonlar için incelemiş olduğumuz Zincir Kuralı, w = ƒ(x) x’in türetilebilen bir fonksiyonu ve x = g(t) de t’nin türetilebilen bir fonksiyonu olduğunda, w’nun t’ nin türetilebilen bir fonksiyonu haline geldiğini ve dw@dt’nin dw dw dx = . dt dx dt formülüyle hesaplanabileceğini söylemişti. 14.4 Zincir Kural› 997 İki veya daha fazla değişkenli fonksiyonlar için Zincir Kuralının birkaç formu vardır. Form, kaç değişkenin söz konusu olduğuna bağlıdır. Fakat, ilave değişkenlerin varlığını idrak ettiğimizde Bölüm 3.5’teki Zincir Kuralı gibi çalışır. ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar x = x(t) ve y = y(t) t’nin türetilebilir fonksiyonları iken w = ƒ(x, y) fonksiyonu için Zincir Kuralı aşağıdaki teoremde verilmektedir. TEOREM 5 ‹ki Ba¤›ms›z De¤iflkenli Fonksiyonlar ‹çin Zincir Kural› w = ƒ(x, y) fonksiyonunun ƒx ve ƒy kısmi türevleri sürekli ise ve x = x(t), y = y(t) t’nin türetilebilir fonksiyonları ise w = ƒ(x(t), y(t)) bileşkesi t’nin türetilebilir bir fonksiyonudur ve dƒ = ƒxsxstd, ystdd # x¿std + ƒysxstd, ystdd # y¿std, dt veya 0ƒ dx 0ƒ dy dw = + . 0x 0y dt dt dt olur. ‹spat x ve y t = t0’da türetilebiliyorlarsa, w’nun da t0’da türetilebildiğini ve P0 = (x(t0), y(t0)) olmak üzere a Zincir Kuralını hatırlamanın yolu aşağıdaki diyagramı çizmektir. dw@dt’yi bulmak için, w’dan başlayın ve t’ye giden her yolu, yoldaki türevleri çarparak, okuyun. Sonra çarpımları toplayın. Zincir Kuralı w f(x, y) 0w 0x olduğunu göstermekten ibarettir. Δx, Δy ve Δw, t’yi t0’dan t0 + Δt’ye değiştirmekten kaynaklanan artımlar olsun. ƒ diferansiyellenebilir olduğundan (Bölüm 14.3’teki tanıma bakın), Δx, Δy → 0 iken 1, 2 → 0 olmak üzere, ¢w = a ¢y ¢y ¢w 0w ¢x 0w ¢x = a b + a b + P1 + P2 . 0x P0 ¢t 0y P0 ¢t ¢t ¢t ¢t ve Δt’yi sıfıra götürmek a y Ara değişkenler x dx dt dw ¢w b = lim dt t0 ¢t:0 ¢t = a dy dt t dw 0w dx 0w dy dt 0x dt 0y dt 0w 0w b ¢x + a b ¢y + P1 ¢x + P2 ¢y, 0x P0 0y P0 olur. dw@dt’yi bulmak için bu denklemini Δt ile böler ve Δt’yi sıfıra götürürüz. Bölüm Bağlı değişken 0w 0y dy dw 0w dx 0w b = a b a b + a b a b , 0x P0 dt t0 0y P0 dt t0 dt t0 Bağımsız değişken dy dy 0w dx 0w dx b a b + a b a b + 0# a b + 0# a b . 0x P0 dt t0 0y P0 dt t0 dt t0 dt t0 verir. Yandaki ağaç diyagramı Zincir Kuralını hatırlamak için uygun bir yol sunar. Diyagramdan t = t0 iken, dx@dt ve dy@dt türevlerinin t0’da hesaplandıklarını görüyorsunuz. 998 Bölüm 14: K›smi Türevler Bu durumda t0’ın değeri türetilebilir x fonksiyonu için x0 değerini ve türetilebilir y fonksiyonu için y0 değerini belirler. ∂w@∂x ve ∂w@∂y kısmi türevleri (ki kendileri de x ve y’nin fonksiyonlarıdır) t0’a karşılık gelen P0(x0, y0) noktasında hesaplanır. x ve y (t tarafından kontrol edilen) ara değişkenler ve w da bağlı değişkenken, “gerçek” bağımsız değişken t’dir. Zincir Kuralının daha kesin bir gösterimi Teorem 5’teki çeşitli türevlerin nasıl hesaplandığını gösterir: dy 0ƒ 0ƒ dw dx st d = sx , y d # st d + sx , y d # st d. 0x 0 0 dt 0 0y 0 0 dt 0 dt 0 ÖRNEK 1 Zincir Kural›n› Uygulamak x = cos t, y = sin t yolu boyunca w = xy fonksiyonunun türevini bulmak için Zincir Kuralını kullanın. t = p@2’de türevin değeri nedir? Çözüm dw@dt’yi bulmak için Zincir Kuralını aşağıdaki gibi uygularız: dw 0w dx 0w dy = + 0x dt 0y dt dt = 0sxyd d # scos td + 0sxyd # d ssin td 0x 0y dt dt = s yds -sin td + sxdscos td = ssin tds -sin td + scos tdscos td = -sin2 t + cos2 t = cos 2t. Bu örnekte sonucu daha doğrudan bir hesaplamayla doğrulayabiliriz. t’nin bir fonksiyonu olarak w = xy = cos t sin t = 1 sin 2t , 2 şeklinde ifade edilebilir, böylece dw d 1 1 # = a sin 2tb = 2 cos 2t = cos 2t . 2 dt dt 2 buluruz. Her iki durumda da t’nin verilen değerinde a dw p = cos a2 # b = cos p = -1 . b 2 dt t = p>2 elde edilir. Üç De¤iflkenli Fonksiyonlar ‹çin Zincir Kural› Üç değişkenli fonksiyonlar için Zincir Kuralını muhtemelen tahmin edebilirsiniz. Sadece iki-değişkenli formüle beklenen üçüncü terimi eklemekten ibarettir. 14.4 Zincir Kural› 999 TEOREM 6 Üç Ba¤›ms›z De¤iflkenli Fonksiyonlar ‹çin Zincir Kural› w = ƒ(x, y, z) türetilebiliyorsa ve x, y , z de t’nin türetilebilir fonksiyonlarıysa, w da t’nin türetilebilir bir fonksiyonudur ve 0ƒ dx 0ƒ dy 0ƒ dz dw = + + . 0x dt 0y dt 0z dt dt olur. Burada w’den t’ye giden iki yerine üç yol vardır. Ama dw@dt’yi bulma yolu hala aynıdır. Yolda türevleri çarparak her yolu okuyun; sonra toplayın. İspatı, şimdi iki yerine üç ara değişken olması dışında, Teorem 5’in ispatı ile aynıdır. Yeni denklemi hatırlamak için kullandığımız diyagram da, w’dan t’ye üç yol ile benzerdir. ÖRNEK 2 Bir Helis Boyunca Bir Fonksiyonun De¤erlerindeki De¤iflim Zincir Kuralı w f(x, y, z) 0w 0x 0w 0z 0w 0y x y dx dt dy dt Bağımlı değişken z Ara değişkenler w = xy + z, x = cos t, y = sin t, z=t ise, dw@dt’yi bulun. Bu örnekte w’nun değerleri bir helis yolu boyunca değişir (Bölüm 13.1). Türevin t = 0’daki değeri nedir? Çözüm dw 0w dx 0w dy 0w dz = + + 0x dt 0y dt 0z dt dt dz dt Bağımsız t değişken dw 0w dx 0w dy 0w dz dt 0x dt 0y dt 0z dt = s yds -sin td + sxdscos td + s1ds1d = ssin tds -sin td + scos tdscos td + 1 = -sin2 t + cos2 t + 1 = 1 + cos 2t. a dw = 1 + cos s0d = 2. b dt t = 0 Ara değişkenlerin yerine değerlerini yazın. Bir eğri boyunca değişimin bir fiziksel yorumu: Parametrik denklemleri x = x(t), y = y(t) ve z = z(t) olan bir C eğrisi boyunca her (x, y, z) noktasındaki sıcaklık w = T(x, y, z) ise w = T(x(t), y(t), z(t)) bileşkesi, eğri boyunca, sıcaklığı t cinsinden ifade eder. dw@dt türevi, Teorem 6’da hesaplandığı gibi, eğri boyunca sıcaklıktaki anlık değişim oranıdır. Yüzeyler Üzerinde Tan›mlanan Fonksiyonlar Uzayda bir küre üzerindeki (x, y, z) noktalarında w = ƒ(x, y, z) sıcaklığıyla ilgileniyorsak, x, y ve z’yi noktaların enlem ve boylamlarını belirten r ve s değişkenlerinin fonksiyonları olarak düşünmeyi yeğleriz. x = g(r, s), y = h(r, s) ve z = k(r, s) ise, sıcaklığı r ve s’nin fonksiyonu olarak w = ƒ(g(r, s), h(r, s), k(r, s)) bileşke fonksiyonuyla r ve s’nin fonksiyonu olarak ifade edebiliriz. Doğru koşullar altında, hem r hem de s’ye göre kısmi türevler aşağıdaki gibi hesaplanabilir. 1000 Bölüm 14: K›smi Türevler TEOREM 7 ‹ki Ba¤›ms›z De¤iflken ve Üç Ara De¤iflken ‹çin Zincir Kural› w = ƒ(x, y, z), x = g(r, s), y = h(r, s) ve z = k(r, s) olduğunu varsayın. Dört fonksiyon da türetilebiliyorsa, w’nun r ve s’ye göre kısmi türevleri vardır ve bunlar aşağıdaki formüllerle verilir: 0w 0w 0x 0w 0y 0w 0z = + + 0r 0x 0r 0y 0r 0z 0r 0y 0w 0x 0w 0w 0z 0w = + + . 0s 0x 0s 0y 0s 0z 0s Bu denklemlerden birincisi, s’yi sabit tutup, r’ye t gözüyle bakarak Teorem 6’daki Zincir Kuralından elde edilebilir. İkincisi de r’yi sabit tutup, s’ye t gözüyle bakarak aynı yolla elde edilebilir. Her iki denklem için ağaç diyagramları Şekil 14.19’da gösterilmektedir. w 0w 0x f Ara değişkenler x y g Bağımsız değişkenler w f(x, y, z) w f(x, y, z) Bağlı değişken h z k x y 0x 0r r, s 0w 0x 0w 0z 0w 0y 0y 0r x z 0x 0s 0z 0r 0w 0z 0w 0y y 0y 0s z 0z 0s w f (g(r, s), h (r, s), k (r, s)) r 0w 0w 0x 0w 0y 0w 0z 0r 0x 0r 0y 0r 0z 0r s 0w 0w 0x 0w 0y 0w 0z 0s 0x 0s 0y 0s 0z 0s (a) (b) (c) fiEK‹L 14.19 Teorem 7 için bileşke fonksiyonlar ve ağaç diyagramları. ÖRNEK 3 Teorem 7’yi Kullanarak K›smi Türevler w = x + 2y + z 2, r x = s, y = r 2 + ln s, ise, ∂w@∂r ve ∂w@∂s’yi r ve s cinsinden bulun. Çözüm 0w 0w 0x 0w 0y 0w 0z = + + 0r 0x 0r 0y 0r 0z 0r 1 = s1d a s b + s2ds2rd + s2zds2d 1 1 = s + 4r + s4rds2d = s + 12r Ara değişken z’nin değerini koyun. 0w 0w 0x 0w 0y 0w 0z = + + 0s 0x 0s 0y 0s 0z 0s = s1d a- r 1 2 r b + s2d a s b + s2zds0d = s - 2 2 s s z = 2r. 14.4 Zincir Kuralı 1001 Üç yerine iki değişkenli bir ƒ fonksiyonu için Teorem 7’deki her denklem uygun bir şekilde bir terim kısalır. w f(x, y) 0w 0x Zincir Kural› 0w 0y x w = ƒ(x, y), x = g(r, s) ve y = h(r, s) ise, y 0x 0r 0w 0x 0w 0y 0w = + 0r 0x 0r 0y 0r 0y 0r 0w 0x 0w 0y 0w = + . 0s 0x 0s 0y 0s ve and olur. r 0w 0w 0x 0w 0y 0r 0x 0r 0y 0r Şekil 14.20, bu denklemlerin ilkinin ağaç diyagramını göstermektedir. İkinci denklemin diyagramı benzerdir; sadece r yerine s yazın. fiEK‹L 14.20 0w 0w 0x 0w 0y = + . 0r 0x 0r 0y 0r denkleminin ağaç diyagramı. ÖRNEK 4 Daha Fazla K›smi Türev w = x2 + y2, x = r – s, y=r+s ise, ∂w@∂r ve ∂w@∂s’yi r ve s cinsinden ifade edin. Çözüm 0w 0w 0x 0w 0y = + 0r 0x 0r 0y 0r 0w 0w 0x 0w 0y = + 0s 0x 0s 0y 0s = s2xds1d + s2yds1d = s2xds -1d + s2yds1d = 2sr - sd + 2sr + sd = -2sr - sd + 2sr + sd = 4r = 4s Ara değişkenlerin değerlerini yazın. ƒ sadece x’in fonksiyonuysa denklemlerimiz daha da basitleşir. Zincir Kuralı w f(x) w = ƒ(x) ve x = g(r, s) ise, dw 0x 0w = 0r dx 0r dw dx x 0x 0r ve and 0w dw 0x = . 0s dx 0s olur. 0x 0s Burada, dw@dx normal (tek değişkenli) türevi kullanabiliriz. Ağaç diyagramı Şekil 14.21’de gösterilmektedir. s r 0w dw 0x 0r dx 0r Kapal› Türev Alma (Devam) 0w dw 0x 0s dx 0s Teorem 5’teki iki-değişkenli Zincir Kuralı, kapalı türev alma işinin çoğunu üstlenen bir formüle yol açar. Aşağıdakileri varsayın: fiEK‹L 14.21 Bir ara değişkenle bir bileşke olarak r ve s’nin fonksiyonu olan ƒ’nin türetilmesi için ağaç diyagramı. 1. 2. F(x, y) fonksiyonu türetilebilir ve F(x, y) = 0 denklemi y’yi kapalı olarak x’in türetilebilir bir fonksiyonu, mesela y = h(x) olarak tanımlar. 1002 Bölüm 14: K›smi Türevler w F(x, y) 0w F x 0x Fy 0 w 0y w = F(x, y) = 0 olduğundan dw@dx türevi sıfır olmalıdır. Türevleri Zincir Kuralıyla hesaplayarak (Şekil 14.22’deki ağaç diyagramına bakın), 0 = y h(x) x dy dw dx = Fx + Fy dx dx dx = Fx # 1 + Fy # dx 1 dx dy h'(x) dx dy . dx buluruz. Fy = ∂w@∂y 0 ise bu denklemden dy@dx’i çözerek, x dw dy Fx • 1 Fy • dx dx fiEK‹L 14.22 w = F(x, y)’i x’e göre türetmek için ağaç diyagramı. dw@dx = 0 yazmak kapalı türetme için basit bir hesaplama formülüne yol açar (Teorem 8). t = x ve ƒ = F ile Teorem 5 dy Fx = - . Fy dx buluruz. Bu bağıntı, kapalı olarak tanımlı fonksiyonların türevlerini bulmak için şaşırtıcı bir şekilde basit olan bir kısa yol verir. Burada bir teorem olarak ifade ediyoruz. TEOREM 8 Kapal› Türetme ‹çin Bir Formül F(x, y)’nin türetilebilir olduğunu ve F(x, y) = 0 denkleminin y’yi x’in bir fonksiyonu olarak tanımladığını varsayın. Fy 0 olan her noktada dy Fx = - . Fy dx bulunur. ÖRNEK 5 Kapal› Türetme y2 – x2 – sin xy = 0 ise dy@dx’i bulmak için Teorem 8’i kullanın. Çözüm F(x, y) = y2 – x2 – sin xy alın. Bu durumda, dy -2x - y cos xy Fx = = Fy 2y - x cos xy dx = 2x + y cos xy . 2y - x cos xy bulunur. Bu hesaplama Bölüm 3.6, Örnek 3’te dy@dx’i bulmak için kullandığımız tek değişkenli hesaplamadan belirgin şekilde daha kısadır. Çok De¤iflkenli Fonksiyonlar Bu bölümde zincir kuralının birkaç farklı biçimini gördük. Fakat bunları aynı genel formülün özel halleri olarak görebilirseniz, hepsini ezberlemek zorunda kalmazsınız. Özel problemler çözerken bağlı değişkeni en üste, ara değişkenleri ortaya ve seçilen bağımsız değişkeni alta yerleştirerek uygun bir ağaç diyagramı çizmek faydalı olabilir. Bağlı değişkenin seçilen bağımsız değişkene göre türevini bulmak için, bağlı değişkenden başlayarak ağacın her dalını aşağı doğru okurken, dal boyunca türevleri hesaplayıp çarpın. Sonra farklı dallar için bulduğunuz çarpımları toplayın. 14.4 Zincir Kural› 1003 Genel olarak, w = ƒ(x, y, … , y)’nin x, y, …, y değişkenlerinin (sonlu bir küme) türetilebilir bir fonksiyonu olduğunu ve x, y, …, y’nin de p, q, … , t’nin (başka bir sonlu küme) türetilebilir fonksiyonları olduklarını varsayın. Bu durumda w, p’den t’ye kadar olan değişkenlerin türetilebilir bir fonksiyonudur ve w’nin bu değişkenlere göre kısmi türevleri 0w 0w 0x 0w 0y Á 0w 0y = + + + . 0p 0x 0p 0y 0p 0y 0p şeklindeki denklemlerle verilir. Diğer denklemler p yerine sırasıyla, q, … , t yazarak elde edilir Bu denklemi hatırlamanın bir yolu eşitliğin sağ tarafının, bileşenleri a 0w 0w 0w , ,Á, b 0x 0y 0y a ve and ('''')''''* w’nin ara değişkenlere göre türevleri 0x 0y 0y , , Á , b. 0p 0p 0p ('''')''''* Aradeğişkenlerin seçilen bağımsız değişkene göre türevleri olan iki vektörün skaler çarpımı olduğunu düşünmektir. ALIfiTIRMALAR 14.4 Zincir Kural›: Tek Ba¤›ms›z De¤iflken 1–6 alıştırmalarında, (a) dw@dt’yi hem Zincir Kuralını kullanarak, hem de w’yi t cinsinden ifade edip, doğrudan t’ye göre türev alarak hesaplayın. Sonra (b) dw@dt’yi t’nin verilen değerinde hesaplayın. 1. w = x 2 + y 2, x = cos t, t = p y = sin t; 2. w = x 2 + y 2, x = cos t + sin t, y = cos t - sin t; t = 0 y x 3. w = z + z , x = cos2 t, y = sin2 t, z = 1>t; t = 3 4. w = ln sx 2 + y 2 + z 2 d, t = 3 x = cos t, y = sin t, z = 4 2t ; z = e t; 5. w = 2ye x - ln z, t = 1 x = ln st 2 + 1d, y = tan-1 t, 6. w = z - sin xy, x = t, z = et-1 ; y = ln t, y cinsinden ifade ederek bulun. Sonra (b) ∂w@∂u ve ∂w@∂y’yi verilen (u, y) noktasında hesaplayın. y = ue y cos u, sx, y, zd = A 23, 2, 1 B 12. u = e qr sin-1 p, p = sin x, q = z 2 ln y, sx, y, zd = sp>4, 1>2, -1>2d r = 1>z; Bir A¤aç Diyagram› Kullanmak 13–24 alıştırmalarında, her türev için bir ağaç diyagramı çizin ve bir Zincir Kuralı formülü yazın. 7. z = 4e x ln y, x = ln su cos yd, su, yd = s2, p>4d y = u sin y; 13. dz ; for z = ƒsx, yd, dt 8. z = tan-1 sx>yd, x = u cos y, su, yd = s1.3, p>6d y = u sin y; 14. dz ; for z = ƒsu, y, wd, dt 9 ve 10 alıştırmalarında, (a) ∂w@∂u ve ∂w@∂y’yi u ve y cinsinden hem Zincir Kuralını kullanarak, hem de türev almadan önce z’yi u ve z = uy; 11 ve 12 alıştırmalarında, (a) ∂u@∂x, ∂u@∂y ve ∂u@∂z’yi x, y ve z’nin fonksiyonları olarak hem zincir kuralına göre, hem de türev almadan önce u’yu x, y ve z cinsinden ifade ederek bulun. Sonra (b) ∂u@∂x, ∂u@∂y ve ∂u@∂z’yi verilen (x, y, z) noktasında hesaplayın. p - q 11. u = q - r , p = x + y + z, q = x - y + z, r = x + y - z; 7 ve 8 alıştırmalarında, (a) ∂z@∂u ve ∂z@∂y’yi u ve y cinsinden hem Zincir Kuralını kullanarak, hem de türev almadan önce z’yi u ve y cinsinden ifade ederek bulun. Sonra (b) ∂z@∂u ve ∂z@∂y’yi verilen (u, y) noktasında hesaplayın. y = u - y, 10. w = ln sx 2 + y 2 + z 2 d, x = ue y sin u, z = ue y; su, yd = s -2, 0d t = 1 Zincir Kural›: ‹ki ve Üç Ba¤›ms›z De¤iflken x = u + y, 9. w = xy + yz + xz, su, yd = s1>2, 1d 15. x = gstd, y = hstd için u = gstd, 0w 0w ; and for w = hsx, y, zd, ve 0u 0y z = ksu, yd için y = hstd, x = ƒsu, yd, w = kstd için y = gsu, yd, 1004 Bölüm 14: K›smi Türevler 0w ; 0w ve and for w = ƒsr, s, td, 0x 0y t = ksx, yd için r = gsx, yd, 17. 0w 0w ; ve and for w = gsx, yd, 0u 0y x = hsu, yd, y = ksu, yd için 34. w = xy +ln z, x = y2@u, y = u + y ve z = cos u ise, u = –1 ve y = 2 iken ∂w@∂y’yi bulun. 18. 0w 0w ; w = gsu, yd, and for ve 0x 0y u = hsx, yd, y = ksx, yd için 35. w = x2 + (y@x), x = u – 2y + 1 ve y = 2u + y – 2 ise, u = 0 ve y = 0 iken ∂w@∂y’yi bulun. 19. 0z 0z and for z = ƒsx, yd, 0t ve 0s ; 20. 0y ; y = ƒsud, for 0r 21. 0w 0w; ve and for w = gsud, 0s 0t 22. 0w ; for w = ƒsx, y, z, yd, x = gs p, qd, 0p z = js p, qd, y = ks p, qd için y = hs p, qd, 0w 0w ;for w = ƒsx, yd, and ve 0r 0s y = hssd için 16. 23. s = hsx, yd, 33. w = (x + y + z)2, x = r – s, y = cos (r + s) ve z = sin (r + s) ise, r = 1 ve s = –1 iken ∂w@∂r’yi bulun. x = gst, sd, y = hst, sd için 38. z = ln q ve q = 1y + 3 tan-1 u. ise, u = 1 ve y = –2 iken ∂z@∂u ve ∂z@∂y’yi bulun. u = hss, td için x = gsrd, x = hsr, s, td, 25–28 alıştırmalarındaki denklemlerin y’yi x’in türetilebilir bir fonksiyonu olarak tanımladıklarını varsayarak, verilen noktada dy@dx’in türevini bulmak için Teorem 8’i kullanın.) 2 25. x - 2y + xy = 0, Teori ve Örnekler 39. Bir devredeki gerilimi değiştirmek V = IR yasasına uyan bir devredeki V gerilimi, pil biterken yavaşça düşmektedir. Aynı zamanda, R direnci, direnç ısındıkça artmaktadır. dV 0V dI 0V dR = + 0I dt 0R dt dt y = ksr, s, td için Kapal› Türev Alma 3 36. z = sin xy + x sin y, x = u2 + y2 ve y = uy ise, u = 0 ve y = 1 iken ∂z@∂u’yu bulun. 37. z = 5 tan–1 x ve x = eu + ln y ise, u = ln 2, y = 1 iken ∂z@∂u ve ∂z@∂y’yi bulun. u = gsr, sd için 0w ;for w = gsx, yd, 24. 0s Belirlenmifl K›smi Türevleri Bulmak formülünü kullanarak, R = 600 ohm, I = 0.04 amp, dR@dt = 0.5 ohm@sn ve dV@dt = –0.01 volt@sn iken akımın nasıl değiştiğini bulun. V s1, 1d 26. xy + y 2 - 3x - 3 = 0, s -1, 1d 27. x 2 + xy + y 2 - 7 = 0, s1, 2d y Pil I s0, ln 2d 28. xe + sin xy + y - ln 2 = 0, R Üç-De¤iflkenli Kapal› Türetme Teorem 8, üç, hatta daha fazla değişkenli fonksiyonlara genelleştirilebilir. Üç-değişkenli şekli aşağıdaki gibidir: F(x, y, z) = 0 denklemi z’yi x ve y’nin türetilebilir bir fonksiyonu olarak tanımlıyorsa, Fz 0 olan noktalarda, Fx 0z = 0x Fz Fy 0z = - . 0y Fz ve and 40. Bir kutunun boyutlarını değiştirmek Dikdörtgen şeklinde bir kutunun kenar uzunlukları a, b ve c zamanla değişmektedir. Söz konusu anda, a = 1 m, b = 2 m ve c = 3 m, da@dt = db@dt = 1 m@sn ve dc@dt = –3 m@sn’dir. Bu anda, kutunun hacmi A ve yüzey alanı S nasıl değişmektedir? Kutunun iç köşegenlerinin uzunlukları artmakta mı, azalmakta mıdır? 41. ƒ(u, y, w) türetilebilir ise ve u = x – y, y = y – z ve w = z – x ise, olur. Bu denklemleri kullanarak, 29–32 alıştırmalarındaki noktalarda ∂z@∂x ve ∂z@∂y’nin değerlerini bulun. 29. z 3 - xy + yz + y 3 - 2 = 0, 1 1 1 30. x + y + z - 1 = 0, s1, 1, 1d olduğunu gösterin. s2, 3, 6d 31. sin sx + yd + sin s y + zd + sin sx + zd = 0, 32. xe y + ye z + 2 ln x - 2 - 3 ln 2 = 0, 0ƒ 0ƒ 0ƒ + + = 0. 0x 0y 0z sp, p, pd s1, ln 2, ln 3d 42. Kutupsal Koordinatlar Türetilebilir bir w = ƒ(x, y) fonksiyonunda, x = r cos u ve y = r sin u kutupsal koordinatlarını yerleştirirsek, 14.5 1005 b. T = 4x2 – 4xy + 4y2 olduğunu varsayın. T’nin çember üzerinde maksimum ve minimum değerlerini bulun. 0w = ƒx cos u + ƒy sin u 0r a. Do¤rultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler ve 48. Bir elips üzerinde sıcaklık 1 0w r 0u = -ƒx sin u + ƒy cos u . x = 2 22 cos t, olduğunu gösterin. 2 0 … t … 2p, elipsi üzerindeki (x, y) noktasının sıcaklığı T = g(x, y) olsun. Ayrıca, 0T 0T = y, = x. 0x 0y b. (a) şıkkındaki denklemleri çözerek, ƒx ve ƒy’yi ∂w@∂r ve ∂w@∂u cinsinden ifade edin. c. sƒx d2 + sƒy d2 = a y = 22 sin t, 2 0w 1 0w b + 2 a b. 0r 0u r olduğunu varsayın. olduğunu gösterin. a. dT@dt ve d2T@dt2 türevlerini inceleyerek, maksimum ve minimum sıcaklıkları elips üzerinde yerleştirin. 43. Laplace denklemleri w = ƒ(u, y) fonksiyonu ƒuu + ƒyy = 0 Laplace denklemini sağlıyorsa ve u = (x2 – y2)@2 ve y = xy ise, w’nin wxx + wyy = 0 Laplace denklemini de sağlayacağını gösterin. 44. Laplace denklemleri u = x + iy, y = x – iy ve i = 2 -1. olmak üzere, w = ƒ(u) + g(y) olsun. Gerekli bütün fonksiyonlar türetilebiliyorsa w’nin wxx + wyy = 0 Laplace denklemini sağladığını gösterin. b. T = xy – 2 olduğunu varsayın. T’nin elips üzerinde maksimum ve minimum değerlerini bulun. ‹ntegrallerin Türevlerini Almak Yumuşak süreklilik koşulları atında, b Fsxd = E¤riler Boyunca Fonksiyonlar› De¤ifltirmek 45. Bir helis üzerinde ekstremumlar Bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun x = cos t, y = sin t, z = t helisi üzerindeki kısmi türevlerinin La g st, xd dt, b ise F¿sxd = g x st, xd dt. dir. Bunu ve Zincir Kuralını kullanarak, La ƒsxd ƒx = cos t, ƒy = sin t, ƒz = t2 + t – 2 olduğunu varsayın. Varsa, eğri üzerindeki hangi noktalarda ƒ’nin ekstremum değerleri vardır? Fsxd = fonksiyonunun türevini, u = ƒ(x) olmak üzere, u 2 2y 46. Bir uzay eğrisi w = x e cos 3z olsun. x = cos t, y = ln (t + 2), z = t eğrisi üzerinde (1, ln 2, 0) noktasında dw@dt’nin değerini bulun. 47. Bir çember üzerinde sıcaklık x = cos t, y = sin t, 0 t 2p eğrisi üzerinde, (x, y) noktasındaki sıcaklık T = ƒ(x, y) olsun. Ayrıca, 0T 0T = 8x - 4y, = 8y - 4x. 0x 0y olduğunu varsayın. a. dT@dt ve d2T@dt2 türevlerini inceleyerek, çember üzerinde maksimum ve minimum sıcaklıkların nerede oluştuğunu bulun. 14.5 g st, xd dt La Gsu, xd = La g st, xd dt, kabul ederek bulabiliriz. 49 ve 50 alıştırmalarındaki fonksiyonların türevlerini bulun. x2 49. Fsxd = 2t 4 + x 3 dt L0 1 50. Fsxd = Lx2 2t 3 + x 2 dt Do¤rultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler New York’ta Hudson Nehri boyunca Batı Noktası Bölgesinde kontur’ları gösteren haritaya bakarsanız (Şekil 14.23), akarsuların kotur’lara dik olarak aktığını fark edersiniz. Akarsular Hudson’a olabildiğince çabuk ulaşmak için, en dik iniş yollarını takip ederler. Bu ne- 1006 Bölüm 14: K›smi Türevler denle, deniz seviyesi üzerindeki bir akarsuyun yüksekliğindeki anlık değişimin özel bir yönü vardır. Bu bölümde, ‘‘Yokuş aşağı’’ yön denen bu yönün neden konturlara dik olduğunu göreceksiniz. fiEK‹L 14.23 New York’ta Batı Noktası Bölgesinde konturlar, en dik iniş yollarını, konturlara dik olarak, takip eden akarsuları göstermektedir. Düzlemde Do¤rultu Türevleri Bölüm 14.’ten, ƒ(x, y) diferansiyellenebilir ise diferansiyellenebilir bir x = g(t), y = h(t) eğrisi üzerinde ƒ’nin t’ye göre değişim oranının y x x0 su1, y y0 su2 doğrusu u u1i u2j Artan s yönü R P0(x0, y0) 0 x fiEK‹L 14.24 ƒ’nin bir P0 noktasında u yönündeki değişim oranı, ƒ’nin bu doğru boyunca P0’da değiştiği orandır. dƒ 0ƒ dx 0ƒ dy = + . 0x dt 0y dt dt olduğunu biliyoruz. Herhangi bir P0(x0, y0) = P0(g(t0), h(t0)) noktasında, bu denklem ƒ’nin artan t’ye göre değişim oranını verir ve dolayısıyla, diğer şeylerin yanı sıra, eğri boyunca hareket yönüne bağlıdır. Eğri, bir doğruyken ve t de doğru boyunca verilen bir u birim vektörü yönünde P0’dan ölçülen yay uzunluğu parametresiyse dƒ@dt, tanım kümesi içinde u yönünde uzaklığa göre ƒ’nin değişim oranı olur. u’yu değiştirerek, P0’dan farklı yönlerde geçerken ƒ’nin uzaklığa göre değiştiği oranları bulabiliriz. Şimdi bu fikri daha kesin olarak tanımlıyoruz. ƒ(x, y) fonksiyonunun xy-düzlemindeki bir R bölgesinde tanımlı olduğunu, P0(x0, y0)’ın R’de bir nokta olduğunu ve u = u1i + u2j’nin bir birim vektör olduğunu varsayın. Bu durumda, x = x0 + su1, y = y0 + su2 denklemleri P0’dan u’ya paralel olarak geçen doğruyu parametrize ederler. s parametresi P0’dan u yönündeki yay uzunluğunu ölçüyorsa ƒ’nin P0’da u yönündeki değişim oranını dƒ@ds’yi P0’da hesaplayarak buluruz (Şekil 14.24). 14.5 Do¤rultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler 1007 Do¤rultu Türevi TANIM ƒ’nin P0’da, u = u1i + u2j birim vektörü yönündeki doğrultu türevi, limitin var olması koşuluyla, a dƒ ƒsx0 + su1, y0 + su2 d - ƒsx0 , y0 d b = lim , s ds u,P0 s:0 (1) sayısıdır. Doğrultu türevi ayrıca “ƒ’nin P0’da u yönündeki doğrultu türevi. (Duƒ)P0 olarak da gösterilir. ÖRNEK 1 Tan›m› Kullanarak Bir Do¤rultu Türevi Bulmak P0(1, 2)’de ƒ(x, y) = x2 + xy fonksiyonunun u = A 1> 22 B i + A 1> 22 B j. birim vektörü yönündeki doğrultu türevini bulun. Çözüm ¢ dƒ ƒsx0 + su1, y0 + su2 d - ƒsx0 , y0 d = lim ≤ s ds u,P0 s:0 ƒ¢1 + s # = lim s:0 ¢1 + = lim s 22 1 1 ,2 + s# ≤ - ƒs1, 2d 22 22 s 2 ≤ + ¢1 + s 22 ≤ ¢2 + s 22 ≤ - s12 + 1 # 2d s s:0 ¢1 + = lim 2s 22 s:0 5s = lim Denklem (1) 22 + 3s s2 s2 + ¢2 + + ≤ - 3 ≤ 2 2 22 s + s2 = lim ¢ 5 + s≤ = ¢ 5 + 0≤ = 5 . 22 22 22 ƒ(x, y) = x2 + xy’nin P0(1, 2)’de u = A 1> 12 B i + A 1> 22 B j birim vektörü yönündeki s:0 s s:0 değişim oranı 5> 12. ’dir. Do¤rultu Türevlerinin Yorumu z = ƒ(x, y) denklemi uzayda bir S yüzeyini temsil eder. z0 = ƒ(x0, y0) ise, P(x0, y0, z0) noktası S’de bulunur. P’den ve P0(x0, y0)’dan u’ya paralel olarak geçen dikey düzlem S’yi bir C 1008 Bölüm 14: K›smi Türevler z S yüzeyi: z f(x, y) f(x0 su1, y0 su2) f(x0, y0) Teğet Q ⎫ ⎬ ⎭ P(x0, y0, z0) s y C x P0(x0, y0) (x0 su1, y0 su2) u u1i u2j fiEK‹L 14.25 C eğrisinin P0’daki eğimi lim Q: P eğim (PQ) dur; bu a dƒ = sDu ƒdP0. b ds u,P0 doğrultu türevidir. eğrisinde keser (Şekil 14.25). ƒ’nin u yönündeki değişim oranı C’nin P’deki teğetinin eğimidir. u = i iken, P0’daki doğrultu türevinin (x0, y0)’da hesaplanan ∂ƒ@∂x olduğuna dikkat edin. u = j iken, P0’daki doğrultu türevi (x0, y0)’da hesaplanan ∂ƒ@∂y’dir. Doğrultu türevi iki kısmi türevi genelleştirir. Artık ƒ’nin sadece i ve j değil, herhangi bir u doğrultusundaki değişim oranını sorgulayabiliriz. Doğrultu türevinin fiziksel bir yorumu: Düzlemde bir bölgedeki her (x, y) noktasında sıcaklığın T = ƒ(x, y) olduğunu varsayın. Bu durumda ƒ(x0, y0), P0(x0, y0) noktasındaki sıcaklık ve (Duƒ)P0, P0 noktasında u yönünde ilerlerken sıcaklıktaki anlık değişim oranıdır. Hesaplama ve Gradiyentler Şimdi, diferansiyellenebilir bir ƒ fonksiyonun doğrultu türevini hesaplamak için daha etkin bir formülü geliştiriyoruz. P0(x0, y0)’dan geçen ve u = u1i + u2j birim vektörü yönünde artan yay uzunluğu parametresi s ile parametrize edilen x = x0 + su1 , y = y0 + su2 , (2) doğrusuyla işe başlarız. Bu durumda, a dƒ 0ƒ 0ƒ dy dx b = a b + a b 0x P0 ds 0y P0 ds ds u,P0 = a Diferansiyellenebilir ƒ için Zincir Kuralı 0ƒ 0ƒ b # u + a b # u2 0x P0 1 0y P0 = ca (2) denklemlerinden dx@ds = u1 ve dy@ds = u2 0ƒ 0ƒ b i + a b j d # cu1 i + u2 j d. 0x P0 0y P0 (3) (''''')'''''* ('')''* ƒ’nin P0’daki gradiyenti u yönü TANIM Gradiyent Vektör ƒ(x, y)’nin bir P0(x0, y0) noktasındaki gradiyent vektörü (eğim), ƒ’nin kısmi türevlerinin P0 noktasında hesaplanmasıyla elde edilen §ƒ = 0ƒ 0ƒ i + j 0x 0y vektörüdür. ƒ gösterimi “ƒ’nin gradiyenti ” ve “del ƒ” gibi “grad ƒ” olarak da okunur. sembolünün kendisi “del” olarak okunur. Gradientin başka bir gösterimi, yazıldığı gibi okunan grad ƒ’dir. (3) denklemi, ƒ’nin P0’da u yönündeki doğrultu türevinin, ƒ’nin P0’daki gradiyenti ile u’nun skaler çarpımı olduğunu söyler. 14.5 Do¤rultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler 1009 TEOREM 9 Do¤rultu Türevi Bir Skaler Çarp›md›r ƒ(x, y), P0(x0, y0)’ı içeren bir açık bölgede diferansiyellenebilir ise a dƒ b = s§ƒdP0 # u, ds u,P0 (4) yani, ƒ’nin P0’daki gradienti ile u’nun skaler çarpımı olur. ÖRNEK 2 Gradiyent Kullanarak Do¤rultu Türevi Bulmak y ƒ(x, y) = xe + cos (xy)’nin (2, 0) noktasında, v = 3i – 4j yönündeki doğrultu türevini bulun. Çözüm v’nin yönü, v’yi uzunluğuna bölerek bulunur: u = v v 3 4 = = i - j. 5 5 5 ƒvƒ ƒ’nin (2, 0)’daki kısmi türevleri şöyledir: ƒxs2, 0d = se y - y sin sxydds2,0d = e 0 - 0 = 1 y ƒys2, 0d = sxe y - x sin sxydds2,0d = 2e 0 - 2 # 0 = 2. ∇f i 2j 2 ƒ’nin (2, 0)’daki gradiyenti §ƒ ƒ s2,0d = ƒxs2, 0di + ƒys2, 0dj = i + 2j 1 olur (Şekil 14.26). Bundan dolayı ƒ’nin (2, 0)’da v yönündeki doğrultu türevi sDuƒd ƒ s2,0d = §ƒ ƒ s2,0d # u 0 –1 1 P0(2, 0) 3 4 x u 3i4j 5 5 fiEK‹L 14.26 ƒ’yi ƒ’nin tanım kümesinde bir vektör olarak resimleyin. ƒ(x, y) = xey + cos (xy) durumunda, tanım kümesi bütün düzlemdir. ƒ’nin (2,0)’da u = (3@5)i – (4@5)j yönünde değiştiği oran ƒ u = –1’dir (Örnek 2). (4) Denklemi 3 3 8 4 = si + 2jd # a i - jb = - = -1 . 5 5 5 5 bulunur. u ve ƒ vektörleri arasındaki açı u olmak üzere Du ƒ = §ƒ # u = ƒ §ƒ ƒ ƒ u ƒ cos u = ƒ §ƒ ƒ cos u, formülündeki skaler çarpımı hesaplamak aşağıdaki özellikleri ortaya çıkarır. Duƒ = §ƒ # u = ƒ §ƒ ƒ cos u Doğrultu Türevinin Özellikleri 1. 2. 3. ƒ fonksiyonu en fazla cos u = 1 iken veya u ƒ’nin yönünde iken artar. Yan, tanım kümesindeki her P noktasında, ƒ P’deki ƒ gradiyent vektörünün yönünde en hızlı şekilde artar. Bu yöndeki türev Duƒ = ƒ §ƒ ƒ cos s0d = ƒ §ƒ ƒ . ile verilir. Aynı şekilde, ƒ en hızlı – ƒ yönünde azalır. Bu yöndeki türev Duƒ = ƒ §ƒ ƒ cos spd = - ƒ §ƒ ƒ .’dir. ƒ 0 Gradiyentine ortogonal herhangi bir u yönü ƒ’de sıfır değişim yönüdür, çünkü bu durumda u = p@2 olur ve Duƒ = ƒ §ƒ ƒ cos sp>2d = ƒ §ƒ ƒ # 0 = 0. bulunur. 1010 Bölüm 14: K›smi Türevler Daha sonra tartışacağımız gibi, bu özellikler iki boyutta olduğu gibi, üç boyutta da geçerlidir. ÖRNEK 3 Maksimal, Minimal ve S›f›r De¤iflim Yönlerini Bulmak 2 ƒ(x, y) = (x @2) + (y2@2)’nin (a) (1, 1) noktasında en hızlı arttığı, (b) (1, 1) noktasında en hızlı azaldığı yönleri bulun. (c) (1, 1)’de ƒ’nin sıfır değişim yönleri nelerdir? z f(x, y) y2 x2 2 2 z Çözüm (a) Fonksiyon (1, 1)’de en hızlı olarak ƒ yönünde artar. Gradiyent ( ƒ)(1,1) = (xi + yj)(1,1) = i + j (1, 1, 1) olarak bulunur. Yönü ise, 1 1 x –∇f (1, 1) ƒ’deki en hızlı azalma y ƒ’de sıfır değişme ∇f i j ƒ’deki en hızlı artma u = i + j i + j 1 1 = = i + j. 2 2 i + j ƒ ƒ 2s1d + s1d 22 22 yönündedir. (b) Fonksiyon (1, 1)’de en hızlı olarak – ƒ yönünde azalır: -u = - 2 2 fiEK‹L 14.27 ƒ(x, y) = (x @2) + (y @2)’nin (1, 1)’de en hızlı arttığı yön ƒu(1, 1) = i + j yönüdür. Bu yön yüzey üzerinde (1, 1, 1) de en dik yükselme yönüdür (Örnek 3 ). 1 1 i j. 22 22 (c) (1, 1)’de sıfır değişim yönleri ƒ’ye ortogonal yönlerdir: n = - 1 1 i + j 22 22 ve and -n = 1 1 i j. 22 22 Şekil 14.27’ye bakın. Seviye E¤rilerinin Gradiyentleri ve Te¤etleri Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun düzgün bir r = g(t)i + h(t)j eğrisi üzerinde sabit bir c değeri varsa (böylece eğri ƒ’nin bir seviye eğrisi olur), ƒ(g(t), h(t)) = c olur. Bu denklemin iki tarafının da t’ye göre türevini almak d d ƒsgstd, hstdd = scd dt dt 0ƒ dg 0ƒ dh + = 0 0x dt 0y dt a 0ƒ 0ƒ dg dh i + jb # a i + jb = 0. 0x 0y dt dt ('')''* §ƒ denklemlerine yol açar. (5) denklemi, söyler, dolayısıyla eğriye normaldir. Zincir Kuralı (5) ('')''* dr dt ƒ’nin teğet vektör dr@dt’ye normal olduğunu 14.5 Do¤rultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler 1011 f(x, y) f(x0, y0) seviye eğrisi Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun tanım kümesindeki her (x0, y0) noktasında ƒ’nin gradiyenti, (x0, y0) noktasından geçen seviye eğrisine normaldir (Şekil 14.28). (x0, y0) ∇f(x0, y0) (5) Denklemi topografik haritalarda akarsuların konturlara dik olarak aktığı gözlemimizi doğrular (Şekil 14.23’e bakın). Aşağıya doğru akan akarsular varış yerine en çabuk yoldan ulaşacağına göre, doğrultu türevleri için Özellik 2’den, negatif gradiyent vektörü doğrultusunda akmalıdır. (s) Denklemi bize bu yönlerin seviye eğrilerine dik olduklarını söyler. Bu gözlem ayrıca, seviye eğrilerinin teğetlerinin denklemlerini bulmamızı sağlar. Bunlar gradiyentlere normal olan doğrulardır. Bir P0(x0, y0) noktasından geçen ve bir N = Ai + Bj vektörüne normal olan doğrunun denklemi fiEK‹L 14.28 İki değişkenli diferansiyellenebilir bir fonksiyonun bir noktadaki gradiyenti her zaman fonksiyonun o noktadan geçen seviye eğrisine normaldir. Asx - x0 d + Bs y - y0 d = 0 olarak bulunur (Alıştırma 35). N vektörü ( ƒ)(x0, y0) = ƒx(x0, y0)i + ƒy(x0, y0)j gradiyenti ise denklem ƒx(x0, y0)(x – x0) + ƒy(x0, y0)(y – y0) = 0 (6) olarak verilir. ÖRNEK 4 Bir Elipse Te¤et Do¤ru Bulmak x2 + y2 = 2 4 y x 2y –4 ∇f(–2, 1) –i 2j elipsinin (–2, 1) noktasındaki teğetinin denklemini bulun (Şekil 14.29). x2 y2 2 4 兹2 (–2, 1) –2 –1 1 0 1 2 Çözüm Elips, x 2兹2 ƒsx, yd = x2 + y 2. 4 fonksiyonunun bir seviye eğrisidir. ƒ’nin (–2, 1)’deki gradiyenti 2 2 fiEK‹L 14.29 (x @4) + y = 2 elipsinin teğetini, elipse ƒ(x, y) = (x2@4) + y2 fonksiyonunun bir seviye eğrisi gibi bakarak bulabiliriz (Örnek 4). x §ƒ ƒ s-2,1d = a i + 2yjb = -i + 2j. 2 s-2,1d olarak bulunur. Teğet ise, s -1dsx + 2d + s2ds y - 1d = 0 Denklem (6) x - 2y = -4. doğrusudur. İki ƒ ve g fonksiyonunun gradiyentlerini biliyorsak, otomatik olarak sabitlerle çarpımlarının, toplamlarının, farklarının, çarpımlarının ve bölümlerinin de gradiyentlerini biliyoruz demektir. Alıştırma 36’da aşağıdaki kuralları gerçeklemeniz istenmektedir. Bu kuralların, tek değişkenli fonksiyonların türevleri için karşı gelen kurallarla aynı formda olduklarına dikkat edin. 1012 Bölüm 14: K›smi Türevler Gradyentlerin Cebir Kuralları 1. 2. 3. 4. Sabitle Çarpım Kuralı: Toplam Kuralı: Fark Kuralı: Çarpım Kuralı: 5. Bölüm Kuralı: ÖRNEK 5 (kƒ) = k ƒ (k herhangi bir sayı) §sƒ + gd = §ƒ + §g §sƒ - gd = §ƒ - §g §sƒgd = ƒ§g + g§ƒ ƒ g§ƒ - ƒ§g § ag b = g2 Gradiyent Kurallar›n› Resimlemek Kuralları ƒsx, yd = x - y §ƒ = i - j gsx, yd = 3y §g = 3j. ile göstereceğiz. 1. §s2ƒd = §s2x - 2yd = 2i - 2j = 2§ƒ 2. §sƒ + gd = §sx + 2yd = i + 2j = §ƒ + §g 3. §sƒ - gd = §sx - 4yd = i - 4j = §ƒ - §g 4. §sƒgd = §s3xy - 3y 2 d = 3yi + s3x - 6ydj = 3ysi - jd + 3yj + s3x - 6ydj = 3ysi - jd + s3x - 3ydj = 3ysi - jd + sx - yd3j = g§ƒ + ƒ§g 5. ƒ x - y x 1 b = §a - b § ag b = § a 3y 3y 3 = x 1 i j 3y 3y 2 3ysi - jd - s3x - 3ydj 3yi - 3xj = = 9y 2 9y 2 3ysi - jd - sx - yd3j = 9y 2 g§ƒ - ƒ§g = g2 . Üç De¤iflkenli Fonksiyonlar Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y, z) fonksiyonu ve uzayda bir u = u1i + u2j + u3k birim vektörü için, 0ƒ 0ƒ 0ƒ §ƒ = i + j + k 0x 0y 0z ve 0ƒ 0ƒ 0ƒ u + u + u. Duƒ = §ƒ # u = 0x 1 0y 2 0z 3 buluruz. 14.5 1013 Do¤rultu Türevleri ve Gradiyent Vektörler Doğrultu türevi yine Du ƒ = §ƒ # u = ƒ §ƒ ƒ ƒ u ƒ cos u = ƒ §ƒ ƒ cos u, şeklinde yazılabilir, dolayısıyla daha önce iki değişkenli fonksiyonlar için verilen özellikler hala geçerlidir. Verilen herhangi bir noktada, ƒ en hızlı ƒ doğrultusunda artar ve en hızlı – ƒ doğrultusunda azalır. ƒ’ye ortogonal olarak verilen herhangi bir yönde, türev sıfırdır. ÖRNEK 6 Maksimal, Minimal ve S›f›r De¤iflim Yönlerini Bulmak (a) ƒ(x, y, z) = x3 – xy2 – z’nin P0(1, 1, 0)’da, v = 2i – 3j + 6k yönündeki doğrultu türevini bulun. (b) ƒ, P0’da hangi yönlerde en hızlı değişir ve bu yönlerdeki değişim oranları nedir? Çözüm (a) v’nin yönü, v’yi uzunluğuna bölerek bulunur: ƒ v ƒ = 2s2d2 + s -3d2 + s6d2 = 249 = 7 u = v 3 6 2 = i - j + k. 7 7 7 ƒvƒ ƒ’nin P0’daki kısmi türevleri ƒx = s3x 2 - y 2 ds1,1,0d = 2, ƒy = -2xy ƒ s1,1,0d = -2, ƒz = -1 ƒ s1,1,0d = -1. olarak bulunur. ƒ’nin P0’daki gradyanı ise §ƒ ƒ s1,1,0d = 2i - 2j - k. olur. Dolayısıyla, ƒ’nin P0’da v yönündeki doğrultu türevi 3 6 2 sDuƒds1,1,0d = §ƒ ƒ s1,1,0d # u = s2i - 2j - kd # a i - j + kb 7 7 7 = 6 6 4 4 + - = . 7 7 7 7 olur. (b) Fonksiyon en hızlı ƒ = 2i – 2j – k yönünde artar ve en hızlı – ƒ yönünde azalır. Bu yönlerdeki değişim oranları, sırasıyla, ƒ §ƒ ƒ = 2s2d2 + s -2d2 + s -1d2 = 29 = 3 ve and - ƒ §ƒ ƒ = -3 . olarak bulunur. ALIfiTIRMALAR 14.5 Noktalarda Gradyan Hesaplamak 2 1–4 alıştırmalarında, verilen noktada fonksiyonun gradiyentini hesaplayın. Sonra gradiyentin grafiğini o noktadan geçen seviye eğrisiyle birlikte çizin. 1. ƒsx, yd = y - x, s2, 1d 2. ƒsx, yd = ln sx 2 + y 2 d, s1, 1d y x2 - , 2 2 5–8 alıştırmalarında, verilen noktada ∇ƒ’yi bulun. 3. gsx, yd = y - x 2, s -1, 0d 4. gsx, yd = 5. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 - 2z 2 + z ln x, s1, 1, 1d 6. ƒsx, y, zd = 2z 3 - 3sx 2 + y 2 dz + tan-1 xz, s1, 1, 1d A 22, 1 B 1014 Bölüm 14: K›smi Türevler 7. ƒsx, y, zd = sx 2 + y 2 + z 2 d-1>2 + ln sxyzd, 8. ƒsx, y, zd = e x + y cos z + s y + 1d sin-1 x, s -1, 2, -2d s0, 0, p>6d Do¤rultu Türevlerini Bulmak 9–16 alıştırmalarında, fonksiyonun P0’da A yönündeki doğrultu türevini bulun. 9. ƒsx, yd = 2xy - 3y 2, P0s5, 5d, A = 4i + 3j 10. ƒsx, yd = 2x 2 + y 2, P0s -1, 1d, A = 3i - 4j 11. gsx, yd = x - s y 2>xd + 23 sec-1 s2xyd, A = 12i + 5j 12. hsx, yd = tan A = 3i - 2j -1 sy>xd + 23 sin 2 2 14. ƒsx, y, zd = x + 2y - 3z , 15. gsx, y, zd = 3e x cos yz, sxy>2d, P0s1, -1, 2d, 13. ƒsx, y, zd = xy + yz + zx, 2 -1 P0s1, 1, 1d, P0s0, 0, 0d, 16. hsx, y, zd = cos xy + e yz + ln zx, A = i + 2j + 2k P0s1, 1d, a. P’de ∇ƒ nedir? Yanıtınızı açıklayın. b. ƒ’nin P’de i + j yönündeki doğrultu türevi nedir? P0s1, 1d, A = 3i + 6j - 2k A = i + j + k P0s1, 0, 1>2d, En H›zl› Art›fl ve Azal›fl Yönleri 17–22 alıştırmalarında, fonksiyonların P0’da en hızlı arttıkları ve azaldıkları yönleri bulun. Sonra fonksiyonların bu yönlerdeki doğrultu türevlerini bulun. P0s -1, 1d 18. ƒsx, yd = x 2y + e xy sin y, P0s1, 0d 19. ƒsx, y, zd = sx>yd - yz, P0s4, 1, 1d y 2 20. gsx, y, zd = xe + z , P0s1, 1, 0d 23–26 alıştırmalarında, ƒ(x, y) = c eğrisini verilen noktada ∇ƒ ve teğetiyle birlikte çizin. Sonra teğetin denklemini yazın. 25. xy = -4, A 22, 22 B 24. x - y = 1, A 22, 1 B s2, -2d 35. xy-düzleminde doğrular A(x – x0) + B(y – y0) = 0’ın xy-düzlemindeki (x0, y0) noktasından geçen ve N = Ai + Bj vektörüne normal doğrunun denklemi olduğunu gösterin. 36. Gradiyentlerin cebir kuralları Bir k skaleri ile §ƒ = 0ƒ 0ƒ 0ƒ i + j + k 0x 0y 0z §g = 0g 0g 0g i + j + k, 0x 0y 0z gradiyentleri verilmişse, E¤rilerin Te¤etleri 23. x + y = 4, 34. Doğrultu türevleri ve kısmi türevler ƒ(x, y, z)’nin gerekli türevlerinin bulunduğunu varsayarsak, Diƒ, Djƒ ve Dkƒ ile ƒx, ƒy ve ƒz arasındaki ilişki nedir? Yanıtınızı açıklayın. ve P0s1, 1, 1d 22. hsx, y, zd = ln sx 2 + y 2 - 1d + y + 6z, 2 33. Doğrultu türevleri ve skaler bileşenler Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun bir P0 noktasında u birim vektörü yönündeki doğrultu türevinin (∇ƒ)P0’ın u yönündeki skaler bileşeniyle ilişkisi nedir? Yanıtınızı açıklayın. P0s1, ln 2, 1>2d 21. ƒsx, y, zd = ln xy + ln yz + ln xz, 2 31. ƒ(x, y)’nin P0(1, 2)’de i + j yönündeki doğrultu türevi 212 ve –2j yönündeki doğrultu türevi –3’tür. ƒ’nin –i – 2j yönündeki doğrultu türevi nedir? Yanıtınızı açıklayın. 32. ƒ(x, y, z)’nin bir P noktasındaki doğrultu türevi v = i + j – k yönünde en büyüktür. Bu yöndeki doğrultu türevinin değeri 2 13. ’tür. A = 2i + j - 2k 17. ƒsx, yd = x 2 + xy + y 2, 30. Bir çember boyunca sıcaklık değişimi T(x, y, z) = 2xy – yz sıcaklık fonksiyonunun (sıcaklık santigrad, uzunluk fit olarak) P(1, –1, 1)’deki değişim oranının –3 °C@ft olduğu bir u yönü var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. 2 26. x 2 - xy + y 2 = 7, 0ƒ 0 skƒd = k , 0x 0x 0g 0ƒ 0 sƒgd = ƒ + g , 0x 0x 0x s -1, 2d Teori ve Örnekler 0ƒ 0g g - ƒ 0x 0x 0 ƒ a b = , 0x g g2 ve diğer skaler denklemleri kullanarak, aşağıdaki kuralları doğrulayın. 27. Sıfır doğrultu türevi Hangi yönde ƒ(x, y) = xy + y2’nin P(3, 2)’deki doğrultu türevi sıfıra eşittir? a. §skƒd = k§ƒ 28. Sıfır doğrultu türevi Hangi yönde, ƒ(x, y) = (x2 – y2)@(x2 + y2)’nin P(1, 1)’ deki doğrultu türevi sıfıra eşittir? c. §sƒ - gd = §ƒ - §g 29. ƒ(x, y) = x2 – 3xy + 4y2’nin P(1, 2)’deki türevinin 14’e eşit olduğu bir u yönü var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. 0ƒ 0g 0 sƒ ; gd = , ; 0x 0x 0x b. §sƒ + gd = §ƒ + §g d. §sƒgd = ƒ§g + g§ƒ g§ƒ - ƒ§g ƒ e. § a g b = g2 14.6 14.6 Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller 1015 Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller Bu bölümde, uzayda düzgün bir yüzey üzerindeki bir noktadan geçen teğet düzlemi tanımlıyoruz. Teğet düzlemin bir denklemini yüzeyi tanımlayan fonksiyonun kısmi türevlerinden buluyoruz. Bu fikir, tek-değişkenli fonksiyonlar için koordinat düzleminde bir eğri üzerinde bir noktadaki teğet doğru tanımına benzerdir (Bölüm 2.7). Bu durumda çok değişkenli fonksiyonların toplam diferansiyellerini ve lineerizasyonlarını inceleyeceğiz. Te¤et Düzlemler ve Normal Do¤rular r = g(t)i + h(t)j + k(t)k, diferansiyellenebilir bir ƒ fonksiyonunun ƒ(x, y, z) = c seviye yüzeyi üzerinde düzgün bir eğriyse, ƒ(g(t), h(t), k(t)) = c olur. Bu denklemin iki tarafının da t’ye göre türevini almak d d ƒsgstd, hstd, kstdd = scd dt dt ∇f v2 P0 0ƒ dg 0ƒ dh 0ƒ dk + + = 0 0x dt 0y dt 0z dt v1 f(x, y, z) c fiEK‹L 14.30 ∇ƒ, P0’dan geçen yüzeydeki her düzgün eğrinin hız vektörüne ortogonaldir. Dolayısıyla P0’daki hız vektörleri, P0’daki teğet düzlem dediğimiz ortak bir düzlemde bulunurlar. a Zincir Kuralı 0ƒ 0ƒ 0ƒ dg dh dk i + j + kb # a i + j + kb = 0. 0x 0y 0z dt dt dt ('''')''''* §ƒ (1) ('''')''''* dr>dt verir. Eğri boyunca her noktada, ∇ƒ eğrinin hız vektörüne ortogonaldir. Şimdi dikkatimizi P0’dan geçen eğrilerle sınırlayalım (Şekil 14.30). P0’daki bütün hız vektörleri P0’da ∇ƒ’ye ortogonaldir, dolayısıyla eğrinin teğetleri P0’dan geçen ve ∇ƒ’ye normal olan düzlemde bulunurlar. Bu düzleme yüzeyin P0’daki teğet düzlemi deriz. P0’dan geçen ve düzleme dik olan doğru yüzeyin P0’daki normalidir. TANIMLAR Te¤et Düzlem, Normal Do¤ru ƒ(x, y, z) = c seviye yüzeyi üzerinde, P0(x0, y0, z0) noktasındaki teğet düzlem P0’dan geçen ve ∇ƒuP0’a normal olan düzlemdir. Yüzeyin P0’daki normali, P0’dan geçen ve ∇ƒuP0’a paralel olan doğrudur. Böylece, Bölüm 12.5’ten teğet düzlemin ve normalin denklemleri sırasıyla, aşağıdaki gibidir: ƒsx, y, zd = c’ye P0sx0 , y0 , z0 d’da Teğet Düzlem ƒxsP0 dsx - x0 d + ƒy sP0 dsy - y0 d + ƒzsP0 dsz - z0 d = 0 (2) ƒsx, y, zd = c’ye P0sx0 , y0 , z0 d’da Normal Doğru x = x0 + ƒxsP0 dt, y = y0 + ƒy sP0 dt, z = z0 + ƒzsP0 dt (3) 1016 Bölüm 14: K›smi Türevler z x2 y2 z 9 0 yüzeyi P0(1, 2, 4) ÖRNEK 1 Te¤et Düzlem ve Normal Do¤ru Bulmak P0(1, 2, 4) noktasında ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z – 9 = 0 Normal doğru Dairesel bir paraboloid yüzeyinin teğet düzlemini ve normalini bulun. Yüzey Şekil 14.31’de gösterilmektedir. Teğet düzlem P0’dan geçen ve ƒ’nin P0’daki gradiyentine dik düzlemdir. Gradiyent Çözüm Teğet Düzlem 1 ∇ƒuP0 = (2xi + 2yj + k)(1,2,4) = 2i + 4j + k 2 olarak bulunur. Dolayısıyla, düzlem y x fiEK‹L 14.31 x2 + y2 + z – 9 = 0 yüzeyinin P0(1, 2, 4)’teki teğet düzlemi ve normal doğrusu (Örnek 1). 2(x – 1) + 4(y – 2) + (z – 4) = 0 veya 2x + 4y + z = 14 düzlemidir. Yüzeyin P0’daki normali x = 1 + 2t, y = 2 + 4t, z=4+t olur. Bir z = ƒ(x, y) düzgün yüzeyinin, z0 = ƒ(x0, y0) olmak üzere, bir P0(x0, y0, z0) noktasında teğet düzleminin denklemini bulmak için, önce z = ƒ(x, y) denkleminin ƒ(x, y) – z = 0’a denk olduğunu gözlemleriz. Dolayısıyla, z = ƒ(x, y) yüzeyi F(x, y, z) = ƒ(x, y) – z fonksiyonunun sıfır seviye yüzeyidir. F’nin kısmi türevleri Fx = 0 sƒsx, yd - zd = fx - 0 = fx 0x Fy = 0 sƒsx, yd - zd = fy - 0 = fy 0y Fz = 0 sƒsx, yd - zd = 0 - 1 = -1. 0z olarak bulunur. Bundan dolayı, FxsP0 dsx - x0 d + FysP0 dsy - y0 d + FzsP0 dsz - z0 d = 0 yani P0’da seviye yüzeyine teğet düzlemin formülü ƒx(x0, y0)(x – x0) + ƒy(x0, y0)(y – y0) – (z – z0) = 0 haline indirgenir. Bir z = ƒ(x, y) yüzeyine (x0, y0, ƒ(x0, y0))’da Teğet Düzlem Diferansiyellenebilir bir ƒ fonksiyonunun z = ƒ(x, y) yüzeyine, P0(x0, y0, z0) = (x0, y0, ƒ(x0, y0)) noktasında teğet olan düzlemin denklemi aşağıdaki gibidir: ƒxsx0 , y0 dsx - x0 d + ƒysx0 , y0 dsy - y0 d - sz - z0 d = 0. ÖRNEK 2 Bir z = ƒ(x, y) Yüzeyine Te¤et Bir Düzlem Bulmak z = x cos y – yex’in (0, 0, 0)’daki teğet düzlemini bulun. (4) 14.6 Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller 1017 ƒ(x, y) = x cos y – yex’in kısmi türevlerini hesaplar ve (4) denklemini kullanırız: Çözüm ƒxs0, 0d = scos y - ye x ds0,0d = 1 - 0 # 1 = 1 ƒys0, 0d = s -x sin y - e x ds0,0d = 0 - 1 = -1. Dolayısıyla teğet düzlem Denklem (4) 1 (x – 0) – 1 (y – 0) – (z – 0) = 0 veya x–y–z=0 olur. ÖRNEK 3 ‹ki Yüzeyin Kesiflim E¤risine Te¤et Do¤ru ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 - 2 = 0 Bir silindir gsx, y, zd = x + z - 4 = 0 Bir düzlem ve z x z 4 0 g(x, y, z) düzlemi yüzeyleri bir E elipsinde kesişir (Şekil 14.32). P0(1, 1, 3) noktasında E’nin teğetinin parametrik denklemlerini bulun. Teğet doğru, P0’da hem ∇ƒ’ye hem de ∇g’ye ortogonaldir ve dolayısıyla v = ∇ƒ ∇g’ye paraleldir. v’nin bileşenleri ve P0’ın koordinatları doğrunun denklemlerini verir. Buradan, Çözüm §ƒ ƒ s1,1,3d = s2xi + 2yjds1,1,3d = 2i + 2j §g ƒ s1,1,3d = si + kds1,1,3d = i + k ∇g i v = s2i + 2jd * si + kd = 3 2 1 E elipsi ∇f ∇g ∇f (1, 1, 3) j 2 0 k 0 3 = 2i - 2j - 2k. 1 buluruz. Doğru aşağıdaki gibidir: x = 1 + 2t, y = 1 – 2t, z = 3 – 2t Belirli Bir Yöndeki De¤iflimi Öngörmek y x x2 y2 2 0 Bir P0 noktasından küçük bir ds mesafesiyle yakındaki başka bir noktaya ilerlediğimizde, bir ƒ fonksiyonunun ne kadar değiştiğini öngörmek istersek, doğrultu türevi normal bir türev rolü oynar. ƒ tek değişkenli bir fonksiyon olsaydı, f(x, y, z) silindiri fiEK‹L 14.32 ƒ(x, y, z) = x2 + y2 – 2 = 0 silindiri ve g(x,y, z) = x + z – 4 = 0 düzleminin kesişimi bir E elipsidir (Örnek 3). dƒ = ƒ (P0) ds Normal türev artım bulurduk. İki veya daha fazla değişkenli fonksiyonlar için, P0’dan uzaklaşan hareketin yönü u olmak üzere, dƒ = (∇ƒuP0 u) ds formülü kullanırız. Doğrultu türevi artım 1018 Bölüm 14: K›smi Türevler Bir u Yönünde ƒ’deki Değişimi Öngörmek Bir P0 noktasından belirli bir u yönünde küçük bir ds mesafesi kadar ilerlediğimizde, ƒ’deki değişimi öngörmek için dƒ = s§ƒ ƒ P0 # ud # ds ('')''* ()* Doğrultu türevi Artım miktarı formülünü kullanırız. ÖRNEK 4 ƒ(x, y, z)’nin De¤erindeki De¤iflimi Öngörmek P(x, y, z) noktası P0(0, 1, 0) noktasından P1(2, 2, –2) noktasına doğru 0.1 birim ilerlerse, ƒsx, y, zd = y sin x + 2yz fonksiyonunun değerinin nasıl değişeceğini tahmin edin. 1 Önce ƒ’nin P0’da P0 P1 = 2i + j – 2k yönündeki doğrultu türevini buluruz. Bu vektörün yönü 1 1 P0 P1 P0 P1 1 2 2 u = 1 = = i + j - k. 3 3 3 3 ƒ P0 P1 ƒ Çözüm dır. ƒ’nin P0’daki gradiyenti de §ƒ ƒ s0,1,0d = ss y cos xdi + ssin x + 2zdj + 2ykdds0,1,0d = i + 2k. dır. Bu nedenle, 2 1 2 2 4 2 §ƒ ƒ P0 # u = si + 2kd # a i + j - kb = - = - . 3 3 3 3 3 3 olur. P0’dan u yönünde ds = 0.1 birim ilerlemeden dolayı ƒ’de oluşacak değişim yaklaşık olarak 2 dƒ = s§ƒ ƒ P0 # udsdsd = a- bs0.1d L –0.067 -0.067birim unit. 3 olur. ‹ki De¤iflkenli Bir Fonksiyonu Lineerize Etmek İki değişkenli fonksiyonlar karmaşık olabilirler ve bazen onların yerine belirli uygulamalar için gereken hassaslığı veren ve çalışması o kadar zor olmayan daha basit fonksiyonlar kullanmak zorunda kalabiliriz.Bunu, tek değişkenli bir fonksiyon için lineer fonksiyonlar bulmamıza (Bölüm 3.8) benzer şekilde yaparız. Değiştirmek istediğimiz fonksiyonun z = ƒ(x, y) olduğunu ve değişimin, ƒ, ƒx ile ƒy’nin değerlerini bildiğimiz ve ƒ’nin sürekli olduğu bir (x0, y0) noktası civarında etkili olmasını istediğimizi varsayın. (x0, y0)’dan herhangi bir (x, y) noktasına Δx = x – x0 ve Δy = y – y0 artımlarıyla ilerlersek diferansiyellenebilmenin Bölüm 14.3’teki tanımından, ƒsx, yd - ƒsx0 , y0 d = fxsx0 , y0 d¢x + ƒysx0 , y0 d¢y + P1 ¢x + P2 ¢y, 14.6 (x0, y0) civarında bir nokta Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller 1019 değişimi elde edilir. Δx ve Δy artımları küçükse, 1Δx ve 2Δy çarpımları daha da küçük olur ve (x, y) ƒsx, yd L ƒsx0 , y0 d + fxsx0 , y0 dsx - x0 d + ƒysx0 , y0 ds y - y0 d. (''''''''''''')'''''''''''''* Lsx, yd y y y0 ƒ‘nin diferansiyellenebildiği bir nokta (x0, y0) elde ederiz. Başka bir deyişle, Δx ve Δy küçük oldukları sürece, ƒ’nin değeri yaklaşık olarak lineer L fonksiyonunkiyle aynı olacaktır. ƒ’nin kullanımı zorsa ve işimiz ortaya çıkacak hatayı kaldırabilecekse, ƒ yerine rahatlıkla L’yi kullanabiliriz (Şekil 14.33). x x x0 fiEK‹L 14.33 Şayet ƒ(x0, y0) noktasında diferansiyellenebilir ise, bu civardaki bir (x, y) noktasında ƒ’nin değeri yaklaşık olarak ƒ(x0, y0) + ƒx(x0, y0) x + ƒy(x0, y0) y’dir. TANIMLAR Lineerizasyon, Standart Lineer Yaklafl›m Birƒ(x, y) fonksiyonunun, ƒ’nin diferansiyellenebildiği bir (x0, y0) noktasındaki lineerizasyonu Lsx, yd = ƒsx0 , y0 d + ƒxsx0 , y0 dsx - x0 d + ƒysx0 , y0 ds y - y0 d. (5) fonksiyonudur. ƒsx, yd L Lsx, yd yaklaşımı ƒ’nin (x0, y0)’daki standart lineer yaklaşımıdır. (4) Denkleminden z = L(x, y) düzleminin (x0, y0) noktasında z = ƒ(x, y) yüzeyine teğet olduğunu görürüz. Yani, iki değişkenli bir fonksiyonun lineerizasyonu, tek değişkenli bir fonksiyonun lineerizasyonunun bir teğet–doğru yaklaşımı olması gibi, bir teğet-düzlem yaklaşımıdır. ÖRNEK 5 Bir Lineerizasyon Bulmak (3, 2) noktasında ƒsx, yd = x 2 - xy + 1 2 y + 3 2 fonksiyonunun lineerizasyonunu bulun. Çözüm Önce, (x0, y0) = (3,2) noktasında ƒ, ƒx ve ƒy’yi hesaplarız: ƒs3, 2d = ax 2 - xy + 1 2 y + 3b = 8 2 s3,2d ƒxs3, 2d = 0 1 ax 2 - xy + y 2 + 3b = s2x - yds3,2d = 4 0x 2 s3,2d ƒys3, 2d = 0 1 ax 2 - xy + y 2 + 3b = s -x + yds3,2d = -1, 0y 2 s3,2d Buradan, Lsx, yd = ƒsx0 , y0 d + ƒxsx0 , y0 dsx - x0 d + ƒysx0 , y0 ds y - y0 d = 8 + s4dsx - 3d + s -1ds y - 2d = 4x - y - 2. elde ederiz. ƒ’nin (3, 2) noktasındaki lineerizasyonu L(x, y) = 4x – y – 2’dir. 1020 Bölüm 14: K›smi Türevler y Bir ƒ(x, y) fonksiyonuna (x0, y0) noktasındaki L(x, y) lineerizasyonu ile yaklaşımda bulunduğumuzda önemli bir soru yaklaşımın ne kadar doğru olabileceğidir. Merkezi (x0, y0)’da olan bir R dikdörtgeninde (Şekil 14.34) ƒ ƒxx ƒ , ƒ ƒyy ƒ , ve ƒ ƒxy ƒ için ortak bir M üst sınırı bulabilirsek, R üzerindeki E hatasını basit bir formül kullanarak (Bölüm 14.10 da elde edilen) sınırlayabiliriz. Hata, E(x, y) = ƒ(x, y) – L(x, y) ile tanımlanır. k h (x0, y0) R 0 x fiEK‹L 14.34 xy-düzlemindeki dikdörtgen R: ƒ x - x0 ƒ … h, ƒ y - y0 ƒ … k bölgesi. Standart Lineer Yaklaşımdaki Hata ƒ’nin, merkezi (x0, y0)’da olan kapalı bir R dikdörtgenini içeren bir açık kümede sürekli birinci ve ikinci mertebe türevleri varsa ve M, ƒ ƒxx ƒ , ƒ ƒyy ƒ , ve ƒ ƒxy ƒ’nin değerlerinin R üzerindeki herhangi bir üst sınırı ise, R üzerinde ƒ(x, y) yerine Lsx, yd = ƒsx0 , y0 d + ƒxsx0 , y0 dsx - x0 d + ƒysx0 , y0 dsy - y0 d lineerizasyonunu yazmanın getireceği E(x, y) hatası 1 ƒ Esx, yd ƒ … 2 Ms ƒ x - x0 ƒ + ƒ y - y0 ƒ d2. eşitsizliğini sağlar. Verilen bir M için ƒ Esx, yd ƒ’yi küçük kılmak için, sadece ƒ x - x0 ƒ’ı ve ƒ y - y0 ƒ ’ı küçük tutmak yeterlidir. ÖRNEK 6 Örnek 5’teki Hatay› S›n›rlamak Örnek 5’te ƒ(x, y) < L(x, y) yaklaşımındaki hatanın üst sınırını R: ƒ x - 3 ƒ … 0.1, ƒ y - 2 ƒ … 0.1 . dikdörtgeni için bulun. Üst sınırı, ƒ’nin dikdörtgenin merkezindeki değeri olan ƒ(3, 2)’nin bir yüzdesi olarak ifade edin. Çözüm 1 ƒ Esx, yd ƒ … 2 Ms ƒ x - x0 ƒ + ƒ y - y0 ƒ d2 . eşitsizliğini kullanırız. M’nin uygun bir değerini bulmak için, rutin bir türev alma işleminden sonra, ƒxx, ƒxy ve ƒyy’yi hesaplar ve bu türevlerin, değerleri ƒ ƒxx ƒ = ƒ 2 ƒ = 2, ƒ ƒxy ƒ = ƒ -1 ƒ = 1, ƒ ƒyy ƒ = ƒ 1 ƒ = 1. olan sabitler olduklarını görürüz. Bunlardan en büyüğü 2’dir, dolayısıyla rahatlıkla M’yi 2 olarak alabiliriz. (x0, y0) = (3, 2) ile, artık R üzerinde 1 ƒ Esx, yd ƒ … 2 s2ds ƒ x - 3 ƒ + ƒ y - 2 ƒ d2 = s ƒ x - 3 ƒ + ƒ y - 2 ƒ d2. olduğunu biliriz. Son olarak, R üzerinde ƒ x - 3 ƒ … 0.1 ve ƒ y - 2 ƒ … 0.1 olduğundan ƒ Esx, yd ƒ … s0.1 + 0.1d2 = 0.04. buluruz. ƒ(3, 2) = 8’in bir yüzdesi olarak, hata 0.04 * 100 = 0.5% . 8 değerinden fazla olamaz. 14.6 Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller 1021 Diferansiyeller Bölüm 3.8’den, tek değişkenli bir y = ƒ(x) fonksiyonu için x, a’dan a + Δx’e değiştiğinde ƒ’deki değişimi ¢ƒ = ƒsa + ¢xd - ƒsad ile ve ƒ’nin diferansiyelini dƒ = ƒ (a)Δx olarak tanımladığımızı hatırlayın. Şimdi iki değişkenli bir fonksiyonu ele alıyoruz. Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ve kısmi türevlerinin bir (x0, y0) noktasında var olduklarını kabul edin. Yakındaki bir (x0 + Δx, y0 + Δy) noktasına geçersek, ƒ’deki değişim Δƒ = ƒ(x0 + Δx, y0 + Δy) – ƒ(x0, y0) olur. L(x, y)’nin tanımından, x – x0 = Δx ve y – y0 = Δy gösterimini kullanarak yapılan doğrudan bir hesaplama, L’de buna karşılık gelen değişikliğin ¢L = Lsx0 + ¢x, y0 + ¢yd - Lsx0 , y0 d = ƒxsx0 , y0 d¢x + ƒysx0 , y0 d¢y. olduğunu gösterir. dx ve dy diferansiyelleri bağımsız değişkenlerdir. Dolayısıyla bunlara herhangi değerler verilebilir. Çoğunlukla, dx = Δx = x – x0 ve dy = Δy = y – y0 alırız. Buradan, ƒ’nin diferansiyeli veya toplam diferansiyeli için aşağıdaki tanımı verebiliriz. Toplam Diferansiyel TANIM (x0, y0)’dan yakındaki bir (x0 + dx, y0 + dy) noktasına ilerlersek, ƒ’nin lineerizasyonunda bundan kaynaklanan dƒ = ƒxsx0 , y0 d dx + ƒysx0 , y0 d dy değişimine ƒ’nin toplam diferansiyeli denir. ÖRNEK 7 Hacimdeki De¤iflimi Kestirmek Silindirik bir kutunun 1 inç çapında ve 5 inç yüksekliğinde olacak şekilde tasarlandığını fakat çapının dr = +0.03 ve yüksekliğinin dh = – 0.1 kadar hatalı olduğunu varsayın. Kutunun hacminde bu hatalardan kaynaklanan mutlak değişimi öngörün. Çözüm V = pr2h’deki değişimi öngörmek için, ¢V L dV = Vr sr0 , h0 d dr + Vhsr0 , h0 d dh. formülünü kullanırız. Vr = 2prh ve Vh = pr2 ile dV = 2pr0 h0 dr + pr 02 dh = 2ps1ds5ds0.03d + ps1d2s -0.1d = 0.3p – 0.1p = 0.2p < 0.63 inç3 buluruz. 1022 Bölüm 14: K›smi Türevler Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun değerindeki mutlak değişim yerine bağıl değişimi veya yüzde değişimi sırasıyla dƒ ƒsx0 , y0 d and ve dƒ * 100, ƒsx0 , y0 d ile öngörebiliriz. Örnek 7’de bağıl değişim dV 0.2p 0.2p = 0.04, = = Vsr0 , h0 d pr 02h0 ps1d2s5d ile öngörülür. Bu da yüzde değişimi %4 olarak verir. ÖRNEK 8 De¤iflime Duyarl›l›k Şirketiniz 25 ft yüksekliğinde ve 5 ft yarıçapında silindir şeklinde şurup depolama tankları üretmektedir. Tankların hacmi yükseklik ve yarıçaptaki küçük değişimlere ne kadar duyarlıdır? Çözüm V = pr2h ile hacimde oluşacak değişim için dV = Vr s5, 25d dr + Vhs5, 25d dh = s2prhds5,25d dr + spr 2 ds5,25d dh = 250p dr + 25p dh r5 r 25 h 25 h5 (a) (b) fiEK‹L 14.35 (a) silindirinin hacmi r’deki küçük bir değişikliğe h’deki aynı oranda küçük bir değişikliğe olduğundan daha duyarlıdır. (b) silindirinin hacmi ise h’deki küçük bir değişikliğe r’deki aynı oranda küçük bir değişikliğe olduğundan daha duyarlıdır (Örnek 8). yaklaşımını buluruz. Yani, r’deki 1 birimlik bir değişim V’yi 250p birim kadar değiştirecektir. h’deki 1 birimlik değişiklik ise V’yi 25p birim değiştirir. Tankın hacmi r’deki küçük değişikliklere h’de aynı oranda küçük değişikliklere olduğundan 10 kat daha duyarlıdır. Tankların doğru hacimde olmasını sağlamaktan sorumlu kalite kontrol mühendisi olarak, yarıçaplarına özel bir dikkat göstermelisiniz. Bunun tersi olarak, r ve h’nin değerleri r = 25 ve h = 5 olacak şekilde değiştirilirse, V’nin toplam diferansiyeli dV = (2prh)(25,5) dr + (pr2)(25,5) dh = 250p dr + 625p dh olur. Şimdi hacim h’deki değişimlere r’deki değişimlerden daha duyarlıdır (Şekil 14.35). Genel kural şudur, fonksiyonlar en büyük kısmi türevi üreten değişkenlerdeki küçük değişimlere daha duyarlıdırlar. ÖRNEK 9 Yüzde Hata Öngörmek Dik bir silindirin V = pr2h hacmi, r ve h’nin ölçülen değerlerinden hesaplanacaktır. r’nin %2’den büyük olmayan bir hatayla ve h’nin de %0.5’ten büyük olmayan bir hatayla ölçüldüğünü varsayın. V’nin hesaplanmasında bundan kaynaklanacak olası yüzde hatayı bulun. Çözüm Bize söylenen dr ` r * 100 ` … 2 ve and ` dh * 100 ` … 0.5. h olduğudur. dV 2prh dr + pr 2 dh 2 dr dh = = r + , V h pr 2h olduğu için, 14.6 ` Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller 1023 dV dh dr ` = `2 r + ` V h dr dh … `2 r ` + ` ` h 2(0.02) + 0.005 = 0.045 buluruz. Hacim hesabındaki hata en fazla % 4.5 olacaktır. ‹kiden Fazla De¤iflkenli Fonksiyonlar İkiden fazla değişkenli fonksiyonlar için de benzer sonuçlar geçerlidir. 1. 2. ƒ(x, y, z)’nin bir P0(x0, y0, z0) noktasındaki lineerizasyonu L(x, y, z) = ƒ(P0) + ƒx(P0)(x – x0) + ƒy(P0)(y – y0) + ƒz(P0)(z – z0) ile verilir. R’nin, merkezi P0’da olan ve ƒ’nin ikinci kısmi türevlerinin sürekli olduğu bir açık bölgede bulunan kapalı dikdörtgen şeklinde bir cisim olduğunu varsayın. Ayrıca, ƒ ƒxx ƒ , ƒ ƒyy ƒ , ƒ ƒzz ƒ , ƒ ƒxy ƒ , ƒ ƒxz ƒ , ve ƒ ƒyz ƒ’nin R üzerinde M’den küçük veya eşit olduklarını da varsayın. Bu durumda R üzerinde ƒ’ye L ile yaklaşım yapılmasındaki E(x, y, z) = ƒ(x, y, z) – L(x, y, z) hata’sı 1 ƒ E ƒ … 2 Ms ƒ x - x0 ƒ + ƒ y - y0 ƒ + ƒ z - z0 ƒ d2. eşitsizliğiyle sınırlıdır. 3. ƒ’nin ikinci mertebeden kısmi türevleri sürekliyse ve x, y ve z x0, y0, z0’dan dx, dy ve dz oranında değişiyorsa, dƒ = ƒxsP0 d dx + ƒysP0 d dy + ƒzsP0 d dz toplam diferansiyeli, bunlardan dolayı ƒ’de oluşacak değişimin iyi bir yaklaşımıdır. ÖRNEK 10 3-Boyutlu Uzayda Bir Lineer Yaklafl›m Bulmak (x0, y0, z0) = (2, 1, 0) noktasında ƒsx, y, zd = x2 - xy + 3 sin z fonksiyonunun L(x, y, z) lineerizasyonunu bulun. R: ƒ x - 2 ƒ … 0.01, ƒ y - 1 ƒ … 0.02, ƒ z ƒ … 0.01. dikdörtgeni üzerinde ƒ yerine L yazmanın getireceği hatanın üst sınırını bulun. Çözüm Rutin bir hesaplama ƒs2, 1, 0d = 2, ƒxs2, 1, 0d = 3, ƒys2, 1, 0d = -2, ƒzs2, 1, 0d = 3. verir. Böylece, Lsx, y, zd = 2 + 3sx - 2d + s -2ds y - 1d + 3sz - 0d = 3x - 2y + 3z - 2. olur. ƒxx = 2, ƒyy = 0, ƒzz = -3 sin z, ƒxy = -1, ƒxz = 0, ƒyz = 0, 1024 Bölüm 14: K›smi Türevler olduğu için, M’yi rahatlıkla max u –3 sin zu = 3 olarak alabiliriz. Buradan 1 ƒ E ƒ … 2 s3ds0.01 + 0.02 + 0.01d2 = 0.0024 . buluruz. Hata 0.0024’ten büyük olmayacaktır. ALIfiTIRMALAR 14.6 Yüzeylerin Te¤et Düzlemleri ve Normal Do¤rular› De¤iflimi Öngörmek 1–8 alıştırmalarında, verilen yüzeyin P0’daki 19. P(x, y, z) noktası P0(3, 4, 12)’den 3i + 6j – 2k yönünde ds = 0.1 birim ilerlerse, (a) teğet düzleminin ve (b) normalinin denklemini bulun. 1. x 2 + y 2 + z 2 = 3, P0s1, 1, 1d 2. x 2 + y 2 - z 2 = 18, P0s3, 5, -4d 3. 2z - x 2 = 0, fonksiyonu ne kadar değişir? P0s2, 0, 2d 4. x 2 + 2xy - y 2 + z 2 = 7, 2 6. x - xy - y - z = 0, 20. P(x, y, z) noktası orijinden 2i + 2j – 2k yönünde ds = 0.1 birim ilerlerse, P0s1, -1, 3d 5. cos px - x 2y + e xz + yz = 4, 2 ƒsx, y, zd = ln2x 2 + y 2 + z 2 P0s0, 1, 2d ƒsx, y, zd = e x cos yz P0s1, 1, -1d fonksiyonu ne kadar değişecektir? P0s0, 1, 0d 7. x + y + z = 1, 8. x 2 + y 2 - 2xy - x + 3y - z = -4, 21. P(x, y, z) noktası P0(2, –1, 0)’dan P1(0, 1, 2) noktasına doğru ds = 0.2 birim ilerlerse, P0s2, -3, 18d 9–12 alıştırmalarında, verilen yüzeye verilen noktada teğet olan düzlemin denklemini bulun. 2 11. z = 2y - x, 2 s1, 0, 0d 10. z = e -sx + y d, 9. z = ln sx 2 + y 2 d, 12. z = 4x 2 + y 2, s1, 2, 1d fonksiyonu ne kadar değişecektir? s0, 0, 1d 22. P(x, y, z) noktası P0(–1, –1, –1)’den orijine doğru ds = 0.1 birim ilerlerse, s1, 1, 5d hsx, y, zd = cos spxyd + xz 2 E¤rilerin Te¤etleri 13–18 alıştırmalarında, yüzeylerin kesişim eğrilerine verilen noktada teğet olan doğrunun parametrik denklemlerini bulun. 13. Yüzeyler: x + y 2 + 2z = 4, Nokta: x 2 + 2y 2 + 3z 2 = 6 (1, 1, 1> 2) 16. Yüzeyler: x + y 2 + z = 2, Nokta: (1> 2, 1, 1> 2) 3 2 2 3 y = 1 b. Parçacığa etkiyen sıcaklık P’de °C@m olarak ne hızla değişmektedir? y = 1 2 17. Yüzeyler: x + 3x y + y + 4xy - z = 0, = 11 Nokta: (1, 1, 3) 18. Yüzeyler: x 2 + y 2 = 4, Nokta: A 22, 22, 4 B fonksiyonu ne kadar değişecektir? 23. Bir çember boyunca sıcaklık değişimi xy-düzleminde bir (x, y) noktasındaki santigrad sıcaklığın T(x, y) = x sin 2y olduğunu ve xy-düzleminde uzaklığın metre olarak ölçüldüğünü varsayın. Bir parçacık saat yönünde, merkezi orijinde olan 1 m yarıçaplı bir çember üzerinde 2 m@sn hızla ilerlemektedir. a. Parçacığa etkiyen sıcaklık P A 1>2, 23>2 B ? noktasında °C@m olarak ne hızla değişmektedir? (1, 1, 1) 15. Yüzeyler: x 2 + 2y + 2z = 4, Nokta: x = 1 (1, 1, 1) 14. Yüzeyler: xyz = 1, Nokta: gsx, y, zd = x + x cos z - y sin z + y x2 + y2 - z = 0 2 2 x + y + z 2 24. Bir uzay eğrisi boyunca sıcaklık değişimi Uzayda bir bölgedeki santigrad sıcaklık T(x, y, z) = 2x2 – xyz ile verilmektedir. Bir parçacık bu bölgede ilerlemekte ve t anındaki konumu, zaman saniye ve uzaklık metre cinsinden ölçülmek üzere, x = 2t2, y = 3t ve z = –t2 ile verilmektedir. 14.6 a. Parçacık P(8, 6, – 4) noktasındayken, parçacığa etkiyen sıcaklık °C@m olarak ne hızla değişmektedir? b. Parçacığa etkiyen sıcaklık P’de °C@m olarak ne hızla değişmektedir? 25–30 alıştırmalarında, verilen her noktada fonksiyonun L(x, y) lineerizasyonunu bulun. 25. ƒsx, yd = x 2 + y 2 + 1 at a. (0, 0), b. (1, 1) 26. ƒsx, yd = sx + y + 2d2 at a. (0, 0), b. (1, 2) 27. ƒsx, yd = 3x - 4y + 5 at a. (0, 0), b. (1, 1) 28. ƒsx, yd = x y at a. (1, 1), b. (0, 0) 29. ƒsx, yd = e x cos y at a. (0, 0), b. s0, p>2d 30. ƒsx, yd = e 2y - x at a. (0, 0), b. (1, 2) 3 4 1025 40. ƒsx, y, zd = ssin xyd>z a. sp>2, 1, 1d b. (2, 0, 1) x 41. ƒsx, y, zd = e + cos s y + zd b. a0, a. (0, 0, 0) Lineerizasyonlar Bulmak Te¤et Düzlemler ve Diferansiyeller c. a0, p , 0b 2 p p , b 4 4 42. ƒsx, y, zd = tan-1 sxyzd a. (1, 0, 0) b. (1, 1, 0) c. (1, 1, 1) 43–46 alıştırmalarında, ƒ(x, y, z) fonksiyonunun P0’daki lineerizasyonu L(x, y, z)’yi bulun. Sonra, R bölgesi üzerinde ƒ(x, y, z) < L(x, y, z) yaklaşımının getirdiği E hatasına bir üst sınır bulun. 43. ƒsx, y, zd = xz - 3yz + 2 R: P0s1, 1, 2d at ƒ x - 1 ƒ … 0.01, ƒ y - 1 ƒ … 0.01, 2 2 44. ƒ(x, y, z) = x + xy + yz + (1@4)z ƒ z - 2 ƒ … 0.02 P0(1, 1, 2) R: ƒ x - 1 ƒ … 0.01, ƒ y - 1 ƒ … 0.01, ƒ z - 2 ƒ … 0.08 45. ƒ(x, y, z) = xy + 2yz – 3xz P0(1, 1, 0) Lineer Yaklafl›mlarda Hatalar›n Üst S›n›r› 31–36 alıştırmalarında, ƒ(x, y) fonksiyonunun P0’da L(x, y) lineerizasyonunu bulun. Sonra, ƒ(x, y) < L(x, y) yaklaşımının R dikdörtgeni üzerindeki hatasının büyüklüğü ƒ E ƒ için bir üst sınır bulun. 31. ƒsx, yd = x 2 - 3xy + 5 ,at P0s2, 1d, R: ƒ x - 2 ƒ … 0.1, ƒ y - 1 ƒ … 0.1 32. ƒsx, yd = s1>2dx 2 + xy + s1>4dy 2 + 3x - 3y + 4 ,at P0s2, 2d, R: ƒ x - 2 ƒ … 0.1, ƒ y - 2 ƒ … 0.1 33. ƒsx, yd = 1 + y + x cos y ,at P0s0, 0d, R: ƒ x ƒ … 0.2, ƒ y ƒ … 0.2 (E’yi hesaplarken, ucos yu 1 ve usin yu 1 kullanın.) 34. ƒsx, yd = xy 2 + y cos sx - 1d ,at P0s1, 2d, ƒ x - 1 ƒ … 0.1, ƒ y - 2 ƒ … 0.1 35. ƒsx, yd = e x cos y ,at P0s0, 0d, R: ƒ x ƒ … 0.1, ƒ y ƒ … 0.1 (E’yi hesaplarken, ex 1.11 ve ucos yu 1 kullanın.) 36. ƒsx, yd = ln x + ln y ,at P0s1, 1d, ƒ x - 1 ƒ … 0.2, ƒ y - 1 ƒ … 0.2 37. ƒsx, y, zd = xy + yz + xz at b. (0, 1, 0) c. (1, 0, 0) 39. ƒsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2 a. (1, 0, 0) b. (1, 1, 0) R: ƒ x ƒ … 0.01, ƒ y ƒ … 0.01, at P0s0, 0, p>4d ƒ z - p>4 ƒ … 0.01 Hata Öngörmek; De¤iflime Duyarl›l›k 47. Maksimum hatayı öngörmek T’nin, x ve y, ƒ dx ƒ = 0.1 ve ƒ dy ƒ = 0.02 olası en büyük hatalarıyla, 2 ve ln 2 olarak verilmek üzere, T = x(ey + e–y) formülünden bulunacağını varsayın. T’nin hesaplanan değerindeki olası en büyük hatayı bulun. 48. Bir silindirin hacmini öngörmek %1 hatayla ölçülen r ve h değerleriyle, V = pr2h ne kadar doğru olarak hesaplanabilir? 50. Elektriksel dirençte değişim R1 ve R2 dirençlerini paralel bağlayarak üretilen R direnci (Şekle bakın) 1 1 1 + . = R R1 R2 dR = a 2 2 R R b dR1 + a b dR2 . R1 R2 olduğunu gösterin. c. (0, 0, 0) 38. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 at a. (1, 1, 1) 46. ƒsx, y, zd = 22 cos x sin s y + zd ƒ z ƒ … 0.01 a. 37–42 alıştırmalarındaki fonksiyonların verilen noktalardaki L(x, y, z) lineerizasyonlarını bulun. b. (1, 0, 0) ƒ y - 1 ƒ … 0.01, formülüyle hesaplanabilir. Üç De¤iflkenli Fonksiyonlar a. (1, 1, 1) ƒ x - 1 ƒ … 0.01, 49. Maksimum yüzde hata milimetreye yuvarlama ile r = 5.0 cm ve h = 12.0 cm ise, V = pr2h’yi hesaplarken, maksimum yüzde hatanın ne olmasını bekleyebiliriz? R: R: R: c. (1, 2, 2) b. Bir sonraki sayfada gösterildiği gibi, iki dirençli bir devreyi R1 = 100 ohm ve R2 = 400 ohm olacak şekilde tasarladınız, ama üretimde her zaman değişiklikler olur ve firmanızın satın aldığı dirençler muhtemelen tam olarak bu değerlere sahip olmayacaklardır. R’nin değeri R1’deki değişimlere mi, R2’deki değişimlere mi daha duyarlı olacaktır? Yanıtınızı açıklayın. 1026 Bölüm 14: K›smi Türevler 55. 2 : 2 determinantın değeri u a u değeri u b u, u c u ve u d u’den çok daha büyükse, V R1 ƒsa, b, c, dd = ` R2 c. Şekildeki gibi, bir başka devrede R1’i 20’den 20.1 ohm’a, R2’yi de 25 ten 24.9 ohm’a değiştirmeyi planlıyorsunuz. Bu değişiklikten dolayı R’de meydana gelen değişim yaklaşık olarak yüzde kaçtır? 51. Uzunluk ve genişlik ölçümlerinden uzun ince bir dikdörtgenin alanını hesaplamayı planlıyorsunuz. Hangi boyutu daha dikkatli ölçmelisiniz? Yanıtınızı açıklayın. 52. a. (1, 0) noktası civarında, ƒ(x, y) = x2(y + 1) fonksiyonu x’teki değişimlere mi, yoksa y’deki değişimlere mi daha duyarlıdır? Yanıtınızı açıklayın. b. dx’in dy’ye hangi oranı dƒ’yi (1, 0)’da sıfır yapar? 53. Koordinat dönüşümlerinde hata taşınması y P(3 ; 0.01, 4 ; 0.01) 4 r u 0 3 56. Maksimum hata öngörmek u = xey + y sin z olduğunu ve x, y ve z’nin en büyük olası hatalarının sırasıyla 0.2, 0.6 ve p@180 olduğunu varsayın. u’yu ölçülen x = 2, y = ln 3, z = p@2 değerlerinden hesaplamada ortaya çıkacak en büyük olası hatayı öngörün. 57. Wilson miktar Ekonomideki Wilson miktar formülü, bir depo için ısmarlanacak en ekonomik miktar Q’nun (radyo, ayakkabı, süpürge gibi), K siparişi vermenin masrafı, M hafta başına satılan mal sayısı ve h her malın haftalık depolama masrafı (yer, bakım, güvenlik, vb masrafı) olmak üzere, Q = 22KM>h , olduğunu söyler. (K0, M0, h0) = (2, 20, 0.05) noktası civarında Q değeri K, M ve h değişkenlerinin hangisine daha duyarlıdır? Yanıtınızı açıklayın. 58. Üçgensel bir alanın incelenmesi Bir üçgenin alanı, a ve b üçgenin iki kenarının uzunluğu ve C de bu ikisinin arasındaki açı olmak üzere, (1@2)ab sin C ile verilmektedir. Üçgen bir bölgeyi incelerken, a, b ve C’yi sırayla 150 ft, 200 ft ve 60° olarak ölçüyorsunuz. a ve b değerleriniz yarım fit fazla ve C’yi ölçümünüz 2° fazlaysa, alan hesaplamanız ne kadar hatalı olabilir? Şekle bakın. Radyan kullanmayı hatırlayın. a 150 ; a. Bu boyutlarda, kutunun hacminin yükseklikteki küçük bir değişime karşılık yarıçaptaki küçük bir değişime duyarlılığı nedir? b. Daha fazla soda içeriyormuş gibi görünen, ama aslında tam 12 ons içeren bir gazoz kutusu tasarlayabilir misiniz? Boyutları ne olur? (Birden fazla doğru yanıt vardır.) 1 ft 2 C 60° ; 2° 0.01 ve y = 4 0.01 ise, a. Aşağıda gösterildiği gibi, x = 3 r2 = x2 + y2 ve u = tan–1(y@x) formüllerinden P(x, y) noktasının r ve u kutupsal koordinatlarını yaklaşık ne kadar hassaslıkla hesaplayabilirsiniz? Tahminlerinizi r ve u’nın (x0, y0) = (3, 4) noktasındaki değerlerinin bir yüzdesi olarak tanımlayın. 54. Bir soda kutusu tasarlamak Standart bir 12 onsluk gazoz kutusu esasında r = 1 inç yarıçaplı ve h = 5 inç yüksekliğinde bir silindirdir. b ` d determinantının değeri a, b, c ve d’den hangisine daha duyarlıdır? Yanıtınızı açıklayın., x b. (x0, y0) = (3, 4) noktasında, r ve u’nın değerleri x’teki değişimlere mi, y’deki değişimlere mi daha duyarlıdır? Yanıtınızı açıklayın. a c b 200 ; 1 ft 2 Teori ve Al›flt›rmalar 59. ƒ(x, y)’nin lineerizasyonu bir teğet düzlem yaklaşımıdır Diferansiyellenebilir bir ƒ fonksiyonuyla tanımlanan z = ƒ(x, y) yüzeyi üzerinde bir P0(x0, y0), ƒ(x0, y0) noktasındaki teğet düzlemin ƒx(x0, y0)(x – x0) + ƒy(x0, y0)(y – y0) – (z – ƒ(x0, y0)) = 0 veya z = ƒ(x0, y0) + ƒx(x0, y0)(x – x0) + ƒy(x0, y0)(y – y0) düzlemi olduğunu gösterin. Yani P0’daki teğet düzlem, ƒ’nin P0’daki lineerizasyonunun grafiğidir (Şekle bakın). 14.7 z f(x, y) (x0, y0, f(x0, y0)) z z L(x, y) y Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› helisinin birim teğet vektörü yönündeki türevini bulun. ƒ fonksiyonu helis üzerindeki bir P(x, y, z) noktasından orijine olan uzaklığın karesini verir. Burada hesaplanan türevler, P’nin t = –p@4, 0 ve p@4 olduğu noktalardan geçtiği sırada, uzaklığın karesinin t’ye göre değişim oranlarını verir. 62. Normal eğriler Bir kesişim noktasında, bir düzgün eğrinin hız vektörü aynı noktadaki ∇ƒ’nin skaler bir katı ise, eğri ƒ(x, y, z) = c yüzeyine normaldir. t = 1 iken rstd = 2t i + 2t j - (x0, y0) 1027 1 st + 3dk 4 eğrisinin, x2 + y2 – z = 3 yüzeyine normal olduğunu gösterin. x 60. Bir çemberin involutu boyunca değişim ƒ(x, y) = x2 + y2’ nin r(t) = (cos t + t sin t)i + (sin t – t cos t)j, t0 63. Teğet eğriler Bir kesişim noktasında, eğrinin hız vektörü o noktadaki ∇ƒ’ye ortogonalse, eğri yüzeye teğettir. t = 1 iken rstd = 2t i + 2t j + s2t - 1dk eğrisinin birim teğet vektörü yönündeki doğrultu türevini bulun. 61. Bir helis boyunca değişim ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2’nin t = –p@4, 0 ve p@4 olduğu noktalarda eğrisinin, x2 + y2 – z = 1 yüzeyine teğet olduğunu gösterin. rstd = scos tdi + ssin tdj + t k 14.7 Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› z x İki değişkenli sürekli fonksiyonlar, kapalı ve sınırlı tanım kümelerinde mutlak maksimum ve minimum değerlerini alırlar (Bkz. Şekil 14.36 ve 14.37). Bu bölümde, fonksiyonların birinci mertebeden kısmi türevlerini inceleyerek, ekstremum değerleri arama işini daraltabileceğimizi göreceğiz. İki değişkenli bir fonksiyonun ekstremum değerleri, ancak tanım kümesinin sınır noktalarında veya birinci mertebeden kısmi türevlerin sıfır olduğu veya birinci mertebeden kısmi türevlerden birinin yada ikisinin birden bulunmadığı iç noktalarında bulunabilir. Bununla birlikte, bir (a, b) iç noktasında türevlerin bulunmaması veya sıfır olması her zaman bir ekstremum değerin varlığını işaret etmez. Fonksiyonun grafiği olan yüzey, (a, b) noktasının üst tarafında bir eyer şeklinde olabilir ve burada teğet düzlemini kesebilir. y Yerel Ekstremum De¤erler ‹çin Türev Testleri 2 2 fiEK‹L 14.36 z = scos xdscos yde -2x + y fonksiyonunun kare şeklindeki bir ƒ x ƒ … 3p>2, ƒ y ƒ … 3p>2 . bölgesinde değeri 1 olan bir maksimumu ve değeri yaklaşık –0.067 olan bir minimumu vardır. Tek değişkenli bir fonksiyonun yerel ekstremum değerlerini bulmak için, grafiğin yatay bir teğetinin bulunduğu noktaları ararız. Sonra böyle noktalarda yerel maksimumları, yerel minimumları ve büküm noktalarını ararız. İki değişkenli bir ƒ(x, y) fonksiyonu için, z = ƒ(x, y) yüzeyinin yatay bir teğet düzleminin bulunduğu noktaları ararız. Böyle noktalarda yerel maksimumları, yerel minimumları ve eyer noktalarını (eyer noktaları hakkında birazdan daha fazla bilgi verilecektir) ararız. 1028 Bölüm 14: K›smi Türevler z TANIMLAR Yerel Maksimum, Yerel Minimum ƒ(x, y) fonksiyonu (a, b) noktasını içeren bir R bölgesinde tanımlanmış olsun. 1. 2. x Merkezi (a, b)’de olan bir açık daire içindeki bütün (x, y) tanım kümesi noktaları için ƒ(a, b) ƒ(x, y) ise, ƒ(a, b) ƒ’nin bir yerel maksimumudur. Merkezi (a, b)’de olan bir açık daire içindeki bütün (x, y) tanım kümesi noktaları için ƒ(a, b) ƒ(x, y) ise, ƒ(a, b) ƒ’nin bir yerel minimumudur. y Yerel maksimumlar z = ƒ(x, y) yüzeyi üzerindeki dağ tepelerine, yerel minimumlar ise ova diplerine karşılık gelirler (Şekil 14.38). Böyle noktalarda, varsa, teğet düzlemler yataydır. Yerel ekstremumlara ayrıca bağıl ekstremumlar da denir. Tek değişkenli fonksiyonlarda olduğu gibi, yerel ekstremumları tanımlamanın anahtarı birinci türev testidir. fiEK‹L 14.37 görülen z = (10, 15, 20) noktasından Yerel maksimumlar (yak›nlarda ƒ’nin daha büyük de¤eri yok) 1 A ƒ x - y ƒ - ƒ x ƒ - ƒ y ƒB 2 ƒ ƒ ƒ ƒ “çatı yüzeyi”. Tanımlayıcı fonksiyonun ux u a, uy u a kare bölgesinde değeri 0 olan bir maksimumu ve değeri –a olan bir minimumu vardır. Yerel minimum (yak›nlarda ƒ’nin daha küçük de¤eri yok) fiEK‹L 14.38 Bir yerel maksimum bir dağ tepesi, bir yerel minimum ise bir ova dibidir. TARİHSEL BİYOGRAFİ Siméon-Denis Poisson (1781–1840) TEOREM 10 Yerel Ekstremum De¤erler ‹çin Birinci Türev Testi ƒ(x, y)’nin, tanım kümesinin bir (a, b) iç noktasında bir yerel maksimum veya minimum değeri varsa ve o noktada birinci mertebe kısmi türevleri de varsa, ƒx(a, b) = 0 ve ƒy(a, b) = 0 olur. z 0f 0 0x z f (x, y) 0f 0 0y 0 a g(x) f (x, b) b ‹spat (a, b) noktasında ƒ’nin bir yerel exstremum değeri varsa g(x) = ƒ(x, b) fonksiyonunun x = a noktasında bir yerel exstremum değeri vardır (Şekil 14.39). Bu nedenle g (a) = 0 dır ( Bölüm 4, Teorem 2). Şimdi, g (a) = ƒx(a, b) olduğundan ƒx(a, b) = 0 olur. Benzer düşünceyle, h(y) = ƒ(a, y) fonksiyonu ƒy(a, b) = 0 olduğunu gösterir. ƒx(a, b) = 0 ve ƒy(a, b) = 0 değerlerini, z = ƒ(x, y) yüzeyinin (a, b)’deki teğet düzlemi- h( y) f (a, y) nin ƒxsa, bdsx - ad + ƒysa, bds y - bd - sz - ƒsa, bdd = 0 y x (a, b, 0) fiEK‹L 14.39 ƒ’nin x = a, y = b noktasında bir yerel maksimum değeri varsa ƒx(a, b) ve ƒy(a, b) birinci mertebe kısmi türevlerinin ikisi de sıfırdır. denkleminde yerine koyarsak, denklem 0 # sx - ad + 0 # s y - bd - z + ƒsa, bd = 0 veya z = ƒ(a, b) haline indirgenir. 14.7 z x xy(x 2 y 2 ) TANIM Kritik Nokta Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun tanım kümesinin bir iç noktasında hem ƒx hem de ƒy sıfır ise veya ƒx ve ƒy’den biri veya ikisi de yoksa bu nokta ƒ’nin bir kritik noktasıdır. Teorem 10’a göre bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ekstremum değerler alabileceği yegane noktalar kritik noktalar ve sınır noktalarıdır. Tek değişkenli diferansiyellenebilir fonksiyonlarda olduğu gibi, her kritik nokta bir yerel ekstremuma neden olmaz. Tek değişkenli diferansiyellenebilir bir fonksiyonun bir büküm noktası olabilir. İki değişkenli diferansiyellenebilir bir fonksiyonun bir eyer noktası olabilir. x2 y2 z y x z y2 y4 x2 TANIM Eyer Noktas› Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun bir kritik noktası (a, b) olsun. Merkezi (a, b)’de olan her açık dairede hem ƒ(x, y) ƒ(a, b) olacak şekilde (x, y) tanım kümesi noktaları ve hem de ƒ(x, y) ƒ(a, b) olacak şekilde (x, y) tanım kümesi noktaları varsa (a, b) kritik noktası bir eyer noktası dır. z = ƒ(x, y) yüzeyinde buna karşılık gelen (a, b, ƒ(a, b)) noktasına yüzeyin bir eyer noktası denir (Şekil 14.40). ÖRNEK 1 fiEK‹L 14.40 1029 Yani, Teorem 10, yüzeyin bir yerel ekstremum değerinde, orada bir teğet düzlem bulunması koşuluyla, gerçekten de yatay bir teğet düzlemi olduğunu söylemektedir. y z Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› Orijinde eyer noktaları. Yerel Ekstremum De¤erleri Bulmak ƒ(x, y) = x2 + y2’nin yerel ekstremum değerlerini bulun. ƒ’nin tanım kümesi bütün düzlemdir (yani sınır noktası yoktur) ve ƒx = 2x ile ƒy = 2y kısmi türevleri her yerde tanımlıdır. Dolayısıyla, yerel ekstremum değerler sadece Çözüm ƒx = 2x = 0 ve ƒy = 2y = 0 olan yerlerde bulunabilir. Tek olasılık ƒ’nin değerinin sıfır olduğu orijindir. ƒ asla negatif olmadığı için, orijinin bir yerel minimum verdiğini görürüz (Şekil 14.41). z z x 2 y2 ÖRNEK 2 Bir Eyer Noktas› Belirlemek ƒ(x, y) = y2 – x2 ekstremum değerlerini (varsa) bulun. ƒ’nin tanım kümesi bütün düzlemdir (yani sınır noktası yoktur) ve ƒx = –2x ile ƒy = 2y kısmi türevleri her yerde tanımlıdır. Dolayısıyla, yerel ekstremum değerler sadece orijinde, (0, 0)’da bulunabilir. Ancak, pozitif x-ekseni boyunca ƒ’nin değeri ƒ(x, 0) = –x2 0’dır; pozitif y-ekseni boyunca ƒ’nin değeri ƒ(0, y) = 2y 0’dır. Dolayısıyla xy-düzleminde merkezi (0, 0)’da olan her açık daire, hem fonksiyonun pozitif olduğu noktalar ve hem de fonksiyonun negatif olduğu noktalar içerir. Fonksiyonun orijinde bir yerel ekstremum değeri yerine bir eyer noktası vardır (Şekil 14.42). Fonksiyonun hiç yerel ekstremum değerinin olmadığı sonucuna varırız. Çözüm x y fiEK‹L 14.41 ƒ(x, y) = x2 + y2 fonksiyonunun grafiği z = x2 + y2 parabloididir. Fonksiyonun orijinde, değeri 0 olan bir yerel minimumu vardır (Örnek 1). R’nin bir (a, b) iç noktasında ƒx = ƒy = 0 olması ƒ’nin orada bir yerel ekstremum değerinin olup olmadığını söylemeye yeterli değildir. Ancak, ƒ ile ƒ’nin birinci ve ikinci mertebe kısmi türevleri R’de sürekliyse, Bölüm 14.10’da ispatlanacak olan aşağıdaki teoremden daha fazlasını öğrenebiliriz. 1030 Bölüm 14: K›smi Türevler z TEOREM 11 Yerel Ekstrem De¤erler ‹çin ‹kinci Türev Testi (a, b) merkezli bir dairede ƒ(x, y) ile birinci ve ikinci mertebeden kısmi türevlerinin sürekli olduklarını ve ƒx(a, b) = ƒy(a, b) = 0 olduğunu varsayın. Bu durumda z y2 x2 y x fiEK‹L 14.42 Orijin, ƒ(x, y) = y2 – x2 fonksiyonunun bir eyer noktasıdır. Yerel ekstremum değerler yoktur (Örnek 2). i. (a, b)’de ƒxx 6 0 ve ƒxx ƒyy - ƒxy2 7 0 ise, ƒ’nin (a, b)’de bir yerel maksimumu vardır. ii. (a, b)’de ƒxx 7 0 ve ƒxx ƒyy - ƒxy2 7 0 ise, ƒ’nin (a, b)’de bir yerel minimumu vardır. iii. (a, b)’de ƒxx ƒyy - ƒxy2 6 0 ise, ƒ’nin (a, b)’de bir eyer noktası vardır. iv. (a, b)’de ƒxx ƒyy - ƒxy2 = 0 ise, test sonuçsuzdur. Bu durumda, ƒ’nin (a, b)’deki davranışını belirlemek için başka bir yol bulmak gerekir. ƒxxƒyy – ƒxy2 ifadesine ƒ’nin diskriminantı denir. Bazen determinant şeklini hatırlamak daha kolaydır: ƒxx ƒyy - ƒxy2 = p ƒxx ƒxy ƒxy p. ƒyy Teorem 11, diskriminant (a, b) noktasında pozitif ise, yüzeyin her yönde aynı şekilde eğrildiğini söyler: ƒxx 0 ise, bir yerel maksimum oluşturarak aşağı; ƒxx 0 ise bir yerel minimum oluşturarak yukarı. Diğer yandan, diskriminant (a, b)’de negatifse, yüzey bazı yönlerde yukarı, bazılarında ise aşağı kıvrılır, dolayısıyla bir eyer noktası elde edilir. ÖRNEK 3 Yerel Ekstremum De¤erler Bulmak Aşağıdaki fonksiyonun yerel ekstremum değerlerini bulun. ƒ(x, y) = xy – x2 – y2 –2x – 2y + 4 Fonksiyon her x ve y için tanımlı ve türetilebilirdir ve tanım kümesinin sınır noktası yoktur. Dolayısıyla fonksiyonun sadece ƒx ile ƒy’nin aynı anda sıfır oldukları yerde ekstremum değerleri vardır. Bu Çözüm ƒx = y – 2x – 2 = 0, ƒy = x – 2y – 2 = 0 veya x = y = –2 verir. Dolayısıyla, (–2, –2) noktası ƒ’nin bir ekstremum değer alabileceği tek noktadır. Bir ekstremum değerin var olup olmadığını anlamak için, ƒxx = – 2, ƒyy = –2, ƒxy = 1 kısmi türevlerini hesaplarız. ƒ’nin (a, b) = (–2, –2)’deki diskriminantını ƒxxƒyy – ƒxy2 = (–2)(–2) – (1)2 = 4 – 1 = 3 olarak buluruz. ƒxx 0 ve ƒxxƒyy – ƒxy2 0 birleşimi bize ƒ’nin (–2, –2)’de bir yerel maksimum değerinin var olduğunu söyler. ƒ’nin bu noktadaki değeri ƒ(–2, –2) = 8’dir. 14.7 z ÖRNEK 4 y Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› 1031 Yerel Eksremum De¤erler Aramak ƒ(x, y) = xy’nin yerel ekstrem değerlerini bulun. ÇÖZÜM ƒ her yerde türetilebilir olduğundan (Şekil 14.43), ekstremum değerleri sadece ƒx = y = 0 x ve ƒy = x = 0 olan noktalarda olabilir. Yani, orijin ƒ’nin bir ekstrem değerinin olabileceği tek noktadır. Burada ne olduğunu görmek için, ƒxx = 0, ƒyy = 0, ƒxy = 1 kısmi türevlerini hesaplarız. ƒxxƒyy – ƒxy2 = –1 z xy fiEK‹L 14.43 z = xy yüzeyinin orijinde bir eyer noktası vardır (Örnek 4). negatiftir. Dolayısıyla, (0, 0)’da fonksiyonun bir eyer noktası vardır. ƒ(x, y) = xy’nin yerel ekstrem değerleri bulunmadığı sonucuna varırız. Kapal› S›n›rl› Bölgelerde Mutlak Maksimum ve Minimumlar Kapalı ve sınırlı bir R bölgesinde sürekli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun mutlak ekstremumlarını aramayı üç adımda düzenleriz. 1. 2. 3. y R’de, ƒ’nin yerel maksimum veya minimumlarının bulunabileceği iç noktaları listeleyin ve bu noktalarda ƒ’yi hesaplayın. Bunlar ƒ’nin kritik noktalarıdır. R’de, ƒ’nin yerel maksimum veya minimumlarının bulunduğu sınır noktalarını listeleyin ve bu noktalarda ƒ’yi hesaplayın. Bunun nasıl yapılacağını kısaca göstereceğiz. Listelerden ƒ’nin maksimum ve minimum değerlerini bulun. Bunlar ƒ’nin R üzerindeki mutlak maksimum ve minimum değerleridir. Mutlak maksimum ve minimumlar aynı zamanda yerel maksimum ve minimumlar olduğu için, ƒ’nin mutlak minimum ve maksimum değerleri Adım 1 ve 2’de yapılan listelerde bulunmalıdır. ÖRNEK 5 B(0, 9) Birinci dörtte bir bölgede, x = 0, y = 0, y = 9 – x doğrularıyla çevrili üçgensel bölgede y9x ƒsx, yd = 2 + 2x + 2y - x 2 - y 2 ⎛ 9 , 9⎛ ⎝ 2 2⎝ x0 fonksiyonunun mutlak maksimum ve minimum değerlerini bulun. (1, 1) O Mutlak Ekstremumlar Bulmak y0 x A(9, 0) fiEK‹L 14.44 Bu üçgensel bölge Örnek 5’teki fonksiyonun tanım kümesidir. Çözüm ƒ diferansiyellenebilir olduğundan, ƒ’nin bu değerleri alabileceği yegane yerler üçgenin (Şekil 14.44) içinde ƒx = ƒy = 0 olan noktalar ve sınır üzerindeki noktalardır. (a) İç noktalar. Bunlar için, ƒx = 2 – 2x = 0, ƒy = 2 – 2y = 0 buluruz ve bu da (x, y) = (1, 1) noktasını verir. ƒ’nin oradaki değeri ƒ(1, 1) = 4 olur. 1032 Bölüm 14: K›smi Türevler (b) Sınır noktaları. Her seferinde üçgenin bir kenarını ele alırız: (i) OA doğru parçası üzerinde, y = 0’dır. ƒsx, yd = ƒsx, 0d = 2 + 2x - x 2 fonksiyonuna artık x’in 0 x 9 kapalı aralığında tanımlı bir fonksiyonu olarak bakabiliriz. Ekstremum değerleri (Bölüm 4’ten biliyoruz) ƒ(0, 0) = 2 olan x = 0 ƒ(9, 0) = 2 + 18 – 81 = –61 olan x = 9 uç noktalarında ve ƒ (x, 0) = 2 – 2x = 0 olan iç noktalarda olabilir. ƒ (x, 0) = 0 olan tek nokta x = 1’dir ve burada ƒ(x, 0) = ƒ(1, 0) = 3 bulunur. (ii) OB doğru parçası üzerinde, x = 0’dır ve ƒ(x, y) = ƒ(0, y) = 2 + 2y – y2 olur. ƒ’nin x ve y’ye göre simetrisinden ve demin yaptığımız analizden bu doğru parçasındaki adayların ƒ(0, 0) = 2, ƒ(0, 9) = –61, ƒ(0. 1) = 3 olduğunu biliyoruz. (iii) AB’nin uç noktalarında ƒ’nin değerlerini zaten bulduk, dolayısıyla sadece AB’nin iç noktalarına bakmamız yeterlidir. y = 9 – x ile, ƒ(x, y) = 2 + 2x + 2(9 – x) – x2 – (9 – x)2 = – 61 + 18x – 2x2 elde ederiz. ƒ (x, 9 – x) = 18 – 4x = 0 almak, x = 18 9 = . 4 2 verir. Bu x değerinde, y = 9 - 9 9 = 2 2 ve and 9 9 41 ƒsx, yd = ƒ a , b = - . 2 2 2 olur. Özet Bütün adayları sıralarız: 4, 2, – 61, 3, –(41@2). Maksimum, ƒ’nin (1, 1)’ de aldığı 4 değeridir. Minimum, ƒ’nin (0, 9) ve (9, 0)’da aldığı – 61 değeridir. Değişkenleri üzerinde cebirsel kısıtlamalar bulunan ekstremum değer problemlerini çözmek genellikle bir sonraki bölümde ele alınan Lagrange Çarpanları yöntemini gerektirir. Fakat, bazen bu gibi problemleri sıradaki örnekte olduğu gibi doğrudan çözebiliriz. ÖRNEK 6 Bir Hacim Problemini Bir K›s›t ‹le Çözmek Bir kargo şirketi, sadece uzunluğunun ve çevresinin (bir dik-kesitinin çevresi) toplamı 108 inç’i geçmeyen, dikdörtgensel kutuları kabul etmektedir. En büyük hacimli, kabul edilebilir kutunun boyutlarını bulun. Çözüm x, y ve z dikdörtgensel kutunun sırasıyla uzunluğunu, genişliğini ve yüksekliğini göstersin. Çevre 2y + 2z’dir. Kutunun (Şekil 14.45) V = xyz hacmini x + 2y + 2z = 108 14.7 Çevre = Bu çevrenin uzunluğu Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› 1033 (kargo şirketinin kabul ettiği en büyük kutu) bağıntısı ile maksimize etmek istiyoruz. Böylece, kutunun hacmini iki değişkenli bir fonksiyon olarak yazabiliriz. Vs y, zd = s108 - 2y - 2zdyz V = xyz ve x = 108 - 2y - 2z = 108yz - 2y 2z - 2yz 2 z Birinci mertebeden kısmi türevleri sıfıra eşitlemek, x fiEK‹L 14.45 y Vys y, zd = 108z - 4yz - 2z 2 = s108 - 4y - 2zdz = 0 Vzs y, zd = 108y - 2y 2 - 4yz = s108 - 2y - 4zdy = 0, Örnek 6’daki kutu (0, 0), (0, 54), (54, 0) ve (18, 18) kritik noktalarını verir. (0, 0), (0, 54) ve (54, 0) da hacim sıfırdır ve maksimum değildir. (18, 18) noktasında İkinci Türev Testini (Teorem 11) uygularız: Vyy = –4z, Vzz = –4y, Vyz = 108 – 4y – 4z Buradan, VyyVzz – Vyz2 = 16yz – 16(27 – y – z)2 buluruz. Böylece Vyys18, 18d = -4s18d 6 0 ve C Vyy Vzz - V yz2 D s18,18d = 16s18ds18d - 16s -9d2 7 0 olması (18, 18)’in maksimum değeri vermesini gerektirir. Paketin boyutları, x = 108 – 2(18) – 2(18) = 36 inç, y = 18 inç ve z = 18 inç. Maksimum hacim V = (36)(18)(18) = 11,664 inç3 veya 6.75 ft3’dir. Teorem 10’un gücüne rağmen, sınırlarını hatırlamanızı istiyoruz.Teorem, fonksiyonun türevlerinin sıfırdan faklı olduğu fakat ekstremum değerlerin bulunabileceği sınır noktalarına uygulanamaz. Ayrıca ƒx’in veya ƒy’nin bulunmadığı noktalara da uygulanamaz. Max-Min Testlerinin Özeti ƒ(x, y)’nin ekstremum değerleri sadece i. ƒ’nin tanım kümesinin sınır noktalarında, ii. kritik noktalarda (ƒx = ƒy = 0 olan iç noktalarda veya ƒx ile ƒy’den birinin veya ikisinin bulunmadığı noktalarda) bulunabilir. Merkezi bir (a, b) noktasında olan bir daire üzerinde ƒ’nin birinci ve ikinci mertebe kısmi türevleri sürekliyse ve ƒx(a, b) = ƒy(a, b) = 0 ise, ƒ(a, b)’nin karakteristiği İkinci Türev Testi ile belirlenebilir. i. ii. iii. iv. (a, b)’de ƒxx 6 0 ve ƒxx ƒyy - ƒxy2 7 0 ⇒ yerel maksimum (a, b)’de ƒxx 7 0 ve ƒxx ƒyy - ƒxy2 7 0 ⇒ yerel minimum (a, b)’de ƒxx ƒyy - ƒxy2 6 0 ⇒ eyer noktası (a, b)’de ƒxx ƒyy - ƒxy2 = 0 ⇒ test sonuçsuz 1034 Bölüm 14: K›smi Türevler ALIfiTIRMALAR 14.7 Yerel Ekstremleri Bulmak 33. Birinci dörtte bir bölgede, x = 0, y = 0, y + 2x = 2 ile sınırlı kapalı üçgensel plakada ƒ(x, y) = x2 + y2 1–30 alıştırmalarındaki fonksiyonların bütün yerel maksimum, yerel minimum ve eyer noktalarını bulun. 34. 0 x 5, –3 y 3 dikdörtgensel plakasında, T(x, y) = x2 + xy + y2 – 6x 1. ƒsx, yd = x 2 + xy + y 2 + 3x - 3y + 4 2. ƒsx, yd = x 2 + 3xy + 3y 2 - 6x + 3y - 6 3. ƒsx, yd = 2xy - 5x 2 - 2y 2 + 4x + 4y - 4 4. ƒsx, yd = 2xy - 5x 2 - 2y 2 + 4x - 4 5. ƒsx, yd = x 2 + xy + 3x + 2y + 5 2 6. ƒsx, yd = y + xy - 2x - 2y + 2 35. 0 x 5, –3 y 0 dikdörtgensel plakasında, T(x, y) = x2 + xy + y2 – 6x + 2 36. 0 x 1, 0 y 1 dikdörtgensel plakasında, ƒ(x, y) = 48xy – 32x3 – 24y2 37. 1 … x … 3, -p>4 … y … p>4 dikdörtgensel ƒ(x, y) = (4x – x2) cos y (Şekle bakın). plakasında 7. ƒsx, yd = 5xy - 7x 2 + 3x - 6y + 2 8. ƒsx, yd = 2xy - x 2 - 2y 2 + 3x + 4 z 9. ƒsx, yd = x 2 - 4xy + y 2 + 6y + 2 z (4x x 2 ) cos y 10. ƒsx, yd = 3x 2 + 6xy + 7y 2 - 2x + 4y 11. ƒsx, yd = 2x 2 + 3xy + 4y 2 - 5x + 2y 12. ƒsx, yd = 4x 2 - 6xy + 5y 2 - 20x + 26y 13. ƒsx, yd = x 2 - y 2 - 2x + 4y + 6 14. ƒsx, yd = x 2 - 2xy + 2y 2 - 2x + 2y + 1 15. ƒsx, yd = x 2 + 2xy 16. ƒsx, yd = 3 + 2x + 2y - 2x 2 - 2xy - y 2 y x 17. ƒsx, yd = x 3 - y 3 - 2xy + 6 18. ƒsx, yd = x 3 + 3xy + y 3 19. ƒsx, yd = 6x 2 - 2x 3 + 3y 2 + 6xy 20. ƒsx, yd = 3y 2 - 2y 3 - 3x 2 + 6xy 21. ƒsx, yd = 9x 3 + y 3>3 - 4xy 38. Birinci dörtte bir bölgede, x = 0, y = 0, x + y = 1 ile sınırlı kapalı üçgensel plakada ƒ(x, y) = 4x – 8xy + 2y + 1 39. a b olmak üzere öyle iki a ve b sayısı bulun ki 22. ƒsx, yd = 8x 3 + y 3 + 6xy b 23. ƒsx, yd = x 3 + y 3 + 3x 2 - 3y 2 - 8 24. ƒsx, yd = 2x 3 + 2y 3 - 9x 2 + 3y 2 - 12y 25. ƒsx, yd = 4xy - x 4 - y 4 La s6 - x - x 2 d dx en büyük değere sahip olsun. 40. a b olmak üzere öyle iki a ve b sayısı bulun ki 26. ƒsx, yd = x 4 + y 4 + 4xy b 1 27. ƒsx, yd = 2 x + y2 - 1 29. ƒsx, yd = y sin x 1 1 28. ƒsx, yd = x + xy + y 30. ƒsx, yd = e 2x cos y Mutlak Ekstremleri Bulmak 31–38 alıştırmalarında, fonksiyonların verilen tanım aralıklarında mutlak maksimum ve minimumlarını bulun. 31. Birinci dörtte bir bölgede, x = 0, y = 2, y = 2x ile sınırlı kapalı üçgen plakada ƒ(x, y) = 2x2 – 4x + y2 – 4y + 1 32. Birinci dörtte bir bölgede, x = 0, y = 4, y = x ile sınırlı kapalı üçgensel plakada D(x, y) = x2 – xy + y2 + 1 La s24 - 2x - x 2 d1>3 dx en büyük değere sahip olsun. 41. Sıcaklıklar Şekil 14.46’daki düz dairesel plaka x2 + y2 1 bölgesi şeklindedir. x2 + y2 = 1 olan sınır da dahil olmak üzere plaka, (x, y) noktasındaki sıcaklık T(x, y) = x2 + 2y2 – x olacak şekilde ısıtılıyor. Plaka üzerindeki en sıcak ve en soğuk noktalardaki sıcaklıkları bulun. 14.7 y Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› 1035 Teori ve Örnekler 43. Aşağıdaki durumlarda ƒ(x, y)’nin maksimum, minimum ve eyer noktalarını bulun. x 0 a. ƒx = 2x – 4y ve ƒy = 2y – 4x b. ƒx = 2x – 2 ve ƒy = 2y – 4 c. ƒx = 9x2 – 9 ve ƒy = 2y + 4 Her durumda mantık yürütmenizi açıklayın. fiEK‹L 14.46 Sabit sıcaklıklı eğrilere izoterm denir. Şekil, xy-düzleminde x2 + y2 1 dairesi üzerindeki T(x, y) = x2 + 2y2 – x sıcaklık fonksiyonunu göstermektedir. Alıştırma 41 sizden ekstremum sıcaklıkları bulmanızı istemektedir. 42. Açık birinci dörtte bir bölgede (x 0, y 0) ƒsx, yd = xy + 2x - ln x 2y fonksiyonunun kritik noktasını bulun ve o noktada ƒ’nin bir minimum değerinin var olduğunu gösterin (Şekil 14.47). y 44. Aşağıdaki fonksiyonların her biri için, ƒxxƒyy – ƒxy2 diskriminantı orijinde sıfırdır, bu yüzden ikinci türev testi işe yaramaz. z = ƒ(x, y) fonksiyonunun neye benzediğini hayal ederek, fonksiyonun orijinde bir maksimumu mu, minimumu mu olduğunu, veya ikisinin de bulunmadığını belirleyin. Her durumda mantık yürütmenizi açıklayın. a. ƒsx, yd = x 2y 2 b. ƒsx, yd = 1 - x 2y 2 2 d. ƒsx, yd = x 3y 2 e. ƒsx, yd = x 3y 3 f. ƒsx, yd = x 4y 4 c. ƒsx, yd = xy 45. k sabiti ne olursa olsun, ƒ(x, y) = x2 + kxy + y2 fonksiyonunun bir kritik noktasının (0, 0) olduğunu gösterin (İpucu: İki durum düşünün: k = 0 ve k 0). 46. İkinci Türev Testi, k sabitinin hangi değerleri için ƒ(x, y) = x2 + kxy + y2’nin (0, 0)’da bir eyer noktasının bulunmasını garantiler? Hangi k değerlerinde İkinci Türev Testi sonuçsuzdur? Yanıtlarınızı açıklayın. 47. ƒx(a, b) = ƒy(a, b) = 0 ise, ƒ’nin (a, b)’de bir maksimum değerinin veya bir minimum değerinin bulunması gerekirmi? Yanıtınızı açıklayın. 48. ƒ ile birinci ve ikinci mertebe kısmi türevleri, merkezi (a, b)’de olan bir daire üzerinde sürekliyse ve ƒxx(a, b) ile ƒyy(a, b)’nin işaretleri farklı ise ƒ(a, b) hakkında bir sonuca varabilir misiniz? Yanıtınızı açıklayın. 49. x + 2y + 3z = 0 düzleminin üst tarafında ve z = 10 – x2 – y2 fonksiyonunun grafiği üzerindeki bütün noktalar arasından, düzleme en uzakta olan noktayı bulun. 50. z = x2 + y2 + 10 fonksiyonunun grafiğinin, x + 2y – z = 0 düzlemine en yakın noktasını bulun. 0 x fiEK‹L 14.47 ƒ(x, y) = xy + 2x – lnx2y fonksiyonu (burada seçilmiş bazı seviye eğrileri görülmektedir) açık birinci dörtte bir bölge, x 0, y 0’da bir minimum değer almaktadır (Alıştırma 42). 51. ƒ(x, y) = x + y fonksiyonunun, x 0 ve y 0 kapalı birinci dörtte bir bölgesinde bir mutlak maksimum değeri yoktur. Bu konu içinde verilen mutlak ekstremumları bulma tartışmasıyla çelişir mi? Yanıtınızı açıklayın. 52. 0 x 1 ve 0 y 1 karesi içinde ƒ(x, y) = x2 + y2 + 2xy – x – y + 1 fonksiyonunu ele alın. a. ƒ’nin bu kare içinde, 2x + 2y = 1 doğru parçası boyunca bir mutlak minimumu olduğunu gösterin. Mutlak minimum değeri nedir? b. ƒ’nin kare üzerindeki mutlak maksimum değerini bulun. Parametrize E¤riler Üzerinde Ekstremum De¤erler Bir x = x(t), y = y(t) eğrisi üzerinde bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ekstremum değerlerini bulmak için, ƒ’ye t değişkeninin bir fonksiyo- 1036 Bölüm 14: K›smi Türevler nu olarak bakar ve dƒ@dt’nin nerede sıfır olduğunu bulmak için Zincir Kuralını kullanırız. Diğer her tek değişkenli durumda olduğu gibi, ƒ’nin ekstremum değerleri a. kritik noktalardaki (dƒ@dt’nin sıfır olduğu veya bulunmadığı noktalar) değerler ve b. parametre tanım kümesinin uç noktalarındaki değerler arasından bulunur. Aşağıdaki fonksiyonların verilen eğriler üzerindeki mutlak maksimum ve mutlak minimum değerlerini bulun. 53. Fonksiyonlar: a. ƒsx, yd = x + y b. gsx, yd = xy c. hsx, yd = 2x 2 + y 2 Eğriler: 1 b = n a a yk - m a xk b, şeklinde bulunur. Çoğu bilimsel hesap makinesinin içinde, verileri girdikten sonra m ve b’yi sadece birkaç tuşa basarak bulmanızı sağlayacak şekilde bu fonksiyonlar bulunur. Bu m ve b değerleriyle belirlenen y = mx + b doğrusuna, üzerinde çalışılan verilerin en küçük kareler doğrusu, regresyon doğrusu veya eğilim doğrusu denir. Bir en küçük kareler doğrusu bulmak 1. veriyi basit bir ifadeyle özetlemenizi, 2. deneysel olarak denenmemiş başka x’ler için y değerlerini tahmin etmenizi, 3. verileri analitik olarak incelemenizi sağlar. i. x2 + y2 = 4, y 0 yarı çemberi ii. x2 + y2 = 4, x 0, y 0 çeyrek çemberi y Pn(xn, yn) x = 2 cos t, y = 2 sin t parametrik denklemlerini kullanın. 54. Fonksiyonlar: a. ƒsx, yd = 2x + 3y P2(x2, y2) Eğriler: i. (x2@9) + (y2@4) = 1, y 0 2 ii. (x @9) + (y @4) = 1, y mx b P1(x1, y1) b. gsx, yd = xy c. hsx, yd = x 2 + 3y 2 2 (3) yarı elipsi x 0, y 0 çeyrek elipsi x 0 x = 3 cos t, y = 2 sin t parametrik denklemlerini kullanın. 55. Fonksiyon: fiEK‹L 14.48 Doğrusal olmayan noktalara bir doğru uydurmak için sapmaların kareleri toplamını minimize eden doğruyu seçeriz. ƒ(x, y) = xy Eğriler: i. x = 2t, y = t + 1 doğrusu ii. x = 2t, y = t + 1, –1 t 0 doğru parçası ÖRNEK iii. x = 2t, y = t + 1, 0 t 1 doğru parçası (0, 1),(1, 3), (2, 2), (3, 4), (4, 5) noktalarının en küçük kareler doğrusunu bulun. 56. Fonksiyonlar: a. ƒsx, yd = x 2 + y 2 b. gsx, yd = 1>sx 2 + y 2 d Çözüm Hesaplamaları bir tabloda özetleriz: Eğriler: i. x = t, y = 2 – 2t doğrusu k xk yk x k2 xk yk ii. x = t, y = 2 – 2t, 0 t 1 doğru parçası. 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 1 3 2 4 5 0 1 4 9 16 0 3 4 12 20 g 10 15 30 39 En Küçük Kareler ve Regresyon Do¤rular› Bir y = mx + b doğrusunu bir sayısal veri noktaları kümesi (x1, y1), (x2, y2), … , (xn, yn)’e uydurmayı denediğimizde (Şekil 14.48), genellikle noktalardan doğruya olan dik uzaklıkların karelerinin toplamını minimize eden doğruyu seçeriz. Teorik olarak, bu w = smx1 + b - y1 d2 + Á + smxn + b - yn d2 . fonksiyonunu minimize eden m ve b değerlerini bulmak anlamına gelir. Bunu sağlayan m ve b değerleri Birinci ve İkinci Türev Testleriyle, bütün toplamlar k = 1’den k = n’ye kadar olmak üzere m = a a xk b a a yk b - n a xk yk 2 a a xk b - n a x k2 Sonra, (1) m = (2) s10d2 - 5s30d = 0.9 n = 5 ve tablodaki verilerle (2) Denklemi bulur ve m değerini kullanarak b = , s10ds15d - 5s39d 1 A 15 - A 0.9 B A 10 B B = 1.2 . 5 n = 5, m = 0.9 ile (3) Denklemi buluruz. En küçük kareler doğrusu y = 0.9x + 1.2’dir (Şekil 14.49). 14.7 Ekstremum De¤erler ve Eyer Noktalar› 1037 y TABLO 14.2 Mars’taki krater büyüklükleri P5(4, 5) 5 P4(3, 4) 4 3 P2(1, 3) 2 y 0.9x 1.2 P3(2, 2) 1 P1(0, 1) 0 1 2 3 4 57–60 alıştırmalarında, (2) ve (3) denklemlerini kullanarak, her veri noktaları kümesi için en küçük kareler doğrusunu bulun. Sonra elde ettiğiniz lineer denklemi kullanarak x = 4’e karşılık gelen y değerini tahmin edin. s0, 1d, s3, -4d 58. s -2, 0d, 59. (0, 0), (1, 2), (2, 3) s0, 2d, s2, 3d 60. (0, 1), (2, 2), (3, 2) T 61. Tablo 14.1’deki verilere (California Üniversitesi Deney İstasyonu, Bulletin, No. 450, sayfa 8’den alınmıştır) bir en küçük kareler doğrusu uydurarak, sulamanın yonca üretimi üzerindeki etkisi için bir lineer denklem yazın. Verileri işaretleyin ve doğruyu çizin. TABLO 14.1 Yonca Üretimi x (uygulanan toplam mevsimlik su derinliği, inç.) 12 18 24 30 36 42 Frekans, F 32–45 45–64 64–90 90–128 0.001 0.0005 0.00024 0.000123 51 22 14 4 x fiEK‹L 14.49 Örnekteki veri kümesinin en küçük kareler doğrusu. 57. s -1, 2d, km olarak çap, D 1>D2 (sınıf aralığının sol değeri için) y (ortalama yonca , üretimi, ton/ar) 5.27 5.68 6.25 7.21 8.20 8.71 T 62. Mars’ın kraterleri Bir krater oluşumu teorisi, büyük kraterlerin sıklığının, çaplarının kareleriyle seyrelmesi gerektiğini söyler (Marcus, Science, June 21, 1968, sayfa 1334). Mariner IV’ten gelen resimler Tablo 14.2’de sıralanan verileri göstermektedir. Verilere F = m(1@D2) + b şeklinde bir doğru uydurun. Verileri işaretleyin ve doğruyu çizin. T 63. Köchel sayıları 1862’de Alman müzikoloğu Ludwig von Köchel, Wolfgang Amadeus Mozart’ın müzik eserlerinin kronolojik bir listesini yapmıştır. Bu liste, Mozart’ın eserlerinin başlıklarını izleyen (örneğin, Mi-minör Senfoni Konçertosu, K.364) Köchel sayıları veya “K sayıları”nın kaynağıdır. Tablo 14.3 Mozart’ın on eserinin Köchel sayılarını ve bestelenme tarihlerini (y) vermektedir. a. y’nin K’nin lineer bir fonksiyonu olmaya çok yakın olduğunu göstermek için y-K grafiğini çizin. b. Veriler için bir y = mK + b en küçük kareler doğrusu bulun ve bunu (a)’daki çiziminize ekleyin. c. K.364, 1779’da bestelenmiştir. En küçük kareler doğrusu hangi tarihi öngörmektedir? TABLO 14.3 Mozart’›n besteleri Köchel sayısı, K 1 75 155 219 271 351 425 503 575 626 Bestelendiği yıl, y 1761 1771 1772 1775 1777 1780 1783 1786 1789 1791 T 64. Denizaltı batmaları Tablo 14.4’teki veriler İkinci Dünya Savaşı’nda birbirini izleyen 16 ay boyunca Amerikan Donanması’nın batırdığı Alman denizaltıları üzerine tarihsel bir araştırmanın sonuçlarını göstermektedir. Her ay için verilen veriler bildirilen batmalar ve gerçek batmaların sayısıdır. Batırılan denizaltıların sayısı Donanma’nın bildirdiklerinden biraz daha fazlaydı. Bildirilen batma sayılarından gerçek sayıları bulmak için bir en küçük kareler doğrusu bulun. 1038 Bölüm 14: K›smi Türevler B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI TABLO 14.4 II. Dünya Savafl›nda 16 ay boyunca Amerikan Kritik Noktalardaki Yerel Ekstremumlar› Araflt›rmak Donanmas›’n›n bat›rd›¤› Alman Denizalt›lar› Ay Amerika tahmini (bildirilen batma) x Gerçek sayı y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 3 2 4 2 5 5 9 12 8 13 14 3 4 13 10 16 3 2 6 3 4 3 11 9 10 16 13 5 6 19 15 15 123 140 65–70 alıştırmalarında, yerel ekstremumları tanımlamak için fonksiyonları inceleyeceksiniz. Aşağıdaki adımları gerçekleştirmek için bir BCS kullanın. a. Fonksiyonu verilen dikdörtgende çizin. 14.8 b. Dikdörtgende bazı seviye eğrilerini çizin. c. Fonksiyonun birinci mertebe kısmi türevlerini hesaplayın ve BCS denklem çözücüyü kullanarak kritik noktaları bulun. Kritik noktalarla (b)’de çizilen seviye eğrileri arasındaki ilişki nedir? Hangi kritik noktalar, varsa, bir eyer noktası verir gibidir? Yanıtınızı açıklayın. d. Fonksiyonun ikinci kısmi türevlerini hesaplayın ve ƒxxƒyy – ƒxy2 diskriminantını bulun. e. Maks-min testlerini kullanarak, (c)’de bulduğunuz kritik noktaları sınıflandırın. Bulduklarınız (c)’de söylenenlerle uyumlu mu? 65. ƒsx, yd = x 2 + y 3 - 3xy, -5 … x … 5, -5 … y … 5 66. ƒsx, yd = x 3 - 3xy 2 + y 2, -2 … x … 2, -2 … y … 2 4 2 2 67. ƒsx, yd = x + y - 8x - 6y + 16, -3 … x … 3, -6 … y … 6 68. ƒsx, yd = 2x 4 + y 4 - 2x 2 - 2y 2 + 3, -3>2 … x … 3>2, -3>2 … y … 3>2 69. ƒsx, yd = 5x 6 + 18x 5 - 30x 4 + 30xy 2 - 120x 3, -4 … x … 3, -2 … y … 2 x ln sx 2 + y 2 d, 0, -2 … x … 2, -2 … y … 2 70. ƒsx, yd = e 5 sx, yd Z s0, 0d , sx, yd = s0, 0d Lagrange Çarpanlar› TARİHSEL BİYOGRAFİ Bazen tanım kümesi, düzlemin belirli bir alt kümesine — örneğin, bir daireye, kapalı üçgensel bir bölgeye veya bir eğri üzerine — kısıtlanmış bir fonksiyonun ekstremum değerlerini bulmamız gerekebilir. Bu bölümde, kısıtlanmış fonksiyonların ekstremum değerlerini bulmak için güçlü bir yöntem araştıracağız: Lagrange çarpanları yöntemi. Joseph Louis Lagrange (1736–1813) K›s›tlanm›fl Maksimum ve Minimumlar ÖRNEK 1 Bir K›s›tlama ‹le Minimum Bulmak 2x + y – z – 5 = 0 düzlemi üzerinde, orijine en yakın olan P(x, y, z) noktasını bulun. Çözüm Problem bizden, 2x + y – z – 5 = 0 kısıtlaması ile 1 ƒ OP ƒ = 2sx - 0d2 + s y - 0d2 + sz - 0d2 = 2x 2 + y 2 + z 2 14.8 Lagrange Çarpanlar› 1039 fonksiyonunun minimum değerini istemektedir. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 1 fonksiyonunun bir minimum değerinin bulunduğu her noktada, ƒ OP ƒ ’nin de bir minimum değeri bulunacağından, problemi, 2x + y – z – 5 = 0 kısıtlaması ile ƒ(x, y, z)’ nin minimum değerini bularak çözebiliriz. x ve y’ye bu denklemdeki bağımsız değişkenler gibi bakar ve z’yi z = 2x + y – 5 olarak yazarsak, problemimiz hsx, yd = ƒsx, y, 2x + y - 5d = x 2 + y 2 + s2x + y - 5d2 fonksiyonunun minimum değer veya değerlerini bulma problemine indirgenir. h’nin tanım kümesi bütün xy-düzlemi olduğundan, Bölüm 14.7’deki Birinci Türev Testi h’nin minimumların hy = 2y + 2(2x + y – 5)(2) = 0 hx = 2x + 2(2x + y – 5)(2) = 0, denklemlerini sağlayan noktalarda görülebileceğini söyler. Bu, 10x + 4y = 20, 4x + 4y = 10 denklemlerini ve x = 5 , 3 y = 5 . 6 çözümünü verir. Bu değerlerin h’yi minimize ettiğini göstermek için, İkinci Türev Testiyle beraber geometrik bir yorum kullanabiliriz. z = 2x + y – 5 düzlemi üzerinde buna karşılık gelen noktanın z-koordinatı 5 5 5 z = 2a b + - 5 = - . 3 6 6 olarak bulunur. Dolayısıyla aradığımız nokta z En yakın point: nokta: Closest 5 5 5 P a , , - b. 3 6 6 noktasıdır. P’den orijine olan uzaklık 5> 26 L 2.04. ’tür. Değişken değişimi olarak adlandırabileceğimiz, Örnek 1’deki yöntemle kısıtlanmış bir minimum veya maksimum problemini çözme çabaları her zaman işe yaramaz. Bu bölümdeki yeni yöntemi öğrenmenin nedenlerinden biri budur. (–1, 0, 0) (1, 0, 0) y ÖRNEK 2 Bir K›s›tlama ‹le Minimum Bulmak x2 – z2 – 1 = 0 hiperbolik silindiri üzerinde orijine en yakın olan noktayı bulun. x x2 z2 1 Çözüm 1 Silindir Şekil 14.50’de görülmektedir. Silindir üzerinde orijine en yakın olan noktaları arayacağız. Bunlar koordinatları, x2 – z2 – 1 = 0 kısıtlaması ile ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 fiEK‹L 14.50 Örnek 2’deki x2 – z2 – 1 = 0 hiperbolik silindiri. Uzaklığın karesi fonksiyonunun değerini minimize eden noktalardır. x ve y’ye kısıtlama denklemindeki bağımsız değişkenler olarak bakarsak, 1040 Bölüm 14: K›smi Türevler z2 = x2 - 1 olur ve silindirin üzerinde ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2’nin değerleri h(x, y) = x2 + y2 + (x2 – 1) = 2x2 + y2 – 1 fonksiyonuyla verilir. Silindir üzerinde koordinatları ƒ’yi minimize eden noktaları bulmak için, xy-düzleminde koordinatları h’yi minimize eden noktaları ararız. h’nin tek ekstremum değeri hx = 4x = 0 x2 z2 1 hiperbolik silindiri Bu kısımda, z x 兹z2 1 Bu kısımda, x –兹z2 1 ve hy = 2y = 0 denklemlerini sağlayan noktada, yani (0, 0) noktasındadır. Fakat, silindirin üzerinde hem x hem de y’nin sıfır olduğu bir nokta yoktur. Yanlış giden nedir? Olan şey, birinci türev testinin (olması gerektiği gibi) h’nin tanım kümesinde h’nin bir minimum değerinin olduğu noktayı bulmasıdır. Öte yandan, biz silindir üzerinde h’nin bir minimum değerinin bulunduğu noktaları arıyoruz. h’nin tanım kümesi bütün xy-düzlemiyken, silindir üzerindeki (x, y, z) noktalarının ilk iki koordinatını seçebileceğimiz tanım kümesi xy-düzleminde silindirin “gölgesi” ile sınırlıdır; x = –1 ile x = 1 doğruları arasındaki bandı içermez (Şekil 14.51). y ve z’yi (x ve y yerine) bağımsız değişkenler olarak alır ve x’i y ve z cinsinden x2 = z2 + 1 x 1 olarak ifade edersek, bu sorundan kurtulabiliriz. Bu değişken dönüşümüyle, ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2 fonksiyonu –1 x1 y x –1 fiEK‹L 14.51 xy-düzleminde, x2 – z2 = 1 hiperbolik silindirinin üzerindeki (x, y, z) noktasının ilk iki koordinatının seçildiği bölge xy-düzlemindeki –1 x 1 bandını dışlar (Örnek 2). ks y, zd = sz 2 + 1d + y 2 + z 2 = 1 + y 2 + 2z 2 haline gelir ve biz k’nin en küçük değerini aldığı noktaları ararız. k’nin yz-düzlemindeki tanım kümesi artık silindir üzerinde (x, y, z) noktalarının y ve z koordinatlarını seçeceğimiz tanım kümesiyle çakışmaktadır. Yani, düzlemde k’yi minimize eden noktalara silindir üzerinde karşılık gelen noktalar vardır. k’nin en küçük değeri ky = 2y = 0 ve kz = 4z = 0 veya y = z = 0 olan yerde bulunur. Bu x2 = z2 + 1 = 1, x= 1 verir. Bu noktaya silindir üzerinde karşılık gelen noktalar ( 1, 0, 0)’dır. ks y, zd = 1 + y 2 + 2z 2 Ú 1 eşitsizliğinden ( 1, 0, 0) noktalarının k’nin bir minimum değerini verdiğini görürüz. Ayrıca orijinden silindir üzerindeki bir noktaya minimum uzaklığın 1 birim olduğunu da görürüz. Çözüm 2 Silindir üzerinde orijine en yakın noktaları bulmanın başka bir yolu, silindire dokununcaya kadar bir sabun köpüğü gibi genişleyen ve merkezi orijinde olan bir küre hayal etmektir (Şekil 14.52). Her dokunma noktasında, silindir ve kürenin teğet düzlemi ve normali aynıdır. Dolayısıyla, küre ve silindir, ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2 – a2 ve g(x, y, z) = x2 – z2 – 1 14.8 x2 z2 1 0 Lagrange Çarpanlar› 1041 z x2 y2 z2 a2 0 y x fiEK‹L 14.52 Merkezi orijinde olan ve x2 – z2 – 1 = 0 hiperbolik silindirine dokunana kadar bir sabun küpüğü gibi genleşen bir küre. Örnek 2’nin ikinci çözümüne bakın. fonksiyonlarının 0’a eşitlenmesiyle elde edilen seviye yüzeyleri olarak ifade edilirlerse, ∇ƒ ve ∇g gradiyentleri yüzeylerin dokundukları yerlerde paralel olacaklardır. Bu yüzden, herhangi bir dokunma noktasında ∇ƒ = l∇g veya 2xi + 2yj + 2zk = l(2xi – 2zk) olacak şekilde bir l skaleri bulabilmemiz gerekir. Yani, herhangi bir teğetlik noktasının x, y ve z koordinatları 2x = 2lx, 2y = 0, 2z = –2lz skaler denklemlerini sağlamak zorundadır. Hangi l değerleri için, koordinatları bu skaler denklemleri sağlayan bir (x, y, z) noktası aynı zamanda x2 – z2 – 1 = 0 yüzeyi üzerinde bulunur? Bu soruya yanıt vermek için, yüzey üzerinde x-koordinatı sıfır olan bir nokta bulunmadığı bilgimizi kullanarak x 0 olduğu sonucuna varırız. Böylece, ancak 2 = 2l veya l=1 ise, 2x = 2lx olacağı anlamına gelir. l = 1 için, 2z = –2lz, 2z = –2z olur. Bu denklem de sağlanacaksa, z sıfır olmalıdır. y = 0 olduğu için (2y = 0 denkleminden), (x, 0, 0) şeklinde koordinatları olan noktalar aradığımız sonucuna varırız. x2 – z2 = 1 yüzeyinde hangi noktaların koordinatları bu şekildedir? x2 – (0)2 = 1, x2 = 1 veya x= 1 olan noktalar. Silindir üzerinde orijine en yakın olan noktalar ( 1, 0, 0) noktalarıdır. 1042 Bölüm 14: K›smi Türevler Lagrange Çarpanlar› Yöntemi Örnek 2’nin ikinci çözümünde, problemi Lagrange çarpanları yöntemi ile çözdük. Genel olarak yöntem, değişkenleri g(x, y, z) = 0 kısıtlamasına maruz bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun ekstremum değerlerinin, g = 0 yüzeyi üzerinde, bir l skaleri (Lagrange çarpanı olarak adlandırılır) için ∇ƒ = l∇g denklemini sağlayan noktalarda bulunacağını söyler. Yöntemi daha fazla incelemek ve neden işe yaradığını anlamak için, ilk önce, bir teorem olarak ifade ettiğimiz, aşağıdaki gözlemi yaparız. TEOREM 12 Ortogonal Gradiyent Teoremi ƒ(x, y, z)’nin, düzgün bir C: r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k eğrisini içeren bir bölgede diferansiyellenebilir olduğunu varsayın. ƒ’nin C üzerinde, C’deki değerlerine göre bir yerel minimumu veya maksimumunun bulunduğu nokta P0 ise ∇ƒ, P0’da C’ye ortogonaldir. ‹spat ∇ƒ’nin P0’da eğrinin hız vektörüne ortogonal olduğunu göstereceğiz. ƒ’nin C’deki değerleri ƒ(g(t), h(t), k(t)) bileşkesiyle verilir ve bu bileşkenin t’ye göre türevi dƒ 0ƒ dg 0ƒ dh 0ƒ dk = + + = §ƒ # v. 0x dt 0y dt 0z dt dt şeklinde elde edilir. ƒ’nin eğri üzerindeki değerlerine göre bir yerel maksimum veya minimumunun bulunduğu noktalarda, df@dt = 0’dır, dolayısıyla ∇ƒ v = 0 olur. Teorem 12’deki z’li terimleri atarsak, iki değişkenli fonksiyonlar için de benzer bir sonuç elde edilir. TEOREM 12’NIN SONUCU Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun düzgün bir r(t) = g(t)i + h(t)j eğrisi üzerinde, eğri üzerindeki değerlerine göre, yerel maksimum ve minimumlarının bulunduğu noktalarında, v = dr@dt olmak üzere ∇ƒ v = 0 olur. Teorem 12, Lagrange çarpanları yönteminin anahtarıdır. ƒ(x, y, z) ile g(x, y, z)’nin diferansiyellenebilir olduğunu ve P0’ın g(x, y, z) = 0 yüzeyi üzerinde, ƒ’nin yüzey üzerindeki değerlerine göre bir yerel minimum veya maksimum değerinin bulunduğu bir nokta olduğunu varsayın. Bu durumda, ƒ’nin g(x, y, z) = 0 yüzeyi üzerinde P0’dan geçen her düzgün eğri üzerindeki değerlerine göre bir yerel minimum veya maksimum değeri olacaktır. Dolayısıyla, ∇ƒ, P0’dan geçen bu çeşit her düzgün eğrinin hız vektörüne ortogonaldir. Ama ∇g de öyledir (Bölüm 14.5’te gördüğümüz gibi, ∇g, g = 0 seviye yüzeyine ortogonal olduğu için). Bu nedenle, P0’da, ∇ƒ, ∇g’nin skaler bir l katıdır. 14.8 Lagrange Çarpanlar› 1043 Lagrange Çarpanları Yöntemi ƒ(x, y, z) ve g(x, y, z)’nin diferansiyellenebilir olduklarını ve g(x, y, z) = 0 iken ∇g 0 olduğunu varsayın. g(x, y, z) = 0 kısıtlamasına maruz olan ƒ’nin maksimum ve minimum değerlerini bulmak için, ∇ƒ = l∇g ve g(x, y, z) = 0 (1) denklemlerini aynı anda sağlayan x, y, z ve l değerlerini bulun. İki değişkenli fonksiyonlar için, z değişkeni dışında koşullar benzerdir. y 兹2 ÖRNEK 3 x2 8 y2 2 Lagrange Çarpanlar› Yöntemini Kullanmak 1 ƒsx, yd = xy fonksiyonunun 0 x y2 x2 + = 1. 8 2 2兹2 elipsi üzerindeki en büyük ve en küçük değerlerini bulun (Şekil 14.53). fiEK‹L 14.53 Örnek 3 bu elips üzerinde xy çarpımının en büyük ve en küçük değerlerinin nasıl bulunacağını gösterir. Çözüm gsx, yd = y2 x2 + - 1 = 0. 8 2 kısıtlamasına maruz olan ƒ(x, y) = xy’nin ekstremum değerlerini istiyoruz. Bunu yapmak için, önce ∇ƒ = l∇g ve g(x, y) = 0 denklemlerini sağlayan x, y ve l değerlerini buluruz. (1) Denklemlerindeki gradiyent denklemi l yi + xj = xi + lyj, 4 verir ve buradan y = l x, 4 x = ly, buluruz. Bu da y = 0 veya l = ve and y = l l2 slyd = y, 4 4 2 verir. Şimdi bu iki duruma bakalım. Durum 1: y = 0 ise, x = y = 0 olur. Fakat (0, 0) elips üzerinde değildir. Dolayısıyla, y 0’dır. Durum 2: y 0 ise, l = 2 ve x = 2y’dir. Bunu g(x, y) = 0 denkleminde yerine koymak s ;2yd2 y2 + = 1, 8 2 4y 2 + 4y 2 = 8 ve and y = ;1. verir. Bu yüzden, ƒ(x, y) = xy fonksiyonu elips üzerinde dört noktada, ( 2, 1) ve ( 2, –1) noktalarında ekstremum değerler alır. Ekstremum değerler xy = 2 ve xy = –2’dir. Çözümün Geometrisi ƒ(x, y) fonksiyonunun seviye eğrileri xy = c hiperbolleridir (Şekil 14.54). Hiperboller ori- 1044 Bölüm 14: K›smi Türevler y xy 2 xy –2 ∇f i 2j x2 y2 10 8 2 1 ∇g 2 i j 1 0 xy 2 x 1 xy –2 fiEK‹L 14.54 ƒ(x, y) = xy fonksiyonu, g(x, y) = x2@8 + y2@2 – 1 = 0 kısıtlamasına maruz kaldığında, dört noktada, (±2, ±1)’de ekstremum değerler alır. Bunlar, elips üzerinde ∇ƒ (kırmızı) ∇g’nin (mavi) skaler bir katı olduğu noktalardır (Örnek 3). jinden ne kadar uzakta ise, ƒ’nin mutlak değeri o kadar büyük olur. (x, y) noktası x2 + 4y2 = 8 elipsi üzerinde iken, ƒ’nin ekstremum değerlerini bulmak istiyoruz. Elipsi kesen hiperbollerden hangisi orijinden en uzaktadır? Elipsi sıyıran hiperboller, bunlar yalnızca elipse teğet hiperbollerdir. Bu noktalarda, hiperbole normal olan herhangi bir vektör elipse de normaldir, dolayısıyla ∇ƒ = yi + xj gradiyenti ∇g = (x@4)i + yj’nin bir katıdır (l = 2). Örneğin (2, 1) noktasında §ƒ = i + 2j, §g = 1 i + j, 2 ve and §ƒ = 2§g. §g = - 1 i + j, 2 ve and §ƒ = -2§g. olur. (–2, 1) noktasında ise, §ƒ = i - 2j, bulunur. ÖRNEK 4 Bir Çember Üzerinde Ekstremum De¤erler Bulmak ƒ(x, y) = 3x + 4y fonksiyonunun x2 + y2 = 1 çemberi üzerindeki maksimum ve minimum değerlerini bulun. Çözüm Bunu ƒsx, yd = 3x + 4y, gsx, yd = x 2 + y 2 - 1 ile bir Lagrange çarpanı problemi olarak modeller ve §ƒ = l§g: 3i + 4j = 2xli + 2ylj g(x, y) = 0: x2 + y2 – 1 = 0 denklemlerini sağlayan x, y ve l değerlerini ararız. (1) Denklemlerindeki gradiyent denklemi l 0 olduğunu belirtir ve x = 3 , 2l y = 2 . l 14.8 Lagrange Çarpanlar› 1045 denklemlerini verir. Bu denklemler bize, başka şeylerin yanısıra, x ve y’nin işaretlerinin aynı olduğunu söyler. Bu x ve y değerleri ile, g(x, y) = 0 denklemi y 5 ∇f 3i 4j ∇g 2 ∇g 6 i 8 j 5 5 x2 y2 1 ⎛ 3 , 4⎛ ⎝ 5 5⎝ a 3x 4y 5 9 + 16 = 4l2, 4l2 = 25, ve and 5 l = ; . 2 bulunur. Yani, 3x 4y –5 fiEK‹L 14.55 ƒ(x, y) = 3x + 4y fonksiyonu g(x, y) = x2 + y2 – 1 = 0 birim çemberi üzerinde en büyük değerini (3@5, 4@5) noktasında ve en küçük değerini (–3@5, –4@5) noktasında alır (Örnek 4). Bu noktalardan her birinde, ∇ƒ, ∇g’nin bir skaler katıdır. Şekil ilk noktadaki gradiyentleri gösterir, ama ikincidekileri göstermez. 2 verir, böylece 9 4 + 2 = 1, 4l2 l x 2 3 2 b + a b - 1 = 0, l 2l x = 3 3 = ; , 5 2l y = 2 4 = ; , 5 l olur ve ƒ(x, y) = 3x + 4y’nin ekstremum değerleri (x, y) = (3@5, 4@5)’tedir. 3x + 4y’nin değerlerini (3@5, 4@5)’te hesaplayarak, fonksiyonun x2 + y2 = 1 çemberi üzerindeki maskimum ve minimum değerlerinin 3 25 4 3a b + 4a b = = 5 5 5 5 3 25 4 3 a- b + 4 a- b = = -5. 5 5 5 ve and olduğunu görürüz. Çözümün geometrisi ƒ(x, y) = 3x + 4y’nin seviye eğrileri 3x + 4y = c doğrularıdır (Şekil 14.55). Doğrular orijinden ne kadar uzaksa, ƒ’nin mutlak değeri o kadar büyüktür. (x, y) noktası x2 + y2 = 1 çemberi üzerinde iken, ƒ’nin ekstremum değerlerini bulmak istiyoruz. Çemberi kesen doğrulardan hangisi orijinden en uzaktadır? Çembere teğet olan doğrular. Teğetlik noktalarında doğruya normal olan bir vektör çembere de normaldir, böylece ∇ƒ = 3i + 4j gradiyenti ∇g = 2xi + 2yj gradiyentinin bir katıdır (l = (5@2). Örneğin, (3@5, 4@5) noktasında şunu buluruz: g2 0 §ƒ = 3i + 4j, §g = 6 8 i + j, 5 5 ve and §ƒ = 5 §g. 2 ‹ki K›s›tlamayla Lagrange Çarpanlar› Çoğu problem değişkenleri iki kısıtlamaya maruz kalan diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun ekstremum değerlerini bulmamızı gerektirir. Kısıtlamalar ∇g1 ∇f g1(x, y, z) = 0 ∇g2 C g1 0 g2(x, y, z) = 0 ise ve g1 ile g2, ∇g1 ∇g2’ye paralel olmamak üzere, diferansiyellenebilir ise, ƒ’nin kısıtlanmış yerel maksimum ve minimumlarını iki Lagrange çarpanı, l ve m (mü olarak okunur) belirleyerek buluruz. Yani, ƒ’nin kısıtlanmış ekstremum değerlerini aldığı P(x, y, z) noktalarını §ƒ = l§g1 + m§g2 , fiEK‹L 14.56 ∇g1 ve ∇g2 vektörleri C eğrisine dik bir düzlemde bulunurlar, çünkü ∇g1, g1 = 0 yüzeyine normaldir ve ∇g2, g2 = 0 yüzeyine normaldir. ve g1sx, y, zd = 0, g2sx, y, zd = 0 (2) denklemlerini sağlayan x, y, z, l ve m değerlerini bularak belirleriz. ( 2) Denklemlerinin hoş bir geometrik yorumu vardır. g1 = 0 ve g2 = 0 yüzeyleri (genellikle) düzgün bir eğri, mesela C’de kesişirler (Şekil 14.56). Bu eğri boyunca ƒ’nin bu eğri üzerindeki değerlerine 1046 Bölüm 14: K›smi Türevler göre yerel minimum ve maksimumlarının bulunduğu noktaları ararız. Bunlar, Teorem 12’de gördüğümüz gibi, ∇ƒ’nin C’ye normal olduğu noktalardır. Fakat bu noktalarda ∇g1 ve ∇g2 de C’ye normaldir, çünkü C, g1 = 0 ve g2 = 0 yüzeyleri üzerindedir. Dolayısıyla, ∇ƒ, ∇g1 ve ∇g2 ile belirlenen düzlem üzerindedir; bu da belirli l ve m değerleri için ∇ƒ = l∇g1 + m∇g2 olduğu anlamına gelir. Aradığımız noktalar iki yüzeyin de üzerinde oldukları için, koordinatları, (2)’deki diğer denklemler olan g1(x, y, z) = 0 ve g2(x, y, z) = 0 denklemlerini sağlamalıdır. z ÖRNEK 5 x2 y2 1 silindiri Bir Elips Üzerinde Uzakl›klar›n Maksimumunu Bulmak x + y + z = 1 düzlemi x2 + y2 = 1 silindirini bir elips boyunca keser (Şekil 14.57). Elips üzerinde orijine en yakın ve en uzak noktaları bulun. P2 Çözüm ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 (0, 1, 0) (1, 0, 0) x y kısıtlamalarına maruz olan P1 xy z 1 düzlemi g1(x, y, z) = x2 + y2 – 1 = 0 (3) g2(x, y, z) = x + y + z – 1 = 0 (4) fonksiyonunun ((x, y, z)’den orijine olan uzaklığın karesi) ekstremum değerlerini bulacağız. (2) Denklemlerindeki gradiyent denklemi §ƒ = l§g1 + m§g2 fiEK‹L 14.57 Düzlemin ve silindirin kesiştikleri elips üzerinde, hangi noktalar orijine en yakın ve en uzaktır? (Örnek 5) 2xi + 2yj + 2zk = ls2xi + 2yjd + msi + j + kd 2xi + 2yj + 2zk = s2lx + mdi + s2ly + mdj + mk veya 2x = 2lx + m, verir. (5)’teki skaler denklemler 2y = 2ly + m, 2z = m (5) 2x = 2lx + 2z ⇒ (1 – l)x = z 2y = 2ly + 2z ⇒ (1 – l)y = z (6) verir. l = 1 ve z = 0 ise, veya l 1 ve x = y = z@(1 – l) ise, (6) denklemleri aynı anda sağlanır. z = 0 ise, elips üzerindeki noktaları bulmak için (3) ve (4) denklemlerini birlikte çözmek (1, 0, 0) ve (0, 1, 0) noktalarını verir. Şekil 14.57’ya bakarsanız bu anlamlıdır. x = y ise, (3) ve (4) denklemleri x2 + x2 - 1 = 0 x + x + z - 1 = 0 2x 2 = 1 z = 1 - 2x 22 2 verir. Elips üzerinde bunlara karşılık gelen noktalar x = ; P1 = a 22 22 , , 1 - 22b 2 2 ve and P2 = a- z = 1 < 22. 22 22 ,, 1 + 22b. 2 2 14.8 Lagrange Çarpanlar› 1047 noktalarıdır. Ancak burada dikkatli olmamız gerekir. P1 ve P2’nin ikisi de ƒ’nin elips üzerindeki ekstrem değerlerini verirlerken, P2 orijine P1’den daha uzaktır. Elips üzerinde orijine en yakın noktalar (1, 0, 0) ve (0, 1, 0) noktalarıdır. Elips üzerinde orijinden en uzak nokta P2 noktasıdır. ALIfiTIRMALAR 14.8 Tek K›s›tlamayla ‹ki Ba¤›ms›z De¤iflken 1. Bir elips üzerinde ekstremumlar x2 + 2y2 = 1 elipsi üzerinde ƒ(x, y) = xy’nin ekstremum değerlerinin bulunduğu noktaları bulun. 2. Bir çember üzerinde ekstremumlar ƒ(x, y) = xy’nin g(x, y) = x2 + y2 – 10 = 0 kısıtlaması altındaki ekstremum değerlerini bulun. 3. Bir doğru üzerinde maksimum x + 3y = 10 doğrusu üzerindeƒ(x, y) = 49 – x2 – y2’nin maksimum değerini bulun. 4. Bir doğru üzerinde ekstremumlar x + y = 3 doğrusu üzerinde ƒ(x, y) = x2y’nin yerel ekstremum değerlerini bulun. 5. Kısıtlanmış minimum xy2 = 54 eğrisi üzerinde orijine en yakın noktaları bulun. 6. Kısıtlanmış minimum x2y = 2 eğrisi üzerinde orijine en yakın noktaları bulun. 7. Lagrange çarpanları yöntemini kullanarak aşağıdakileri bulun: a. Bir hiperbol üzerinde minimum xy = 16, x 0, y 0 kısıtlamaları altında x + y’nin minimum değeri; b. Bir doğru üzerinde maksimum x + y = 16 kısıtlaması altında xy’nin maksimum değeri. Her çözümün geometrisini yorumlayın. 8. Bir eğri üzerinde ekstremumlar xy-düzleminde x2 + xy + y2 = 1 eğrisinin orijine en yakın ve en uzak noktalarını bulun. 9. Sabit hacim ile minimum yüzey alanı Hacmi 16p cm3 olan en küçük yüzey alanlı kapalı silindirin boyutlarını bulun. 10. Bir küre içinde bir silindir a yarıçaplı bir kürenin içine yerleştirilebilecek en büyük yüzey alanlı açık silindirin yarıçap ve yüksekliğini bulun. En büyük yüzey alanı nedir? 11. Bir elips içinde en büyük alanlı dikdörtgen Lagrange çarpanları yöntemini kullanarak, kenarları koordinat eksenlerine paralel olan ve x2@16 + y2@9 = 1 elipsinin içine yerleştirilebilecek en büyük alanlı dikdörtgenin boyutlarını bulun. 12. Bir elips içinde en büyük çevreli dikdörtgen Kenarları koordinat eksenlerine paralel olan ve x2@a2 + y2@b2 = 1 elipsinin içine yerleştirilebilecek en büyük çevreli dikdörtgenin boyutlarını bulun. En büyük çevre nedir? 13. Bir çember üzerinde ekstremumlar x2 – 2x + y2 – 4y = 0 kısıtlaması altında, x2 + y2’nin maksimum ve minimum değerlerini bulun. 2 2 14. Bir çember üzerinde ekstremumlar x + y = 4 kısıtlaması altında 3x – y + 6’nın maksimum ve minimum değerlerini bulun. 15. Metal bir plaka üzerinde bir karınca Metal bir plakanın üzerinde bir (x, y) noktasındaki sıcaklık T(x, y) = 4x2 – 4xy + y2’dir. Bir karınca plakada merkezi orijinde olan 5 yarıçaplı bir çember üzerinde yürümektedir. Karıncanın karşılaşacağı en yüksek ve en düşük sıcaklıklar nedir? 16. En ucuz depolama tankı Firmanızdan LPG için bir depolama tankı tasarlanması istenmiştir. Müşterinin belirttikleri, uçları yarım küre olan silindirik bir tank gerektirmektedir ve tank 8000 m3 gaz içerecektir. Müşteri ayrıca tankın yapımında olası en az malzemeyi kullanmak istemektedir. Tankın silindirik kısmı için hangi yarıçap ve yüksekliği önerirsiniz? K›s›tlamayla Üç Ba¤›ms›z De¤iflken 17. Bir noktaya minimum uzaklık x + 2y + 3z = 13 düzlemi üzerinde (1, 1, 1) noktasına en yakın noktayı bulun. 18. Bir noktaya maksimum uzaklık x2 + y2 + z2 = 4 küresi üzerinde (1, –1, 1) noktasından en uzak noktayı bulun. 19. Orijine minimum uzaklık x2 – y2 – z2 = 1 yüzeyinden orijine olan minmum uzaklığı bulun. 20. Orijine minimum uzaklık kın noktayı bulun. z = xy + 1 yüzeyinde orijine en ya- 21. Orijine minimum uzaklık kın noktayı bulun. z2 = xy + 4 yüzeyinde orijine en ya- 22. Orijine minimum uzaklık nokta(lar)ı bulun. xyz = 1 yüzeyinde orijine en yakın 23. Bir küre üzerinde ekstremumlar rinde x2 + y2 + z2 = 30 küresi üze- ƒsx, y, zd = x - 2y + 5z fonksiyonunun maksimum ve minimum değerini bulun. 24. Bir küre üzerinde ekstremumlar x2 + y2 + z2 = 25 küresi üzerinde ƒ(x, y, z) = x + 2y + 3z’nin maksimum ve minimum değerlerini aldığı noktaları bulun. 25. Bir kareler toplamını minimize etmek Toplamları 9 ve karelerinin toplamı mümkün olduğunca küçük olan üç sayı bulun. 26. Bir çarpımı maksimize etmek x+ y + z2 = 16 ise, pozitif x, y ve z sayılarının çarpımlarının en büyük değerini bulun. 27. Bir küre içinde en büyük hacimli dikdörtgensel kutu Birim küre içine konulabilecek maksimum hacimli kapalı dikdörtgensel kutunun boyutlarını bulun. 1048 Bölüm 14: K›smi Türevler 28. Köşesi bir düzlem üzerinde olan kutu Birinci sekizde bir bölgede, yüzlerinden üçü koordinat düzlemlerinde ve köşelerinden biri a 0, b 0 ve c 0 olmak üzere, x@a + y@b + z@c = 1 düzleminde olan en büyük kapalı dikdörtgensel kutunun hacmini bulun. 29. Bir uzay sondası üzerindeki en sıcak nokta 4x 2 + y 2 + 4z 2 = 16 elipsoidinin şeklinde olan bir uzay sondası dünya atmosferine girer ve yüzeyi ısınmaya başlar. Bir saat sonra, sondanın yüzeyindeki (x, y, z) noktasının sıcaklığı T(x, y, z) = 8x2 + 4yz – 16z + 600 olarak bulunur. Sondanın yüzeyindeki en sıcak noktayı bulun. 30. Bir küre üzerinde ekstremum sıcaklıklar x2 + y2 + z2 = 1 küresindeki (x, y, z) noktasının santigrad cinsinden sıcaklığı T = 400xyz2’dir. Küredeki en yüksek ve en düşük sıcaklıkların yerini bulun. 31. Bir fayda fonksiyonunu maksimize etmek: Ekonomiden bir örnek Ekonomide, G1 ve G2 gibi iki sermaye malının x ve y miktarlarının yararlılığı veya faydası bazen bir U(x, y) fonksiyonuyla ölçülür. Örneğin, G1 ve G2 bir ilaç firmasının elinde bulundurması gereken iki kimyasal ve U(x, y) de sentezi kullanılan işleme bağlı olarak farklı miktarda kimyasal kullanarak bir ürün üretmenin kazancı olabilir. G1’in kilogramı a dolar, G2’nin kilogramı b dolar ve G1 ile G2’nin birlikte alımı için ayrılan miktar c dolar ise, şirket yöneticileri ax + by = c olacak şekilde U(x, y)’yi maksimize etmek istemektedir. Yani, tipik bir Lagrange çarpanı problemi çözmeleri gerekir. Usx, yd = xy + 2x olduğunu ve ax + by = c denkleminin 2x + y = 30 olarak sadeleştiğini varsayın. U’nun bu son kısıtlama ile maksimum değerini ve x ve y değerlerini bulun. 32. Bir Radyo teleskobunu yerleştirmek Yeni keşfedilmiş bir gezegene bir radyo teleskop kurmaktan sorumlusunuz. Girişimi önlemek için, teleskobu gezegenin manyetik alanının en düşük olduğu yere koymak istiyorsunuz. Gezegen yarıçapı 6 birim olan bir küredir. Orijini gezegenin merkezinde olan bir koordinat sisteminde, manyetik alanın kuvveti M(x, y, z) = 6x – y2 + xz + 60’tır. Radyo teleskobu nereye yerleştirmelisiniz? ‹ki K›s›tlamayla Lagrange Çarpanlar› 36. Kesişim doğrusu üzerinde maksimum değer 2x – y = 0 ve y + z = 0 düzlemlerinin kesişim doğrusu üzerinde ƒ(x, y, z) = x2 + 2y – z2’nin alabileceği maksimum değeri bulun. 37. Kesişim eğrisi üzerinde ekstremumlar z = 1 düzlemi ile x2 + y2 + z2 = 10 küresinin kesişim eğrisi üzerinde ƒ(x, y, z) = x2yz + 1’in ekstremum değerlerini bulun. 38. a. Kesişim doğrusu üzerinde maksimum x + y + z = 40 ve x + y – z = 0 düzlemlerinin kesişim doğrusu üzerinde w = xyz’nin maksimum değerini bulun. b. w’nun bir minimumunu değil de bir maksimumunu bulduğunuzu desteklemek için geometrik bir yorum yapın. 39. Kesişim çemberi üzerinde ekstremumlar y – x = 0 düzleminin x2 + y2 + z2 = 4 küresini kestiği çember üzerinde ƒ(x, y, z) = xy + z2’nin ekstremum değerlerini bulun. 40. Orijine minimum uzaklık 2y + 4z = 5 düzlemi ve z2 = 4x2 + 4y2 konisinin kesişim eğrisi üzerinde orijine en yakın noktayı bulun. Teori ve Örnekler 41. §f = l§g koşulu yeterli değildir g(x, y) = 0 kısıtlaması ile ƒ(x, y)’nin bir ekstremum değerinin var olması için ∇ƒ = l∇g gerekli bir koşulken, bu değerin bulunduğunu garantilemez. Örnek olarak, xy = 16 kısıtlaması ile ƒ(x, y) = x + y’nin maksimum değerini bulmak için Lagrange çarpanları yöntemini kullanmayı deneyin. Yöntem, yerel ekstremumların yerlerine aday olarak (4, 4) ve (–4, –4) noktalarını tanımlayacaktır. Ama (x + y) toplamının xy = 16 hiperbolü üzerinde bir maksimum değeri yoktur. Birinci dörtte bir bölgede, bu hiperbol üzerinde ne kadar ilerlerseniz, ƒ(x, y) = x + y o kadar büyür. 42. Bir en küçük kareler düzlemi z = Ax + By + C düzlemi aşağıdaki (xk, yk, zk) noktalarına “uydurulacaktır”: (0, 0, 0), (0, 1, 1), (1, 1, 1), (1, 0, –1) Sapmaların karelerinin toplamı olan 4 a sAxk + Byk + C - zk d , 2 k=1 toplamını minimize eden A, B ve C değerlerini bulun. 43. a. Bir küre üzerinde maksimum Merkezi, Kartezyen bir abc-koordinat sisteminin orijininde olan r yarıçaplı bir küre üzerinde a2b2c2’nin maksimum değerinin (r2@3)3 olduğunu gösterin. b. Geometrik ve aritmetik ortalamalar (a) şıkkını kullanarak, negatif olmayan a, b ve c sayıları için, sabcd1>3 … a + b + c ; 3 33. 2x – y = 0 ve y + z = 0 kısıtlamaları ile ƒ(x, y, z) = x2 + 2y – z2 fonksiyonunu maksimize edin. olduğunu gösterin. Yani, üç sayının geometrik ortalaması, aritmetik ortalamasına eşit veya ondan küçüktür. 34. x + 2y + 3z = 6 ve x + 3y + 9z = 9 kısıtlamaları ile ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2 fonksiyonunu minimize edin. 44. Çarpımlar toplamı a1, a2 , Á , an n tane pozitif sayı olsun. © ni = 1 x i 2 = 1. kısıtlaması ile © ni = 1 ai xi’nin maksimumunu bulun. 35. Orijine minimum uzaklık y + 2z = 12 ve x + y = 6 düzlemlerinin kesişim doğrusu üzerinde orijine en yakın noktayı bulun. 14.9 K›s›tlanm›fl De¤iflkenlerle K›smi Türevler 1049 45. x2 + y2 – 2 = 0 ve x2 + z2 – 2 = 0 kısıtlamaları altında ƒ(x, y, z) = xy + yz’yi minimize edin. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Lagrange Çarpanlar› Yöntemini Uygulamak 46. x2 + y2 – 1 = 0 ve x – z = 0 kısıtlamaları altında ƒ(x, y, z) = xyz’yi minimize edin. 45–50 alıştırmalarında, kıstlanmış bir ekstremumu bulmak için Langrange çarpanları yöntemini yerine getiren adımları gerçekleştirmek için bir BCS kullanın. a. ƒ’nin, g1 = 0 ve g2 = 0 kısıtlamaları altında optimize edilecek fonksiyon olmak üzere, h = ƒ – l1g1 – l2g2 fonksiyonunu oluşturun. b. l1 ve l2’ye göre olanlar da dahil olmak üzere, h’nin birinci mertebeden kısmi türevlerini bulun ve onları 0’a eşitleyin. c. (b)’de bulunan denklem sistemlerinden l1 ve l2 de dahil olmak üzere bütün bilinmeyenleri çözün. 47. 2y + 4z – 5 = 0 ve 4x2 + 4y2 – z2 = 0 kısıtlamaları altında ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2’yi maksimize edin. 48. x2 – xy + y2 – z2 – 1 = 0 ve x2 + y2 – 1= 0 kısıtlamaları altında ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2’yi minimize edin. 49. 2x – y + z – w – 1 = 0 ve x + y – z + w – 1 = 0 kısıtlamaları altında ƒ(x, y, z, w) = x2 + y2 + z2 + w2’yi minimize edin. 50. y = x + 1 doğrusundan y2 = x parabolüne olan uzaklığı bulun (İpucu: (x, y) doğru üzerinde bir nokta ve (w, z) de parabol üzerinde bir nokta olsun (x – w)2 + (y – z)2’yi minimize etmek istiyorsunuz). d. ƒ’yi (c)’de bulunan çözüm noktalarının her birinde hesaplayın ve alıştırmada verilen kısıtlamaları sağlayan ekstrem değeri bulun. 14.9 K›s›tlanm›fl De¤iflkenlerle K›smi Türevler w = ƒ(x, y) gibi fonksiyonların kısmi türevlerini bulurken, x ve y’nin bağımsız olduklarını varsaydık. Ama çoğu uygulamada durum böyle değildir. Örneğin, bir gazın iç enerjisi U, gazın basıncı, hacmi ve sıcaklığı sırasıyla P, V ve T olmak üzere U = ƒ(P, V, T) fonksiyonu olarak ifade edilebilir. Ancak gazın molekülleri birbirleriyle etkileşmiyorlarsa, P, V ve T PV = nRT (n ve R birer sabit) ideal gaz yasasına uyarlar (ve kısıtlıdırlar) ve bağımsız değildirler. Bu bölümde, ekonomi, mühendislik veya fizikte karşılaşabileceğimiz bu gibi durumlarda kısmi türevlerin nasıl bulunacaklarını öğreneceğiz. † De¤iflkenlerin Hangilerinin Ba¤›ml›, Hangilerinin Ba¤›ms›z Oldu¤una Karar Vermek Bir w = ƒ(x, y, z) fonksiyonunun değişkenleri, x, y ve z üzerine z = x2 + y2 denklemiyle konulmuşa benzer bir bağıntıyla kısıtlanmışsa, ƒ’nin kısmi türevlerinin geometrik anlamları ve sayısal değerleri, değişkenlerin hangilerinin bağımlı, hangilerinin bağımsız olarak seçileceğine bağlı olacaktır. Bu seçimin, sonucu nasıl etkileyeceğini görmek için w = x2 + y2 + z2 ve z = x2 + y2 iken ∂w@∂x’in hesaplanmasını ele alacağız. ÖRNEK 1 K›s›tlanm›fl Ba¤›ms›z De¤iflkenlerle Bir K›smi Türev Bulmak w = x2 + y2 + z2 ve z = x2 + y2 ise, ∂w@∂x’i bulun. †Bu bölüm Arthur P. Mattuck tarafından MIT için yazılan notlara dayanmaktadır. 1050 Bölüm 14: K›smi Türevler Çözüm x, y, z ve w gibi dört değişkenli iki denklem verilmiştir. Çoğu sistem gibi, bundan da bilinmeyenlerin ikisi (bağlı değişkenler) diğerleri cinsinden (bağımsız değişkenler) çözülebilir. ∂w@∂x sorulduğuna göre, w’nin bağımlı bir değişken, x’in de bağımsız bir değişken olduğu söylenmektedir. Diğer değişkenler için olası seçimler Bağımlı w, z w, y Bağımsız x, y x, z olur. Her durumda, w’yi açık olarak, seçilen bağımsız değişkenler cinsinden ifade edebiliriz. Bunu, birinci denklemdeki diğer bağlı değişkeni ortadan kaldırmak için ikinci denklem z = x2 + y2’yi kullanarak yaparız. Birinci durumda, diğer bağlı değişken z’dir. Bunu birinci denklemde z yerine x2 + y2 yazarak ortadan kaldırırız. Ortaya çıkan w ifadesi w = x 2 + y 2 + z 2 = x 2 + y 2 + sx 2 + y 2 d2 = x 2 + y 2 + x 4 + 2x 2y 2 + y 4 olur ve 0w = 2x + 4x 3 + 4xy 2. 0x (1) bulunur. x ve y bağımsız değişkenler olduklarında, ∂w@∂x’in formülü budur. Bağımsız değişkenlerin x ve z, ikinci bağlı değişkenin y olduğu ikinci durumda, w ifadesindeki bağlı değişken y’yi y2 yerine z – x2 yazarak ortadan kaldırırız. Bu z z x2, y 0 w = x 2 + y 2 + z 2 = x 2 + sz - x 2 d + z 2 = z + z 2 verir ve 2 2 zx y P (0, 0, 1) z 1 düzleminde x2 y2 1 çemberi (1, 0, 1) 0 (1, 0, 0) y x fiEK‹L 14.58 P noktası z = x2 + y2 paraboloidi üzerinde bulunacak şekilde kısıtlanmışsa, w = x2 + y2 + z2’nin P’de x’e göre kısmi türevi hareket doğrultusuna bağlıdır (Örnek 1). (1) x değişkeni y = 0 ile değişirken, P noktası xz-düzlemi içindeki z = x2 parabolü üzerinde, yüzeyin yukarısına veya aşağısına ∂w@∂x = 2x + 4x3 ile hareket eder. (2) x, z = 1 ile değişirken, P, x2 + y2 = 1, z = 1 çemberi üzerinde hareket eder ve ∂w@∂x = 0 olur. 0w = 0. 0x (2) bulunur. x ve z bağımsız değişkenler olduklarında, ∂w@∂x’in formülü budur. (1) ve (2) Denklemlerindeki ∂w@∂x formülleri gerçekten farklıdır. Bir formülden diğerine z = x2 + y2 bağıntısını kullanarak geçemeyiz. Tek bir değil iki tane ∂w@∂x vardır ve ∂w@∂x’i bulmak için verilen talimatların yeterli olmadığını görürüz. Hangi ∂w@∂x? diye sorarız. (1) ve (2) Denklemlerinin geometrik yorumları denklemlerin neden değişik olduklarını açıklamaya yardımcı olur. w = x2 + y2 + z2 fonksiyonu (x, y, z) noktasından orijine olan uzaklığın karesini ölçer. z = x2 + y2 koşulu (x, y, z) noktasının Şekil 14.58’de görülen dönel paraboloid üzerinde olduğunu söyler. Sadece bu yüzey üzerinde hareket edebilen bir P(x, y, z) noktasında ∂w@∂x’i hesaplamak ne demektir? P’nin değerleri, örneğin, (1, 0, 1) iken ∂w@∂x’in değeri nedir? x ve y’yi bağımsız olarak alırsak, ∂w@∂x’i y’yi sabit tutup (bu durumda y = 0) ve x’i değiştirerek bulabiliriz. Bu, P’nin xz-düzlemi içindeki z = x2 parabolü üzerinde hareket ettiği anlamına gelir. P bu parabol üzerinde hareket ederken, P’den orijine uzaklığın karesi olan w değişir. Bu durumda ∂w@∂x’i 0w = 2x + 4x 3 + 4xy 2. 0x olarak buluruz (yukarıdaki ilk çözümümüz). (1, 0, 1) noktasında, bu türevin değeri 14.9 K›s›tlanm›fl De¤iflkenlerle K›smi Türevler 1051 0w = 2 + 4 + 0 = 6. 0x olur. x ve z’yi bağımsız olarak alırsak, ∂w@∂x’i x değişirken z’yi sabit tutarak buluruz. P’nin z-koordinatı 1 olduğu için, x’i değiştirmek P’yi z = 1 düzleminde bir çember üzerinde hareket ettirir. P bu çember üzerinde ilerlerken, orijinden uzaklığı sabit kalır ve bu uzaklığın karesi olan w değişmez. Yani, ikinci çözümümüzde bulduğumuz gibi, 0w = 0, 0x olur. w = ƒ(x, y, z)’nin De¤iflkenleri Baflka Bir Denklemle K›s›tlanm›flken w>x Nas›l Bulunur? Örnek 1’de gördüğümüz gibi, w = ƒ(x, y, z) fonksiyonundaki değişkenler başka bir değişkenle kısıtlanmışken, ∂w@∂x’in değerini bulmanın üç adımı vardır. Bu adımlar ∂w@∂y ile ∂w@∂z’yi bulmakta da kullanılır. 1. 2. 3. Hangi değişkenleri bağımsız, hangilerinin bağımlı olacağına karar verin (Pratikte, karar çalışmamızın fiziksel veya teorik konusuna bağlıdır. Bu bölümün sonundaki alıştırmalarda, değişkenlerin hangilerinin hangisi olduğunu söyleyeceğiz). w ifadesindeki diğer bağımlı değişken(ler)i ortadan kaldırın. Her zamanki gibi türev alın. Değişkenlerin hangilerinin bağlı olacağına karar verdikten sonra, 2. adımı gerçekleştiremezsek, denklemlerin türevlerini oldukları gibi alır ve ∂w@∂x’i daha sonra çözeriz. Aşağıdaki örnek bunun nasıl yapıldığını göstermektedir. ÖRNEK 2 Belirlenmifl K›s›tl› Ba¤›ms›z De¤iflkenlerle Bir K›smi Türev Bulmak w = x2 + y2 + z2 z3 – xy + yz + y3 = 1 denklemlerinde x ve y bağımsız değişkenler ise, (x, y, z) = (2, –1, 1) noktasında ∂w@∂x’in değerini bulun. Çözüm w denkleminden z’yi yok etmek uygun değildir. Dolayısıyla, x ile y’ye bağımsız, w ile z’ye bağımlı değişkenler gibi bakarak, iki denklemin de iki tarafının x’e göre kapalı olarak türevini alırız. Bu 0w 0z = 2x + 2z 0x 0x (3) 1052 Bölüm 14: K›smi Türevler ve 3z 2 0z 0z - y + y + 0 = 0. 0x 0x (4) verir. Artık bu denklemler birleştirilerek ∂w@∂x kısmi türevi x, y ve z cinsinden ifade edilebilir. (4) denkleminden ∂z@∂x’i çözerek, y 0z = 0x y + 3z 2 elde eder ve bunu (3) denklemine yerleştirerek, 2yz 0w = 2x + . 0x y + 3z 2 buluruz. Bu türevin (x, y, z) = (2, –1, 1)’deki değeri a 2s -1ds1d 0w -2 = 2s2d + = 4 + = 3. b 2 0x s2,-1,1d 2 -1 + 3s1d bulunur. TARİHSEL BİYOGRAFİ Sonya Kovalevsky (1850–1891) Notasyon Bir türevi hesaplarken hangi değişkenlerin bağımsız olarak varsayıldıklarını göstermek için, aşağıdaki gösterimi kullanabiliriz: ÖRNEK 3 a 0w b 0x y x0w>0x ve y bağımsız olmak üzere ∂w@∂x with x and y independent a 0ƒ b 0y x, t y,0ƒ>0y x ve twith bağımsız olmak üzere ∂ƒ@∂y. y, x and t independent Notasyon ‹le Belirlenmifl K›s›tl› Ba¤›ms›z De¤iflkenlerle Bir K›smi Türev Bulmak w = x2 + y – z + sin t ve x + y = t ise (∂w@∂x)y, z’yi bulun. Çözüm x, y, z bağımsız olmak üzere, t = x + y, a w = x 2 + y - z + sin sx + yd 0w 0 b = 2x + 0 - 0 + cos sx + yd sx + yd 0x y, z 0x = 2x + cos (x + y) bulunur. Ok Diyagramlar› Örnek 3’tekine benzer problemleri çözmek için, değişkenlerle fonksiyonların arasındaki ilişkiyi belirten bir ok diyagramıyla işe başlamak genellikle yararlı olur. w = x2 + y – z + sin t ve x+y=t 14.9 K›s›tlanm›fl De¤iflkenlerle K›smi Türevler 1053 ise ve bizden x, y ve z bağımsızken ∂w@∂x’i bulmamız isteniyorsa, uygun diyagram şunun gibidir: x x y £y≥ : § ¥ : w (5) z z t Bağımsız değişkenler Ara değişkenler Bağlı değişken Diyagramda aynı sembolik isimli bağımsız ve ara değişkenlerde bir karışıklıktan kaçınmak için ara değişkenlerin isimlerini değiştirmek faydalıdır (bağımsız değişkenlerin fonksiyonları olarak görünürler). Böylece, u = x, y = y ve s = z değiştirilmiş ara değişkenleri göstersin. Bu notasyonla yukarıdaki ok diyagramı x £y≥ z u y § ¥ s t : Bağımsız değişkenler : Ara değişkenler ve bağıntılar w (6) Bağlı değişken u = x y = y s = z t = x + y Diyagram solda bağımsız değişkenleri, ortada ara değişkenleri ve onların bağımsız değişkenlerle ilişkilerini ve sağda bağlı değişkeni gösterir. Şimdi fonksiyon, w = u2 + y – s + sin t olmak üzere u = x, y = y, s=z ve t=x+y şeklindedir. ∂w@∂x’i bulmak için, (6) denklemindeki ok diyagramının rehberliğinde, w’ye Zincir Kuralının dört değişkenli şeklini uygularız: 0w 0w 0u 0w 0y 0w 0s 0w 0t = + + + 0x 0u 0x 0y 0x 0s 0x 0t 0x = s2uds1d + s1ds0d + s -1ds0d + scos tds1d = 2u + cos t = 2x + cos sx + yd. u = x ve t = x + y orijinal değişkenlerini yerine yazarak ALIfiTIRMALAR 14.9 K›s›tlanm›fl De¤iflkenlerle K›smi Türevleri Bulmak 1–3 alıştırmalarında, işe değişkenler arasındaki bağıntıları gösteren bir diyagram çizerek başlayın. 1. w = x2 + y2 + z2 ve z = x2 + y2 ise aşağıdakileri bulun. a. a 0w b 0y z b. a 0w b 0z x c. a 0w b . 0z y 2. w = x2 + y – z + sin t ve x + y = t ise aşağıdakileri bulun. a. a 0w b 0y x, z b. a 0w b 0y z, t d. a 0w b 0z y, t e. a 0w b 0t x, z c. a f. a 0w b 0z x, y 0w b . 0t y, z 1054 Bölüm 14: K›smi Türevler olduğunu gösterin (İpucu: Bütün türevleri normal ∂ƒ@∂x, ∂ƒ@∂y ve ∂ƒ@∂z cinsinden ifade edin). 3. PV = nRT (n ve R sabit) ideal gaz yasasına uyan bir gazın iç enerjisi U = ƒ(P, V, T) olsun. Aşağıdakileri bulun. a. a b. a 0U b 0P V 0U b . 0T V 10. u = xy olmak üzere, z = x + ƒ(u) ise, x 4. a. a b. a 0w b 0x y 0w b 0z y olduğunu gösterin. ise, (x, y, z) = (0, 1, p) noktasında aşağıdakileri bulun. 2 2 2 w=x +y +z ve y sin z + z sin x = 0 5. a. a b. a 0w b 0y x 3 w = x y + yz – z 11. g(x, y, z) = 0 denkleminin z’yi x ve y bağımsız değişkenlerinin türevlenebilir bir fonksiyonu olarak tanımladığını ve gz 0 olduğunu varsayın. Aşağıdaki ifadeyi gösterin. a 0w b 0y z ise, (w, x, y, z) = (4, 2, 1, –1)’de aşağıdakileri bulun. 2 2 ve 2 2 2 x +y +z =6 6. x = u2 + y2 ve y = uy ise, su, yd = A 22, 1 B , (∂u@∂y)x’i bulun. 2 2 noktasında 0x b 0r u 8. w = x2 – y2 = 4z + t ve and a 0ƒ 0g 0ƒ 0g Z 0. 0z 0w 0w 0z 2 olduğunu varsayın. 0r b. 0x y 0ƒ 0g 0ƒ 0g 0x 0w 0w 0x 0z a b = 0x y 0ƒ 0g 0ƒ 0g 0z 0w 0w 0z ve x + 2z + t = 25 olduğunu varsayın. 0w = 2x - 1 0x and ve 0g>0y 0z . b = 0y x 0g>0z 12. ƒ(x, y, z, w) = 0 ve g(x, y, z, w) = 0 denklemlerinin z ve w’yi x ile y bağımsız değişkenlerinin diferansiyellenebilir fonksiyonları olarak tanımladıklarını ve 7. Kutupsal koordinatlarda olduğu gibi, x + y = r ve x = r cos u olduğunu varsayın. Aşağıdakileri bulun. a 0z 0z - y = x. 0x 0y 0w = 2x - 2 0x denklemlerinin ikisinin de, değişkenlerin hangilerinin bağımlı ve hangilerinin bağımsız seçileceğine bağlı olarak, ∂w@∂x’i verdiklerini gösterin. Her durumda bağımsız değişkenleri tanımlayın. ve 0ƒ 0g 0ƒ 0g 0z 0y 0y 0z 0w a b = . 0y x 0ƒ 0g 0ƒ 0g 0z 0w 0w 0z Belirli Formülleri Olmayan K›smi Türevler 9. Hidrodinamikte geniş olarak kullanılan bir gerçeği, yani ƒ(x, y, z) = 0 ise, a 14.10 olduğunu gösterin. 0y 0x 0z b a b a b = -1. 0y z 0z x 0x y ‹ki De¤iflken ‹çin Taylor Formülü Bu bölüm yerel ekstremum değerler için İkinci Türev Testini (Bölüm 14.7) ve iki bağımsız değişkenli fonksiyonlarını lineerizasyonlarının hata formülünü (Bölüm 14.6) türetmek için Taylor formülünü kullanır. Bu türetmelerde Taylor formülünün kullanılması, formülün her mertebeden iki değişkenli fonksiyonların polinom yaklaşımlarını sağlayan bir genişlemesini verecektir. ‹kinci Türev Testinin Türetilmesi Açık bir R bölgesindeki bir P(a, b) noktasında ƒx = ƒy = 0 eşitliklerini sağlayan bir ƒ(x, y) fonksiyonunun R üzerinde sürekli kısmi türevleri var olsun (Şekil 14.59). h ve k, 14.10 t1 S(a h, b k) R’deki parametrize doğru parçası (a th, b tk), doğru parçası üzerinde tipik bir nokta t0 Taylor’s Formula for Two Variables 1055 S(a + h, b + k) noktasını ve bu noktayı P’ye birleştiren doğru parçasının R içinde olmasını sağlayacak kadar küçük artımlar olsun. PS doğru parçasını x = a + th, y = b + tk, 0t1 şeklinde parametrize ederiz. F(t) = ƒ(a + th, b + tk) ise, Zincir Kuralı F¿std = ƒx dy dx + ƒy = hƒx + kƒy . dt dt verir. ƒx ve ƒy diferansiyellenebilir oldukları için (sürekli kısmi türevleri vardır), F türevi t’nin türetilebilir bir fonksiyonudur ve P(a, b) F– = Açık R bölgesinin bir kısmı fiEK‹L 14.59 P(a, b) noktasında İkinci türev testini elde etme işine, P’den yakınındaki bir S noktasına kadar tipik bir doğru parçasını parametrize ederek başlarız. 0F¿ dx 0F¿ dy 0 0 + = shƒx + kƒy d # h + shƒx + kƒy d # k 0x dt 0y dt 0x 0y = h 2ƒxx + 2hkƒxy + k 2ƒyy . fxy = fyx olur. F ve F [0, 1]’de sürekli olduklarından ve F fonksiyonu (0, 1)’de diferansiyellenebilir olduğundan n = 2 ve a = 0 ile Taylor formülünü kullanarak, 0 ile 1 arasındaki bir c sayısı için Fs1d = Fs0d + F¿s0ds1 - 0d + F–scd Fs1d = Fs0d + F¿s0d + s1 - 0d2 2 1 F–scd 2 (1) elde ederiz. (1) Denklemini ƒ cinsinden yazmak ƒsa + h, b + kd = ƒsa, bd + hƒxsa, bd + kƒysa, bd + 1 2 . A h ƒxx + 2hkƒxy + k 2ƒyy B ` 2 sa + ch, b + ckd (2) verir. ƒx(a, b) = ƒx(a, b) = 0 olduğundan, bu ƒsa + h, b + kd - ƒsa, bd = 1 2 . A h ƒxx + 2hkƒxy + k 2ƒyy B ` 2 sa + ch, b + ckd (3) haline indirgenir. ƒ’nin (a, b)’de bir ekstremumunun bulunması ƒ(a + h, b + k) – ƒ(a, b)’nin işaretiyle belirlenir. (3) denkleminden, bu Qscd = sh 2ƒxx + 2hkƒxy + k 2ƒyy d ƒ sa + ch,b + ckd . fonksiyonunun işaretiyle aynıdır. Şimdi, Q(0) 0 ise, Q(c)’nin işareti yeterince küçük h ve k değerleri için Q(0)’ın işareti ile aynı olacaktır. Qs0d = h 2ƒxxsa, bd + 2hkƒxysa, bd + k 2ƒyysa, bd (4) değerinin işaretini ƒxx ve ƒxxƒyy – ƒxy2’nin (a, b)’deki işaretlerinden tahmin edebiliriz. (4) denkleminin iki tarafını da ƒxx ile çarpar ve sağ tarafı yeniden düzenlersek ƒxx Qs0d = shƒxx + kƒxy d2 + sƒxx ƒyy - ƒxy2 dk 2. (5) elde ederiz. (5) denkleminden aşağıdakileri çıkarırız: 1. 2. (a, b)’de ƒxx 0 ve ƒxxƒyy – ƒxy2 0 ise, h ve k’nin sıfırdan farklı yeterince küçük değerlerinde Q(0) 0 olur ve ƒ’nin (a, b)’de bir yerel maksimumu vardır. (a, b)’de ƒxx 0 ve ƒxxƒyy – ƒxy2 0 ise, h ve k’nin sıfırdan farklı yeterince küçük değerlerinde Q(0) 0 olur ve ƒ’nin (a, b)’de bir yerel minimumu vardır. 1056 Bölüm 14: K›smi Türevler 3. 4. (a, b)’de ƒxxƒyy – ƒxy2 0 ise, h ve k’nin, Q(0) 0 olmasını sağlayacak, sıfırdan farklı yeterince küçük değerlerinin bir kombinasyonu ve Q(0) 0 olmasını sağlayacak başka kombinasyonu vardır. z = ƒ(x, y) yüzeyinde P0(a, b, ƒ(a, b)) noktasının keyfi derecede yakınında, P0’ın üst tarafında ve alt tarafında noktalar vardır, dolayısıyla ƒ’nin (a, b)’de bir eyer noktası vardır. ƒxxƒyy – ƒxy2 = 0 ise, başka bir teste gerek vardır. Q(0)’ın sıfıra eşit olma olasılığı Q(c)’nin işareti hakkında sonuç çıkarmamızı önler. Lineer Yaklafl›mlar ‹çin Hata Formülü Bir ƒ(x, y) fonksiyonu ile (x0, y0)’daki lineerizasyonu L(x, y)’nin değerleri arasındaki E(x, y) farkının 1 ƒ Esx, yd ƒ … 2 Ms ƒ x - x0 ƒ + ƒ y - y0 ƒ d2. eşitsizliğini sağladığını göstermek istiyoruz. ƒ fonksiyonunun, (x0, y0) merkezli dikdörtgensel bir kapalı R bölgesini içeren bir açık kümede sürekli ikinci mertebe kısmi türevlerinin var olduğu kabul edilmektedir. M sayısı, uƒxxu, uƒyyu ve uƒxyu’nin R’de bir üst sınırıdır. İstediğimiz eşitsizlik (2) denkleminden gelir. Sırasıyla, a ve b yerine x0 ve y0, h ve k yerine de x – x0 ve y – y0 yazarak, sonucu ƒsx, yd = ƒsx0 , y0 d + ƒxsx0 , y0 dsx - x0 d + ƒysx0 , y0 ds y - y0 d ('''''''')'''''''''''''* Lsx, yd L(x, y)linearization lineerizasyonu + 1 A sx - x0 d2ƒxx + 2sx - x0 ds y - y0 dƒxy + s y - y0 d2ƒyy B ` sx0 + csx - x0d, y0 + cs y - y0dd. 2 ('''''''''''''''')'''''''''''''''''* error Esx, yd E(x, y) hatası olarak yeniden düzenleriz. Bu çarpıcı denklem 1 ƒ E ƒ … 2 A ƒ x - x0 ƒ 2 ƒ ƒxx ƒ + 2 ƒ x - x0 ƒ ƒ y - y0 ƒ ƒ ƒxy ƒ + ƒ y - y0 ƒ 2 ƒ ƒyy ƒ B . olduğunu gösterir. Dolaysıyla, M, R üzerinde uƒxxu, uƒxyu ve uƒyyu’nin değerlerinin bir üst sınırıysa, 1 ƒ E ƒ … 2 A ƒ x - x0 ƒ 2 M + 2 ƒ x - x0 ƒ ƒ y - y0 ƒ M + ƒ y - y0 ƒ 2M B = 1 Ms ƒ x - x0 ƒ + ƒ y - y0 ƒ d2. 2 bulunur. ‹ki De¤iflkenli Fonksiyonlar ‹çin Taylor Formülü Daha önce F ve F için türetilen denklemler, ƒ(x, y)’ye ah 0 0 + k b 0x 0y ve and ah 2 0 0 02 02 02 + k b = h 2 2 + 2hk + k2 2 . 0x 0y 0x 0y 0x 0y operatörleri uygulanarak elde edilebilir. Bunlar, daha genel olan n F sndstd = dn 0 0 Fstd = ah + k b ƒsx, yd, 0x 0y dt n (6) 14.10 1057 Taylor’s Formula for Two Variables formülünün ilk iki örneğidir. (6) Denklemi F(t)’ye dn@dtn uygulamanın, ƒ(x, y) fonksiyonuna, ah 0 0 + k b 0x 0y n operatörünün binom teoremiyle açılmış halini uygulamakla eş olduğunu söyler. ƒ’nin (n + 1)inci mertebeye kadar kısmi türevleri, merkezi (a, b)’de olan dikdörtgen şeklindeki bir bölgede sürekli ise, F(t)’nin Taylor formülünü Fstd = Fs0d + F¿s0dt + F–s0d 2 F snds0d snd t + Á + t + kalan remainder, 2! n! şeklinde açabilir ve t = 1 alarak F–s0d F snds0d + Á + + kalan remainder. 2! n! elde edebiliriz. Bu son seride, sağ taraftaki ilk n türevi, (6) denkleminde t = 0 için hesaplanmış eşdeğer ifadeleri ile değiştirdiğimizde ve uygun bir kalan terim eklediğimizde aşağıdaki formüle ulaşırız: Fs1d = Fs0d + F¿s0d + (a, b) Noktasında ƒ(x, y)’nin Taylor Formülü ƒ(x, y) ve (n + 1) inci mertebeye kadar kısmi türevleri, merkezi (a, b)’de olan dikdörtgensel bir açık R bölgesinde sürekli olsunlar. Bu durumda, R’de, 1 2 sh ƒxx + 2hkƒxy + k 2ƒyy d ƒ sa,bd 2! n 0 0 1 1 3 sh ƒxxx + 3h 2kƒxxy + 3hk 2ƒxyy + k 3ƒyyy d ƒ sa,bd + Á + ah + + k b ƒ` 0x 0y 3! n! sa,bd ƒsa + h, b + kd = ƒsa, bd + shƒx + kƒy d ƒ sa,bd + + 0 0 1 ah + k b 0x 0y sn + 1d! n+1 ƒ` . (7) sa + ch,b + ckd bulunur. İlk n türev terimi (a, b)’de hesaplanır. Son terim, (a, b) ile (a + h, b + k)’yi birleştiren doğru parçası üzerindeki bir (a + ch, b + ck) noktasında hesaplanır. (a, b) = (0, 0) ise ve h ile k’ye (artık onlara x ve y diyerek) bağımsız değişkenler gibi davranırsak, (7) denklemi daha basit bir hal alır. Orijinde ƒ(x, y)’nin Taylor Formülü ƒsx, yd = ƒs0, 0d + xƒx + yƒy + 1 2 sx ƒxx + 2xyƒxy + y 2ƒyy d 2! n + 0 0 1 3 1 sx ƒxxx + 3x 2yƒxxy + 3xy 2ƒxyy + y 3ƒyyy d + Á + ax + y b ƒ 0x 0y 3! n! + 0 0 1 ax + y b 0x 0y sn + 1d! n+1 ƒ` (8) scx,cyd 1058 Bölüm 14: K›smi Türevler İlk n türev terimi (0, 0)’da hesaplanmaktadır. Son terim orijinle (x, y)’yi birleştiren doğru parçası üzerindeki bir noktada hesaplanır. Taylor formülü bizi, iki değişkenli fonksiyonların polinom yaklaşımlarına götürür. İlk n türev terimi polinomu verir; son terim yaklaşım hatasını verir. Taylor formülünün ilk üç terimi fonksiyonun lineerizasyonunu verir. Lineerizasyonu iyileştirmek için, daha yüksek dereceden terimler ekleriz. ÖRNEK 1 Kuadratik Bir Yaklafl›m Bulmak ƒ(x, y) = sin x sin y’ye orijin civarında kuadratik bir yaklaşım bulun. u x u 0.1 ve u y u 0.1 ise, yaklaşım ne kadar kesindir? (8) Denklemlerinde n = 2 alırız: Çözüm ƒsx, yd = ƒs0, 0d + sxƒx + yƒy d + + 1 2 sx ƒxx + 2xyƒxy + y 2ƒyy d 2 1 3 sx ƒxxx + 3x 2yƒxxy + 3xy 2ƒxyy + y 3ƒyyy dscx,cyd 6 ve ƒs0, 0d = sin x sin y ƒ s0,0d = 0, ƒxxs0, 0d = -sin x sin y ƒ s0,0d = 0, ƒxs0, 0d = cos x sin y ƒ s0,0d = 0, ƒxys0, 0d = cos x cos y ƒ s0,0d = 1, ƒys0, 0d = sin x cos y ƒ s0,0d = 0, ƒyys0, 0d = -sin x sin y ƒ s0,0d = 0, ile, sin x sin y L 0 + 0 + 0 + 1 2 sx s0d + 2xys1d + y 2s0dd, 2 sin x sin y L xy. buluruz. Yaklaşımdaki hata Esx, yd = 1 3 sx ƒxxx + 3x 2yƒxxy + 3xy 2ƒxyy + y 3ƒyyy d ƒ scx,cyd . 6 formülüyle bulunur. Üçüncü türevler mutlak değer olarak 1’i asla aşmazlar, çünkü sinüs ve kosinüslerin çarpımlarıdırlar. Ayrıca, u x u 0.1 ve u y u 0.1’dir. Böylece, 8 1 ƒ Esx, yd ƒ … 6 ss0.1d3 + 3s0.1d3 + 3s0.1d3 + s0.1d3 d = 6 s0.1d3 … 0.00134 bulunur (yuvarlak olarak). u x u 0.1 ve u y u 0.1 ise, hata 0.00134’ü aşmayacaktır. ALIfiTIRMALAR 14.10 4. ƒsx, yd = sin x cos y Kuadratik ve Kübik Yaklafl›mlar› Bulmak 3. ƒsx, yd = y sin x 1–10 alıştırmalarında, orijinde ƒ(x, y)’nin Taylor formülünü kullanarak, ƒ’nin orijin civarında kuadratik ve kübik yaklaşımlarını bulun. 5. ƒsx, yd = e ln s1 + yd 6. ƒsx, yd = ln s2x + y + 1d 7. ƒsx, yd = sin sx 2 + y 2 d 8. ƒsx, yd = cos sx 2 + y 2 d 1. ƒsx, yd = xe y 2. ƒsx, yd = e x cos y x 14.1 9. ƒsx, yd = 1 1 - x - y 10. ƒsx, yd = 1 1 - x - y + xy 11. Taylor formülünü kullanarak, ƒ(x, y) = cos x cos y ’nin orijin civarında kuadratik bir yaklaşımını bulun. u x u 0.1 ve u y u 0.1 ise, yaklaşımdaki hatayı bulun. Bölüm 14 Functions of Several Variables 1059 12. 12. Taylor formülünü kullanarak, ex sin y’nin orijin civarında kuadratik bir yaklaşımını bulun. u x u 0.1 ve u y u 0.1 ise, yaklaşımdaki hatayı bulun. Bölüm Tekrar Sorular› 1. İki bağımsız değişkenli reel değerli bir fonksiyon nedir? Ya üç bağımsız değişkenli? Örnek verin. 2. Düzlemdeki veya uzaydaki kümelerin açık olması ne demektir? Ya kapalı? Örnekler verin. Ne açık ne de kapalı olan kümelere örnekler verin. 3. İki bağımsız değişkenli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun değerlerini grafik olarak nasıl gösterirsiniz? Aynı şeyi üç değişkenli bir ƒ(x, y, z) fonksiyonu için nasıl yaparsınız? 4. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun (x, y) → (x0, y0) iken limitinin L olması ne anlama gelir? İki bağımsız değişkenli fonksiyonların limitlerinin temel özellikleri nelerdir? 5. İki (üç) değişkenli bir fonksiyonun tanım kümesinde bir noktada sürekli olması ne demektir? Bazı noktalarda sürekli, bazılarında süreksiz fonksiyonlara örnekler verin. 6. Sürekli fonksiyonların cebirsel kombinasyonları ve bileşkeleri hakkında ne söylenebilir? 7. Limitlerin var olmadığı ile ilgili iki yol testini açıklayın. 8. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ∂ƒ@∂x ve ∂ƒ@∂y kısmi türevleri nasıl tanımlanır? Nasıl yorumlanır ve hesaplanırlar? 9. Birinci mertebe kısmi türevler ile iki bağımsız değişkenli fonksiyonların sürekliliği arasındaki ilişki, tek bağımsız değişkenli reel değerli fonksiyonların birinci türevleri ile sürekliliği arasındaki ilişkiden nasıl farklıdır? Örnek verin. 10. Karışık ikinci mertebe kısmi türevlerle ilgili Karışık Türev Teoremi nedir? İkinci ve daha yüksek mertebeden kısmi türevleri hesaplamaya nasıl yardımcı olur? Örnekler verin. 11. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun diferansiyellenebilmesi ne demektir? Artım Teoremi diferansiyellenebilirlik hakkında ne söyler? 12. ƒx ve ƒy’yi inceleyerek bir ƒ(x, y) fonksiyonunun diferansiyellenebilir olduğuna nasıl karar verirsiniz? ƒ’nin diferansiyellenebilirliği ile bir noktada sürekliliği arasındaki ilişki nedir? 13. Zincir Kuralı nedir? İki bağımsız değişkenli fonksiyonlar için nasıl bir şekil alır? Üç bağımsız değişkenli fonksiyonlar için? Yüzeylerde tanımlanan fonksiyonlar için? Bu farklı şekilleri diyagramla nasıl gösterirsiniz? Örnekler verin. Hangi model bütün farklı şekilleri hatırlamamızı sağlar? 14. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun bir P0 noktasında bir u birim vektörü yönünde türevi nedir? Hangi değişim oranını tanımlar? Geometrik yorumu nedir? Örnekler verin. 15. Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun gradiyent vektörü nedir? Fonksiyonların doğrultu türevleri ile arasındaki ilişki nedir? Üç bağımsız değişkenli fonksiyonlar için benzer sonuçları sıralayın. 16. Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun bir seviye eğrisi üzerindeki bir noktada teğeti nasıl bulursunuz? Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun bir seviye yüzeyi üzerindeki bir noktada teğet düzlemi ve normali nasıl bulursunuz? Örnekler verin. 17. Değişimi öngörmek için yönlü türevleri nasıl kullanırsınız? 18. İki değişkenli bir ƒ(x, y) fonksiyonunu (x0, y0) noktasında nasıl lineerize edersiniz? Bunu neden yapmak isteyeseniz? Üç değişkenli bir fonksiyon nasıl lineerize edilir? 19. İki (üç) bağımsız değişkenli fonksiyonların lineer yaklaşımlarının doğrulukları hakkında ne söyleyebilirsiniz? 20. (x, y) noktası (x0, y0)’dan yakınlardaki bir (x0 + dx, y0 + dy) noktasına giderse, diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun değerindeki değişikliği nasıl öngörürsünüz? Bir örnek verin. 21. Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun yerel minimum, maksimum ve eyer noktalarını nasıl tanımlarsınız? Örnekler verin. 22. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun yerel ekstremum değerlerini belirlemek için hangi türev testleri vardır? Bunlar, ekstremum değerleri bulma işini nasıl kolaylaştırır? Örnekler verin. 23. xy-düzleminde kapalı sınırlı bir bölgede, sürekli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun ekstremumları nasıl bulunur? Bir örnek verin. 24. Lagrange çarpanları yöntemini tanımlayın ve örnekler verin. 25. w = ƒ(x, y, z) fonksiyonunda x, y ve z değişkenleri bir g(x, y, z) = 0 denklemi ile sınırlanmışsa (∂w@∂x)y ifadesinin anlamı nedir? Bir ok diyagramı, bu kısmi türevi sınırlı değişkenlerle hesaplamanıza nasıl yardımcı olur? Örnekler verin. 26. Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun Taylor formülü, polinom yaklaşımlarını ve hata öngörülerini nasıl üretir? 1060 Bölüm 14: K›smi Türevler Bölüm 14 Problemler Tan›m Kümesi, De¤er Kümesi ve Seviye E¤rileri 22. hsx, y, zd = sin s2px + y - 3zd 1–4 problemlerinde, verilen fonksiyonun tanım ve değer kümelerini bulun ve seviye eğrilerini tanımlayın. Tipik bir seviye eğrisini çizin. 23. Psn, R, T, Vd = 1. ƒsx, yd = 9x 2 + y 2 2. ƒsx, yd = e x + y 24. ƒsr, l, T, wd = 3. gsx, yd = 1>xy 4. gsx, yd = 2x 2 - y nRT (İdeal Gaz Yasası) V T 1 2rl A pw ‹kinci Derece K›smi Türevler 5–8 problemlerinde, verilen fonksiyonun tanım ve değer kümelerini bulun ve seviye yüzeylerini tanımlayın. Tipik bir seviye yüzeyini çizin. 25–28 problemlerindeki fonksiyonların ikinci mertebeden kısmi türevlerini bulun. 5. ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 - z x 25. gsx, yd = y + y 7. hsx, y, zd = 6. gsx, y, zd = x 2 + 4y 2 + 9z 2 1 x2 + y2 + z2 27. ƒsx, yd = x + xy - 5x 3 + ln sx 2 + 1d 28. ƒsx, yd = y 2 - 3xy + cos y + 7e y 1 8. ksx, y, zd = 2 x + y2 + z2 + 1 Zincir Kural› Hesaplamalar› 29. w = sin(xy + p), x = et ve y = ln(t + 1) ise, t = 0’da dw@dt’yi bulun. Limit Hesaplamak 9–14 alıştırmalarındaki limitleri hesaplayın. 9. 11. lim sx,yd:sp, ln 2d e y cos x x - y lim 26. gsx, yd = e x + y sin x sx,yd:s1,1d x 2 - y 2 2 + y sx,yd: s0,0d x + cos y x 3y 3 - 1 lim 12. sx,yd: s1,1d xy - 1 lim 10. 30. w = xey + y sin z – cos z, x = 2√ t, y = t – 1 + ln t ve z = pt ise t = 1’de dw@dt’yi bulun. 31. w = sin (2x – y), x = r + sin s, y = rs ise r = p ve s = 0 iken, ∂w@∂r ve ∂w@∂s’yi bulun. tan-1 sx + y + zd 32. w = ln21 + x 2 - tan-1 x ve x = 2eu cos y ise u = y = 0 iken, ∂w@∂y ve ∂w@∂y’yi bulun. Farklı yaklaşma yolları düşünerek, 15 ve 16 problemlerindeki limitlerin var olmadığını gösterin. y x2 + y2 15. sx,ydlim 16. lim xy : s0,0d 2 sx,yd : s0,0d x - y 33. x = cos t, y = sin t, z = cos 2t eğrisi üzerinde t = 1’de ƒ(x, y, z) = xy + yz + xz’nin t’ye göre türevini bulun. 13. lim P:s1, -1, ed ln ƒ x + y + z ƒ 14. lim P: s1,-1,-1d y Z x2 xy Z 0 17. Sürekli genişleme (x, y) (0, 0) için ƒ(x, y) = (x2 – y2)@(x2 + y2) olsun. ƒ(0,0)’ı, ƒ’yi orijinde sürekli yapacak şekilde tanımlamak mümkün müdürü? Neden? Kapal› Türev Alma 18. Sürekli genişleme sin sx - yd , ƒxƒ + ƒyƒ ƒsx, yd = L 0, 34. w = ƒ(s), s’nin diferansiyellenebilir bir fonksiyonuysa ve s = y + 5x ise, 0w 0w - 5 = 0. 0x 0y olduğunu gösterin. ƒxƒ + ƒyƒ Z 0 sx, yd = s0, 0d. olsun. ƒ, orijinde sürekli midir? Neden? 35 ve 36 problemlerindeki denklemlerin y’yi x’in diferansiyellenebilir bir fonksiyonu olarak tanımladığını varsayarak, dy@dx’in P noktasındaki değerini bulun. 35. 1 - x - y 2 - sin xy = 0, 36. 2xy + e x+y - 2 = 0, Ps0, 1d Ps0, ln 2d K›smi Türevler Do¤rultu Türevleri 19–24 problemlerinde, fonksiyonun her değişkene göre kısmi türevini bulun. 37–40 problemlerinde, ƒ’nin P0’da en hızlı arttığı ve azaldığı yönleri bulun ve her yönde ƒ’nin türevini bulun. Ayrıca, ƒ’nin P0’da v vektörü yönündeki türevini bulun. 19. gsr, ud = r cos u + r sin u 20. ƒsx, yd = y 1 ln sx 2 + y 2 d + tan-1 x 2 21. ƒsR1, R2 , R3 d = 1 1 1 + + R1 R2 R3 37. ƒsx, yd = cos x cos y, 2 -2y 38. ƒsx, yd = x e , P0sp>4, p>4d, P0s1, 0d, v = i + j 39. ƒsx, y, zd = ln s2x + 3y + 6zd, v = 2i + 3j + 6k v = 3i + 4j P0s -1, -1, 1d, Chapter 14 40. ƒsx, y, zd = x 2 + 3xy - z 2 + 2y + z + 4, P0s0, 0, 0d, 53 ve 54 problemlerinde, yüzeylerin kesişim eğrilerinin verilen noktadaki teğeti olan doğrunun denklemini bulun. ƒ(x, y, z) = xyz’nin t = p@3’te 53. Yüzeyler: x 2 + 2y + 2z = 4, rstd = scos 3tdi + ssin 3tdj + 3t k Nokta: helisinin hız vektörünün yönündeki türevini bulun. 43. Verilen değerlerle doğrultu türevleri (1, 2) noktasında ƒ(x, y) fonksiyonunun (2, 2)’ye giden yönde değeri 2 olan bir doğrultu türevi ve (1, 1)’e giden yönde değeri –2 olan bir doğrultu türevi vardır. a. ƒx(1, 2) ve ƒy(1, 2)’yi bulun. b. ƒ’nin (1,2)’de (4, 6) noktasına giden yöndeki doğrultu türevini bulun. 44. ƒ(x, y) fonksiyonu (x0, y0)’da diferansiyellenebilir ise aşağıdaki ifadelerden hangileri doğrudur? a. u bir birim vektörse, ƒ’nin (x0, y0)’da u yönündeki doğrultu türevi (ƒx(x0, y0)i + ƒy(x0, y0)j) u’dur. Nokta: ƒ d. (x0, y0)’da, ƒ vektörü ƒ(x, y) = ƒ(x0, y0) eğrisine normaldir. y = 1 (1> 2, 1, 1> 2) Lineerizasyonlar 55 ve 56 problemlerinde, ƒ(x, y) fonksiyonunun P0 noktasındaki L(x, y) lineerizasyonunu bulun. Sonra ƒ(x, y) < L(x, y) yaklaşımının R dikdörtgeni üzerindeki hatasının büyüklüğü E’nin bir üst sınırını bulun. 55. ƒsx, yd = sin x cos y, R: `x - p ` … 0.1, 4 P0sp>4, p>4d `y - 56. ƒsx, yd = xy - 3y 2 + 2, R: b. ƒ’nin (x0, y0)’da u yönündeki doğrultu türevi bir vektördür. y = 1 (1, 1, 1> 2) 54. Yüzeyler: x + y 2 + z = 2, 42. Maksimum doğrultu türevi ƒ(x, y, z) = xyz’nin doğrultu türevinin (1, 1, 1) noktasında alabileceği en büyük değer nedir? c. ƒ’nin (x0, y0)’daki doğrultu türevinin en büyük değeri yönündedir. 1061 E¤rilerin Te¤etleri v = i + j + k 41. Hız yönünde türev Practice Exercises ƒ x - 1 ƒ … 0.1, p ` … 0.1 4 P0s1, 1d ƒ y - 1 ƒ … 0.2 57 ve 58 problemlerinde, fonksiyonların verilen noktalardaki lineerizasyonlarını bulun. 57. ƒsx, y, zd = xy + 2yz - 3xz , (1, 0, 0) ve (1, 1, 0) 58. ƒsx, y, zd = 22 cos x sin s y + zd, s0, 0, p>4d ve sp>4, p>4, 0d Gradiyentler, Te¤et Düzlemleri ve Normal Do¤rular 45 ve 46 problemlerinde, ƒ(x, y, z) = c yüzeyini verilen noktalardaki ƒ’le birlikte çizin. 45. x 2 + y + z 2 = 0; 46. y 2 + z 2 = 4; s0, -1, ;1d, s2, ;2, 0d, s0, 0, 0d s2, 0, ;2d 47 ve 48 Problemlerinde, ƒ(x, y, z) = c seviye yüzeyine P0’da teğet olan düzlemi bulun. Ayrıca, yüzeye P0’da normal olan doğrunun parametrik denklemlerini bulun. 47. x 2 - y - 5z = 0, P0s2, -1, 1d 48. x 2 + y 2 + z = 4, P0s1, 1, 2d 49 ve 50 problemlerinde, verilen noktada z = ƒ(x, y) yüzeyine teğet düzlemin denklemini bulun. 49. z = ln sx 2 + y 2 d, s0, 1, 0d 50. z = 1>sx 2 + y 2 d, s1, 1, 1>2d 51 ve 52 problemlerinde, ƒ(x, y) = c seviye eğrisinin P0 noktasındaki teğet ve normalinin denklemlerini bulun. Sonra doğruları ve seviye eğrisini P0’daki ƒ ile birlikte çizin. 51. y - sin x = 1, P0sp, 1d 52. y2 3 x2 = , 2 2 2 P0s1, 2d Tahminler ve De¤iflime Duyarl›l›k 59. Bir boru hattının hacmini ölçmek Çapı yaklaşık 36 inç ve uzunluğu 1 mil olan bir boru hattı parçasının içindeki hacmi hesaplamak istiyorsunuz. Hangi ölçümde daha dikkatli olmanız gerekir—uzunlukta mı, çapta mı? Neden? 60. Değişime duyarlık (1, 2) noktası civarında, ƒ(x, y) = x2 – xy + y2 – 3 fonksiyonu x’teki değişimlere mi, y’deki değişimlere mi daha duyarlıdır? Nereden biliyorsunuz? 61. Elektrik devresini değiştirme Bir elektrik devresindeki I (amper) akımının V (volt) gerilimi ile R (ohm) direncine I = V@R denklemiyle bağlı olduğunu varsayın. Gerilim 24’ten 23 volta düşer ve direnç 100’den 80 ohma düşerse, I artar mı, azalır mı? Ne kadar? I’daki değişim voltajdaki bir değişime mi yoksa dirençteki bir değişime mi daha duyarlıdır? Nereden biliyorsunuz? 62. Bir elipsin alanını öngörmede maksimum hata En yakın milimetreye yuvarlama ile a = 10 cm ve b = 16 cm olarak ölçülen x2@a2 + y2@b2 = 1 elipsinin hesaplanan alanı A = pab’deki yüzde hatanın ne kadar olmasını beklersiniz? 63. Bir çarpımı öngörmedeki hata u ve y pozitif bağımsız değişkenler olmak üzere, y = uy ve z = u + y olsun. a. u, %2’lik ve y de %3’lük bir hatayla ölçülüyorsa, hesaplanan y-değerindeki yüzde hata yaklaşık ne olur? 1062 Bölüm 14: K›smi Türevler b. z’nin hesaplanan değerindeki yüzde hatanın y’nin değerindeki yüzde hatadan daha az olduğunu gösterin. 64. Kalp indisi Kalp çıktısı araştırmalarında (Bölüm 3.7, Alıştırma 25) farklı kişileri karşılaştırılabilir hale getirmek için, araştırmacılar ölçülen kalp çıktısını vücudun yüzey alanına bölerek, kalp indisi C’yi bulurlar: kalp çıktısı C = ———————— vücut yüzey alanı 75. ƒsx, yd = x 2 - y 2 - 2x + 4y R: Alttan x-ekseni, üstten y = x + 2 doğrusu ve sağdan x = 2 doğrusu ile sınırlanan üçgensel bölge. 76. ƒsx, yd = 4xy - x 4 - y 4 + 16 R: Alttan y = – 2 doğrusu, üstten y = x doğrusu ve sağdan x = 2 doğrusuyla sınırlanan üçgensel bölge 77. ƒsx, yd = x 3 + y 3 + 3x 2 - 3y 2 R: x = Ağırlığı w kilogram ve boyu h santimetre olarak ölçülen bir kişinin B vücut yüzey alanına B’yi santimetre kare olarak veren B = 71.84w 0.425h 0.725 , formülüyle yaklaşım yapılır. Aşağıdaki ölçümlere sahip birinin kalp indisini hesaplamak üzeresiniz: Kalp çıktısı: Ağırlık: Yükseklik: 7 L/dak 70 kg 180 cm Hesapta hangisi daha büyük bir etki yaratacaktır, ağırlığı ölçerken yapılan 1 kg’lik bir hata mı, yüksekliği ölçerken yapılan 1 cm’lik bir hata mı? Yerel Ekstremumlar 65–70 problemlerindeki fonksiyonları, yerel maksimum, minimum ve eyer noktaları için test edin. Fonksiyonun bu noktalardaki değerlerini bulun. 2 2 65. ƒsx, yd = x - xy + y + 2x + 2y - 4 66. ƒsx, yd = 5x 2 + 4xy - 2y 2 + 4x - 4y 3 67. ƒsx, yd = 2x + 3xy + 2y 3 68. ƒsx, yd = x 3 + y 3 - 3xy + 15 69. ƒsx, yd = x 3 + y 3 + 3x 2 - 3y 2 70. ƒsx, yd = x 4 - 8x 2 + 3y 2 - 6y Mutlak Ekstremumlar 71–78 problemlerinde, ƒ’nin R üzerinde mutlak maksimum ve minimum değerlerini bulun. 71. ƒsx, yd = x 2 + xy + y 2 - 3x + 3y R: Birinci dörtte bir bölgeden x + y = 4 doğrusuyla kesilen üçgensel bölge. 2 2 72. ƒsx, yd = x - y - 2x + 4y + 1 R: Birinci dörtte bir bölgede, koordinat eksenleri, x = 4 ve y = 2 doğrularıyla sınırlanan dikdörtgensel bölge. 73. ƒsx, yd = y 2 - xy - 3y + 2x R: x = 2 ve y = 2 doğrularıyla çevrelenen kare bölge. 74. ƒsx, yd = 2x + 2y - x 2 - y 2 R: Birinci dörtte bir bölgede, koordinat eksenleri, x = 2, y = 2 doğrularıyla çevrelenen kare. 1 ve y = 1 doğrularıyla çevrelenen kare bölge. 78. ƒsx, yd = x 3 + 3xy + y 3 + 1 R: x = 1 ve y = 1 doğrularıyla çevrelenen kare bölge. Lagrange Çarpanlar› 79. Bir çember üzerinde ekstremum ƒ(x, y) = x3 + y2’nin x2 + y2 = 1 çemberi üzerindeki ekstremum değerlerini bulun. 80. Bir çember üzerinde ekstremum ƒ(x, y) = xy’nin x2 + y2 = 1 çemberi üzerindeki ekstremum değerlerini bulun. 81. Bir disk içinde ekstremum ƒ(x, y) = x2 + 3y2 + 2y’nin x2 + y2 1 birim diski içindeki ekstremum değerlerini bulun. 82. Bir disk içinde ekstremum ƒ(x, y) = x2 + y2 – 3x – xy’nin x2 + y2 9 diski içindeki ekstremum değerlerini bulun. 83. Bir küre üzerinde ekstremum ƒ(x, y, z) = x – y + z’nin x2 + y2 + z2 = 1 birim küresi üzerindeki ekstremum değerlerini bulun. 84. Orijine minimum uzaklık z2 – xy = 4 yüzeyi üzerinde orijine en yakın noktaları bulun. 85. Bir kutunun maliyetini minimize etmek Kapalı dikdörtgen şeklinde bir kutunun hacmi V cm3 olacaktır. Kutuda kullanılan malzemenin masrafı taban ve tavan için a cent@cm2, arka ve ön için b cent@cm2 ve kalan yüzler için c cent@cm2’dir. Hangi boyutlar toplam malzemenin maliyetini minimize eder? 86. En küçük hacim (2, 1, 2) noktasından geçen ve birinci sekizde bir bölgeden en küçük hacmi kesen x@a + y@b + c@z = 1 düzlemini bulun. 87. Yüzeylerin kesişim eğrisi üzerinde ekstremum ƒ(x, y, z) = x(y + z)’nin x2 + y2 = 1 dik silindiriyle xz = 1 hiperbolik silindirinin kesişim eğrisi üzerindeki ekstremum değerlerini bulun. 88. Bir düzlem ile bir koninin kesişim eğrisi üzerinde orijine en küçük uzaklık x + y + z = 1 düzlemi ile z2 = 2x2 + 2y2 konisinin kesişim eğrisi üzerinde orijine en yakın noktayı bulun. K›s›tlanm›fl De¤iflkenlerle K›smi Türevler 89 ve 90 problemlerinde, işe değişkenler arasındaki ilişkileri gösteren bir diyagram çizerek başlayın. 89. w = x2eyz ve z = x2 – y2 ise, aşağıdakileri bulun. a. a 0w b 0y z b. a 0w b 0z x c. a 0w b . 0z y Chapter 14 90. U = ƒ(P, V, T), ideal gaz yasası PV = nRT’ye (n ve R birer sabit) uyan bir gazın iç enerjisi olsun. Aşağıdakileri bulun. a. a b. a 0U b 0T P 0U b . 0V T Additional and Advanced Exercises 1063 97. Bir düzleme paralel normal doğru s y + zd2 + sz - xd2 = 16 Yüzeyi üzerinde normali yz-düzlemine paralel noktaları bulun. 98. xy-düzlemine paralel teğet düzlem Teori ve Örnekler xy + yz + zx - x - z 2 = 0 91. w = ƒsr, ud, r = 2x + y , ve u = tan (y@x) olsun. ∂w@∂x ile ∂w@∂y’yi bulun ve yanıtlarınızı r ve u cinsinden ifade edin. 2 –1 2 92. z = ƒ(u, y), u = ax + by ve y = ax – by olsun. zx ile zy’yi ƒu, ƒy ve a, b sabitleri cinsinden ifade edin. 93. a ve b sabit, w = u3 + tanh u + cos u ve u = ax + by ise, 0w 0w a = b . 0y 0x olduğunu gösterin. 2 95. Vektörler arasında açı eu cos y – x = 0 ve eu sin y – y = 0 denklemleri u ve y’yi x ile y’nin diferansiyellenebilir fonksiyonları olarak tanımlar. 0y 0y i + j 0x 0y ve and 99. Gradiyent vektör konum vektörüne paralel ƒ(x, y, z)’ nin her zaman xi + yj + zk konum vektörüne paralel olduğunu varsayın. Herhangi bir a için, ƒ(0, 0, a) = ƒ(0, 0, – a) olduğunu gösterin. 100. Her yönde doğrultu türevi var fakat gradiyent yok ƒsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2 2 94. Zincir Kuralını kullanmak w = ln(x + y + 2z), x = r + s, y = r – s ve z = 2rs ise, Zincir Kuralıyla wr ile ws’yi bulun. Sonra yanıtınızı başka bir yolla kontrol edin. 0u 0u i + j 0x 0y yüzeyinin üzerinde teğet düzlemin xy-düzlemine paralel olduğu noktaları bulun. fonksiyonunun orijinde her yöndeki doğrultu türevinin 1’e eşit olduğunu, ama ƒ’nin orijinde gradiyentinin bulunmadığını gösterin. 101. Orijinden geçen normal doğru xy + z = 2 yüzeyinin (1, 1, 1)’deki normalinin orijinden geçtiğini gösterin. 102. Teğet düzlem ve normal doğru a. x2 – y2 + z2 = 4 yüzeyini çizin. vektörlerinin arasındaki açının sabit olduğunu gösterin. 96. Kutupsal koordinatlar ve ikinci mertebe türevler x = r cos u ve y = r sin u kutupsal koordinatlarını tanımlamak ƒ(x, y)’yi g(r, u)’ya çevirir. (r, u) = (2, p@2) noktasında, b. Yüzeye (2, –3, 3)’te normal olan bir vektör bulun. Vektörü de çiziminize ekleyin. c. (2, –3, 3)’teki teğet düzlemin ve normalin denklemlerini bulun. 0ƒ 0 2ƒ 0ƒ 0 2ƒ = = 2 = 2 = 1 0x 0y 0x 0y ise, o noktada ∂2g@∂u2 değerini bulun. Bölüm 14 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar K›smi Türevler 1. Orijinde eyer noktalı bir fonksiyon Bölüm 14.2’deki Alıştırma 50’yi yaptıysanız, ƒsx, yd = L xy 0, x2 - y2 x2 + y2 , fonksiyonunun (aşağıdaki şekle bakın) (0, 0)’da sürekli olduğunu biliyorsunuzdur. ƒxy(0, 0) ve ƒyx(0, 0)’ı bulun. z sx, yd Z s0, 0d sx, yd = s0, 0d y x 1064 Bölüm 14: K›smi Türevler 2. Kısmi türevlerinden bir fonksiyonu bulmak Birinci mertebe kısmi türevleri ∂w@∂x = 1 + ex cos y ve ∂w@∂y = 2y – ex sin y ve (ln 2, 0) noktasındaki değeri ln 2 olan bir w = ƒ(x, y) fonksiyonu bulun. 3. Leibniz kuralının bir ispatı Leibniz kuralı, ƒ fonksiyonu [a, b] aralığında sürekliyse ve u(x) ile y(x) de x’in, değerleri [a, b]’de olan diferansiyellenebilir fonksiyonlarıysa, ysxd dy du d ƒstd dt = ƒsysxdd - ƒsusxdd . dx Lusxd dx dx olduğunu söyler. Kuralı y gsu, yd = Lu ƒstd dt, u = usxd, y = ysxd Gradiyentler ve Te¤etler 7. Konum vektörlerinin özellikleri sun. a. r = r@r olduğunu gösterin. b. (rn) = nrn–2r olduğunu gösterin. c. Gradiyenti r’ye eşit olan bir fonksiyon bulun. d. r dr = r dr olduğunu gösterin. e. Herhangi bir sabit A vektörü için, (A r) = A olduğunu gösterin. 8. Teğete ortogonal gradiyent Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y) fonksiyonunun diferansiyellenebilir bir x = g(t), y = h(t) eğrisi üzerinde, değerinin sabit bir c olduğunu; yani her t için alarak ve dg@dx’i Zincir Kuralıyla hesaplayarak ispatlayın. 4. Sınırlı ikinci-kısmi türevlerinden bir fonksiyonu bulmak r = 2x 2 + y 2 + z 2 , olmak üzere r’nin iki kere türetilebilen bir ƒ fonksiyonu için ƒxx + ƒyy + ƒzz = 0. r = xi + yj + zk ve r = Z r Z ol- ƒsgstd, hstdd = c olduğunu varsayın. Bu denklemin iki tarafının da t’ye göre türevini alarak, eğrinin üzerindeki her noktada ƒ’nin eğrinin teğet vektörüne normal olduğunu gösterin. 9. Bir yüzeye teğet eğri olduğunu varsayın. Belirli a ve b sabitleri için (0, 0, 1)’de, rstd = sln tdi + st ln tdj + t k a ƒsrd = r + b. eğrisinin xz 2 - yz + cos xy = 1 olduğunu gösterin. yüzeyine teğet olduğunu gösterin. 5. Homojen fonksiyonlar Her t, x ve y için ƒ(tx, ty) = tnƒ(x, y) ise fonksiyonu n. dereceden (n negatif olmayan bir tamsayı) homojendir. Böyle bir (yeterince türetilebilir) fonksiyon için, aşağıdakileri ispatlayın. 0ƒ 0ƒ a. x + y = nƒsx, yd 0x 0y b. x 2 a 0 2ƒ b + 2xy a 2 0 2ƒ 0 2ƒ b + y 2 a 2 b = nsn - 1dƒ. 0x0y 0y 0x 6. Kutupsal koordinatlarda yüzey r ve u kutupsal koordinatlar olmak üzere sin 6r , 6r r Z 0 1, r = 0, b. ƒrs0, 0d c. ƒusr, ud, ƒsr, ud = L r:0 z ⫽ f (r, ␪) rstd = a (0, –1, 1)’de, t3 4 - 2bi + a t - 3 bj + cos st - 2dk 4 eğrisinin x 3 + y 3 + z 3 - xyz = 0 yüzeyine teğet olduğunu gösterin. Ekstremum De¤erler 11. Bir yüzey üzerinde ekstremumlar z’nin z = x3 + y3 – 9xy + 27 yüzeyi üzerindeki olası tek maksimum ve minimumlarının (0, 0) ve (3, 3)’te olduğunu gösterin. (0,0)’da ne bir maksimum ne de bir minimum bulunduğunu gösterin. z’nin (3, 3)’te bir maksimum veya minimumu olup olmadığını belirleyin. olsun. Aşağıdakileri bulun. a. lim ƒsr, ud 10. Bir yüzeye teğet eğri r Z 0. 12. Kapalı birinci bölgede maksimum ƒ(x, y) = 6xye– (2x+3y)’nin kapalı birinci dörtte bir bölgedeki (negatif olmayan eksenleri içerir) maksimum değerini bulun. 13. Birinci sekizde-bir bölgeden kesilen minimum hacim x = 0, y = 0, z = 0 düzlemleri ve birinci sekizde-bir bölgedeki bir noktada y2 x2 z2 + 2 + 2 = 1 2 a b c elipsoidine teğet bir düzlemle sınırlı bölgenin, minimum hacmini bulun. Chapter 14 14. xy-düzleminde bir doğrudan bir parabole minimum uzaklık y = x + 1 ve u = y2 kısıtlamaları ile ƒ(x, y, u, y) = (x – u)2 + (y – y)2 fonksiyonunu minimize ederek, xy-düzleminde y = x + 1 doğrusundan y2 = x parabolüne olan minimum uzaklığı bulun. Teori ve Örnekler 15. Birinci mertebe kısmi türevlerin sınırlı olması sürekliliği gerektirir Şu teoremi ispatlayın: ƒ(x, y), xy-düzleminin açık bir R bölgesinde tanımlı ise ve ƒx ile ƒy R’de sınırlı ise ƒ(x,y) fonksiyonu R’de süreklidir (Sınırlılık varsayımı temeldir). 16. r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k’nin diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun tanım kümesi içinde düzgün bir eğri olduğunu varsayın. dƒ@dt, ƒ ve v = dr@dt arasındaki ilişkiyi tanımlayın. Eğri üzerinde, ƒ’nin eğri üzerindeki diğer değerlerine göre ekstremum değerlerinin bulunduğu iç noktalarda ƒ ile v hakkında ne söylenebilir? Yanıtınızı açıklayın. 17. Kısmi türevlerinden fonksiyonu bulmak ƒ ve g’nin, 0ƒ 0g = 0y 0x ve and 0ƒ 0g = , 0x 0y olacak şekilde, x ve y’nin fonksiyonları olduklarını ve 0ƒ = 0, 0x ƒs1, 2d = gs1, 2d = 5 ve and Additional and Advanced Exercises 1065 22. Bir sondaj kuyusu Düz bir toprak parçası üzerinde, jeologlar doğrusal bir kuyu kazmış ve 1000 ft’te bir mineral yatağına rastlamışlardır. İlk kuyunun 100 ft kuzeyinde bir kuyu daha kazmış ve bu sefer mineral yatağını 950 ft’te bulmuşlardır. İlk kuyunun 100 ft doğusunda üçüncü bir kuyuda mineral yatağı 1025 ft’te bulunmuştur. Jeologların mineral yatağının kubbe şeklinde olduğuna inanmak için nedenleri vardır ve ekonomik nedenlerden dolayı yatağın yüzeye en yakın olduğu yeri bulmak istemektedirler. Yüzeyin xy-düzlemi olduğunu varsayarak, jeologların dördüncü kuyuyu birinci kuyunun hangi tarafında kazmalarını önerirsiniz? Bir Boyutlu Is› Denklemi w(x, t), kenarları mükemmel şekilde yalıtılmış düzgün bir iletken çubukta (aşağıdaki şekle bakın) t anında x konumundaki sıcaklığı temsil ediyorsa, wxx ve wt kısmi türevleri 1 wxx = 2 wt . c şeklinde bir diferansiyel denklemi sağlar. Bu denkleme bir boyutlu ısı denklemi denir. Pozitif c2 sabitinin değeri çubuğun yapıldığı malzemeyle belirlenir. Geniş bir malzeme yelpazesi için deneysel olarak belirlenmiştir. Verilen bir uygulamada, uygun değer bir tablodan bulunur. Örneğin, kuru toprak için, c2 = 0.19 ft2@gündür. ƒs0, 0d = 4 . x⫽0 olduğunu varsayın. ƒ(x, y) ve g(x, y)’yi bulun. 18. Değişim oranının değişim oranı ƒ(x, y) iki değişkenli bir fonksiyon ise ve u = ai + bj bir birim vektörse, Duƒ(x, y) = ƒx(x, y)a + ƒy(x, y)b’nin ƒ(x, y)’nin (x, y)’de u yönündeki değişim oranı olduğunu biliyoruz. ƒ’nin (x, y)’de u yönündeki değişim oranının değişim oranı için benzer bir formül bulun. 19. Isı arayan bir parçacığın yolu Isı arayan bir parçacığın düzlemdeki herhangi bir (x, y) noktasında maksimum sıcaklık artışı yönünde ilerleme özelliği vardır. (x, y)’deki sıcaklık T(x, y) = –e–2y cos x ise, ısı arayan parçacığın (p@4, 0) noktasındaki yolu için bir y = ƒ(x) denklemi bulun. 20. Sekmeden sonra hız Bir doğru üzerinde sabit i + j – 5k hızıyla ilerleyen bir parçacık (0, 0, 30) noktasından geçmekte ve z = 2x2 + 3y2 yüzeyine çarpmaktadır. Parçacık yüzeyden, yansıma açısı geliş açısına eşit olacak şekilde sekmektedir. Hız kaybı olmadığını varsayarsak, sektikten sonra parçacığın hızı nedir? Yanıtınızı basitleştirin. 21. Bir yüzeye teğet doğrultu türevleri S, ƒ(x, y) = 10 – x2 – y2’nin grafiği olan yüzey olsun. Uzayda her (x, y, z) noktasında sıcaklığın T(x, y, z) = x2y + y2z + 4x +14y + z olduğunu varsayın. w(x, t) anında buradaki sıcaklıktır. x x Kimya ve biyokimyada, ısı denklemi difüzyon denklemi olarak bilinir. Bu bağlamda, w(x, t) sıvıyla dolu bir tüpten yayılan çözünmüş bir maddenin, örneğin tuzun, konsantrasyonunu temsil eder. w(x, t)’nin değeri bir x noktasının t anındaki konsantrasyonudur. Başka uygulamalarda, w(x, t) bir gazın uzun, ince bir borudan yayılmasını temsil eder. Elektrik mühendisliğinde, ısı denklemi, telgraf denklemleri olarak adlandırılan yxx = RCyt a. S yüzeyine (0, 0, 10) noktasında teğet, olası bütün yönlerin arasından, hangi yön (0, 0, 10)’daki sıcaklığın değişim oranını maksimum yapar? ve b. S’ye (1, 1, 8) noktasında teğet olan hangi yön sıcaklığın değişim oranını bir maksimum yapar? şeklinde ortaya çıkar. Bu denklemler, koaksiyel bir kablodaki veya kaçağın ve endüktansın ihmal edilebilir olduğu başka bir kablodaki y gerilimini ve i akımını tanımlarlar. Bu denklemlerdeki fonksiyonlar ve sabitler şöyledir: ixx = RCit 1066 Bölüm 14: K›smi Türevler y(x, t) = x noktasında t anındaki gerilim R = birim uzunluktaki direnç C = birim kablo uzunluğundaki topraklama kapasitansı 24. w = ert sin kx şeklinde olan ve w(0, t) = 0 ve w(L, t) = 0 koşullarını sağlayan bir boyutlu ısı denkleminin bütün çözümlerini bulun. t → iken, bu çözümlere ne olur? i(x, t) = x noktasında t anındaki akım 23. r bir sabit olmak üzere, w = ert sin px şeklindeki bir boyutlu ısı denkleminin bütün çözümlerini bulun. Bölüm 14 Teknoloji Uygulama Projeleri Mathematica / Maple Module Yüzeyleri Çizmek Yüzeylerin, konturların ve seviye eğrilerinin çizimlerini etkili olarak üretir Mathematica / Maple Module Kaykay’ın Arkasındaki Matematiği Araştırmak : Doğrultu Türevlerinin Analizi Bir kaykay, önce bir seviye yüzeyi üzerinde, sonra bir rampada ve son olarak bir paraboloid üzerinde tanıtılır. Doğrultu türevlerini kaykay cinsinden hesaplayın, çizin ve analiz edin. Mathematica / Maple Module Kalıp Aramak, Okunan Değerlere En Küçük Kareler Yöntemini Uygulamak Bir sayısal veri noktaları kümesine, noktalardan doğruya dik uzaklıkların kareleri toplamını minimize eden doğruyu seçerek, bir doğru uydurun. Mathematica / Maple Module Lagrange Kaykaya Gider: Ne Kadar Yükselir? Kaykay’a geri dönün ve kaykaycıların serüvenlerini, Lagrange çarpanlarını kullanarak, maksimum ve minimum yükseklikler için hem grafik ve hem de analitik yönden analiz edin. Bölüm 15 KATLI INTEGRALLER G‹R‹fi Bu bölümde, iki değişkenli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun, düzlemde bir bölge üzerindeki integralini ve üç değişkenli bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun, uzayda bir bölge üzerindeki integralini ele alıyoruz. Bu integrallere katlı integraller denir ve Bölüm 5’te tanıtılan tek değişkenli integrallerde olduğu gibi yakınsayan Riemann toplamlarının limitleri olarak tanımlanırlar. Katlı integralleri, toplam kütle veya değişen yoğunluklu bir cismin açısal momentumu ve genel eğrisel sınırlı bir cismin hacmi gibi iki veya üç boyutta değişen nicelikleri hesaplamakta kullanabiliriz. 15.1 Katl› ‹ntegraller Bölüm 5’te, sürekli bir ƒ(x) fonksiyonunun bir [a, b] aralığındaki belirli integralini Riemann toplamlarının bir limiti olarak tanımladık. Bu bölümde, bu fikri, iki değişkenli sürekli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun, düzlemde sınırlı bir R bölgesi üzerindeki integralini tanımlamak için genişletiyoruz. Her iki durumda da integraller, yakınsayan Riemann toplamlarının limitleridir. Tek değişkenli bir ƒ(x) fonksiyonunun integrali için Riemann toplamları, sonlu bir aralığı kısa alt aralıklara bölmek, her alt aralığın uzunluğunu, alt aralıktaki bir ck noktasında ƒ’nin değeri ile çarpmak ve bütün çarpımları toplamakla elde edilir. İki katlı integralleri kurmak için benzer bir bölme, çarpma ve toplama yöntemi kullanılır. Ancak, bu defa kısa alt aralıklar yerine, düzlemsel bir R bölgesini küçük dikdörtgenlere böleriz. Sonra, her dikdörtgenin alanını, dikdörtgen içindeki bir noktada ƒ’nin değeri ile çarpar ve sonunda bütün bu çarpımları toplarız. ƒ sürekli olduğunda, her küçük dikdörtgen hem boydan hem enden küçülürken, bu toplamlar bir tek sayıya yakınsar. Limit, ƒ’nin R üzerindeki iki katlı integralidir. Tek katlı integrallerde olduğu gibi, katlı integralleri ters türevler yardımıyla hesaplayabiliriz. Bu bizi, iki katlı bir integrali, Riemann toplamlarının bir limiti olarak, doğrudan tanımından hesaplama güçlüğünden kurtarır. Katlı integrallerin hesaplanmasında ortaya çıkan asıl problem, integrasyon sınırlarının belirlenmesinde yatar. Bölüm 5’teki integraller, iki uç noktası ile belirlenen bir aralık üzerinde hesaplanırken, katlı integraller düzlemde veya uzayda bir bölgede hesaplanırlar. Bu, sadece sabitler değil, değişkenler içeren integrasyon sınırlarına neden olur. İntegrasyon bölgelerini tanımlamak, katlı integrallerin hesaplanmasında ortaya çıkan yeni temel meseledir. Dikdörtgenler Üzerinde ‹ki Katl› ‹ntegraller İki katlı integraleri araştırmamıza, en basit düzlemsel bölge tipini, bir dikdörtgeni, ele alarak başlıyoruz. Dikdörtgensel bir R R: a x b, c y d bölgesi üzerinde tanımlı bir ƒ(x, y) fonksiyonu düşünelim. 1067 1068 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller y d R Ak yk (xk, yk) xk c 0 a b fiEK‹L 15.1 R bölgesini Ak = xk yk alanlı küçük dikdörtgenlere ayıran dikdörtgensel şebeke. x R’yi, x- ve y-eksenlerine paralel doğrulardan oluşan bir doğrular ağı ile küçük dikdörtgenlere böleriz (Şekil 15.1). Doğrular, R’yi dikdörtgensel n parçaya böler ve her parçanın boyu ve eni küçüldükçe böyle parçaların sayısı n giderek artar. Bu dikdörtgenler R’nin bir bölünüşünü oluştururlar. Genişliği x ve yüksekliği y olan küçük bir dikdörtgensel parçanın alanı A = xy dir. R’nin bölünüşünü oluşturan küçük parçaları belli bir sırada numaralandırırsak, k. küçük dikdörtgenin alanı Ak olmak üzere, alanları A1, A2 ,..., An ile verilir. R üzerinde bir Riemann toplamı oluşturmak için k. küçük dikdörtgenin içinde bir (xk, yk) noktası seçer, fonksiyonun bu noktadaki değeri ile Ak alanını çarpar ve bütün bu çarpımları toplarız: n Sn = a ƒsxk , yk d ¢Ak . k=1 k. küçük dikdörtgenin içinden (xk, yk) noktasını nasıl seçtiğimize bağlı olarak, Sn için farklı değerler elde edebiliriz. R’nin bölünüşündeki bütün küçük dikdörtgenlerin genişlikleri ve yükseklikleri sıfıra yaklaşırken bu Riemann toplamlarına ne olduğu ile ilgileniyoruz. P bölünüşünün, iPi ile gösterilen norm’u, bölünüşteki dikdörtgenlerin genişliklerinin veya yüksekliklerinin en büyüğüdür. iPi = 0.1 ise R’nin bölünüşündeki bütün dikdörtgenlerin genişlikleri en çok ve yükseklikleri en çok 0.1 dir. Bazen P’nin normu sıfıra yaklaşırken, (iPi → 0 ile gösterilir) Riemann toplamları yakınsar. Bu durumda limit n lim a ƒsxk , yk d ¢Ak . ƒ ƒ P ƒ ƒ :0 k=1 olarak yazılır. iPi → 0 iken, dikdörtgenler daralırlar, kısalırlar ve sayıları, n, giderek artar. Dolayısıyla bu limiti, n → ve iPi → 0 iken Ak → 0 olduğunu göz önünde bulundurarak, n lim a ƒsxk , yk d ¢Ak . n: q k = 1 şeklinde de yazabiliriz. Bu çeşit bir limitin içerdiği bir çok seçenek vardır. Küçük dikdörtgenler topluluğu, R’nin dikdörtgensel bir bölünüşünü tanımlayan yatay ve dikey doğrular şebekesiyle belirlenir. Bu şekilde belirlenen her küçük dikdörtgen içinde, ƒ’nin hesaplandığı, keyfi bir (xk, yk) noktasının seçimi vardır. Bu seçimler birlikte, tek bir Riemann toplamı tanımlarlar. Bir limit oluşturmak için, dikdörtgenlerinin hem genişlikleri ve hem de yükseklikleri sıfıra giden ve dikdörtgenlerinin sayısı sonsuza giden bölünüşler seçerek, bütün süreci tekrar tekrar yineleriz. Hangi seçimler yapılırsa yapılsın, Sn toplamlarının, aynı limit değerine eşit olan birer limiti varsa ƒ’ye integrallenebilir bir fonksiyon ve 6 ƒsx, yd dA R veya or 6 ƒsx, yd dx dy. R ile gösterilen limit değerine de ƒ’nin R üzerindeki iki katlı integrali denir. Bölüm 5’te incelenen tek değişken durumundaki gibi, R üzerinde sürekli olan bir ƒ(x, y) fonksiyonunun integrallenebilir olduğu gösterilebilir. Sadece sonlu sayıda noktada veya düzgün eğri üzerinde süreksiz olanlar gibi bir çok süreksiz fonksiyon da integrallenebilir. Bunların ispatını daha ileri seviyedeki derslere bırakıyoruz. Hacim Olarak ‹ki Katl› ‹ntegraller ƒ(x, y), xy–düzleminde dikdörtgensel bir R bölgesi üzerinde pozitif bir fonksiyon iken, ƒ’nin R bölgesi üzerindeki iki katlı integralini, xy–düzleminin üst tarafından alttan R ve 15.1 z f(xk, yk) a Hacim = lim Sn = Volume d n: q y R x 1069 üstten z = ƒ(x, y) yüzeyi ile sınırlı, 3-boyutlu bir katı bölgenin hacmi olarak yorumlayabiliriz (Şekil 15.2). Sn = g ƒsxk , yk d¢Ak toplamındaki her ƒ(xk, yk) Ak terimi, katı cismin Ak tabanı üstünde bulunan kısmının hacmine yaklaşımda bulunan dikey bir dikdörtgensel kutunun hacmidir. Böylece Sn toplamı, prizmanın toplam hacmi demek istediğimiz şeye yaklaşımda bulunur. Bu hacmi, n → için Ak → 0 olmak üzere z f(x, y) b Katl› ‹ntegraller ΔAk (xk, yk) fiEK‹L 15.2 Katı cisimlere dikdörtgensel kutularla yaklaşımda bulunmak, daha genel katı cisimlerin hacimlerini iki katlı integraller olarak tanımlamamızı sağlar. Burada gösterilen katı cismin hacmi ƒ(x, y)’nin R bölgesi üzerinde iki katlı integralidir. 6 ƒsx, yd dA, R olarak tanımlarız. Bekleyebileceğiniz gibi, bu daha genel hacim hesaplama yöntemi Bölüm 6’daki yöntemlerle uyuşur, ama bunu burada ispatlamayacağız. Şekil 15.3 hacime, kutuların sayısı n’nin artmasıyla giderek daha doğru hale gelen, Riemann toplamı yaklaşımlarını göstermektedir. (a) n 16 (b) n 64 (c) n 256 fiEK‹L 15.3 n artarken Riemann toplamı yaklaşımları, Şekil 15.2’de gösterilen katı cismin toplam hacmine yaklaşır. ‹ki Katl› ‹ntegralleri Hesaplamada Fubini Teoremi xy-düzleminde R: 0 x 2, 0 y 1 dikdörtgensel bölgesinin üzerinde, z = 4 – x – y düzleminin altında kalan hacmi hesaplamak istediğimizi varsayın. x-eksenine dik dilimlerle, Bölüm 6.1’deki dilimleme yöntemini kullanırsak (Şekil 15.4), hacim, A(x) değeri x’teki kesit alanı olmak üzere, z x=2 4 (1) Asxd dx, Lx = 0 olur. Her x değerinde, A(x) değerini, x’teki kesit düzleminde z = 4 – x – y eğrisinin altında kalan alan olan z4xy y=1 Asxd = s4 - x - yd dy, Ly = 0 (2) integrali olarak hesaplayabiliriz. A(x)’i hesaplarken, x sabit tutulur ve integrasyon y’ye göre yapılır. (1) ve (2) denklemlerini birleştirirsek, tüm cismin hacminin x=2 1 x Volume Hacim = y Lx = 0 x=2 Asxd dx = Lx = 0 2 x A(x) x=2 y1 兰y 0 (4 x y) dy fiEK‹L15.4 A(x) kesit alanını elde etmek için, x’i sabit tutar ve y’ye göre integral alırız. = c4y - xy - Lx = 0 2 7 x2 = c x d = 5. 2 2 0 olduğunu görürüz. a y=1 Ly = 0 s4 - x - yddyb dx x=2 y 2 y=1 7 d dx = a - xb dx 2 y=0 2 Lx = 0 (3) 1070 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller z İntegralleri hesaplamadan, sadece hacim için bir formül yazmak isteseydik, 2 Hacim = Volume 4 z4xy y 1 x=2 y As yd = A(y) s4 - x - yd dy dx. L0 L0 yazabilirdik. Tekrarlı integral olarak tanımlanan sağ taraftaki ifade hacmin, x’i sabit tutarak 4 – x – y’yi y = 0’dan y = 1’e kadar y’ye göre integre edip, sonra da ortaya çıkan ifadeyi x = 0’dan x = 2’ye kadar, x’e göre integre ederek bulunduğunu söyler. 0 ve 1 integrasyon sınırları y ile ilgilidir. Dolayısıyla bunlar dy’ye daha yakın olan integral üzerine yerleştirilmiştir. İntegrasyonun diğer sınırları, 0 ve 2, x değişkeni ile ilgilidir, dolayısıyla dx ile eşlenen dıştaki integral işareti üzerine yerleştirilmişlerdir. Hacmi y-eksenine dik düzlemlerle dilimleyerek hesaplasaydık ne olurdu (Şekil 15.5)? y’nin bir fonksiyonu olarak, tipik kesit alanı 2 x 1 x2 兰x 0 (4 x y) dx s4 - x - yd dx = c4x - (4) Lx = 0 olarak bulunur. Dolayısıyla bütün cismin hacmi, daha önceki hesabımızla uyumlu olarak y=1 fiEK‹L 15.5 A(y) kesit alanını elde etmek için, y’yi sabit tutar ve x’e göre integral alırız. x=2 x2 = 6 - 2y. - xy d 2 x=0 Hacim = Volume Ly = 0 y=1 As yd dy = Ly = 0 s6 - 2yd dy = C 6y - y 2 D 0 = 5, 1 bulunur. Yine, 1 2 s4 - x - yd dx dy. L0 L0 yazarak, hacim için bir tekrarlı integral formülü verebiliriz. Sağ taraftaki ifade, hacmi, (4) denklemindeki gibi 4 – x – y’yi x = 0’dan x = 2’ye kadar x’e göre integre edip sonra da sonucu y = 0’dan y = 1’e kadar y’ye göre integre ederek bulabileceğimizi söyler. Bu tekrarlı integralde, integrasyon sırası (3) denkleminin tersine önce x’e göre sonra y’ye göredir. Tekrarlı integrallerle yapılan bu iki hacim hesaplamasının, R: 0 x 2, 0 y 1 bölgesi üzerindeki Hacim = Volume s4 - x - yd dA 6 R TARİHSEL BİYOGRAFİ Guido Fubini (1879–1943) iki katlı integrali ile ilişkisi nedir? Yanıt, tekrarlı integrallerin ikisinin de iki katlı integralin değerini vermesidir. Bu, iki katlı integral, aynı bölgenin hacmini iki tekrarlı integral olarak ölçtüğünden, doğal olarak bekleyebileceğimiz şeydir. 1907’de Guido Fubini tarafından yayınlanan bir teorem, herhangi bir sürekli fonksiyonun bir dikdörtgen üzerindeki iki katlı integralinin, tekrarlı bir integral olarak herhangi bir sırada hesaplanabileceğini söyler (Fubini, teoremini daha genel olarak ispatlamıştır, ama bizim yaptıklarımıza indirgenmesi böyledir). TEOREM 1 Fubini Teoremi (Birinci fiekli) ƒ(x, y), R: a x b, c y d dikdörtgen bölgesinde sürekliyse, d 6 R olur. ƒsx, yd dA = Lc La b b ƒsx, yd dx dy = La Lc d ƒsx, yd dy dx. 15.1 Katl› ‹ntegraller 1071 Fubini teoremi dikdörtgenler üzerindeki iki katlı integrallerin tekrarlı integraller olarak hesaplanabileceğini söyler. Böylece iki katlı bir integrali, her defasında bir değişkene göre integre ederek hesaplayabiliriz. Fubini teoremi ayrıca, iki katlı integrali herhangi bir sırada hesaplayabileceğimizi de söyler, bu Örnek 3’te göreceğimiz gibi, gerçek bir kolaylıktır. Dilimlemeyle bir hacmi hesaplarken, hem x-eksenine dik düzlemler hem de y-eksenine dik düzlemler kullanabiliriz. ÖRNEK 1 ‹ki Katl› Bir ‹ntegral Hesaplamak ƒ(x, y) = 1 – 6x2y ve R: 0 x 2, –1 y 1 için 4R ƒsx, yd dA’yı hesaplayın. Çözüm Fubini teoremiyle, 1 6 ƒsx, yd dA = R L-1L0 2 1 s1 - 6x 2yd dx dy = L-1 s2 - 16yd dy = C 2y - 8y 2 D -1 = 4. 1 = L-1 C x - 2x 3y D xx == 20 dy 1 bulunur. İntegrasyon sırasını değiştirmek de aynı sonucu verir: 2 1 L0 L-1 C y - 3x 2y 2 D y = -1 dx 2 s1 - 6x 2yd dy dx = y=1 L0 2 = [s1 - 3x 2 d - s -1 - 3x 2 d] dx L0 2 = TEKNOLOJ‹ KULLANMAK L0 2 dx = 4. Çok Katl› ‹ntegrasyon Çoğu Bilgisayarlı Cebir Sistemi hem çok katlı hem de tekrarlı integralleri hesaplayabilir. Tipik prosedür belirlediğiniz integrasyon sırasına göre iç içe geçmiş iterasyonlarda BCS integre et komutunu uygulamaktır: İntegral Tipik BCS Formülasyonu x 2y dx dy 6 p>4 L-p>3L0 int sint sx ¿ 2 * y, xd, yd ; 1 x cos y dx dy int sint sx * cos s yd, x = 0 . . 1d, y = -Pi>3 . . Pi>4d; Bir BCS, bir belirli integral için kesin bir değer üretemezse, genellikle sayısal olarak yaklaşık bir değer bulabilir. Çok katlı bir integrali, bir BCS sistemi ile hesaplamak için ayarlamak hayli zor bir iş olabilir ve bölgenin sınırlarının nasıl tanımlanacağının bilinmesini gerektirebilir. 1072 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Dikdörtgensel Olmayan S›n›rl› Bölgelerde ‹ki Katl› ‹ntegraller Bir ƒ(x, y) fonksiyonunun, Şekil 15.6’da görülene benzer, dikdörtgensel olmayan sınırlı bir bölge üzerindeki iki katlı integralini tanımlamak için, yine R’yi, küçük dikdörtgensel hücrelerden oluşan ve bileşimleri R’nin bütün noktalarını içeren, bir şebeke ile kaplamakla başlarız. Fakat bu defa, sınırı eğrisel olduğundan ve şebekedeki bazı küçük dikdörtgenler kısmen R’nin dışında kaldığından, R’nin içinde kalan sonlu sayıda dikdörtgenle R’yi tamamen dolduramayız. R’nin bir bölünüşü, kısmen ya da tamamen dışarıda kalanların hiçbirini kullanmadan, tamamen R’nin içinde kalan dikdörtgenler alınarak oluşturulur. Sıkça karşılaştığımız bölgeler için, bölünüşün normu (kullanılan dikdörtgenlerin genişliklerinin veya yüksekliklerinin en büyüğü) sıfıra yaklaşırken, R’nin içerdiği dikdörtgenlerin sayısı giderek artar. R’nin bir bölünüşü verildiğinde, dikdörtgenleri herhangi bir sırada 1’den n’ye numaralar ve k. dikdörtgenin alanını Ak ile gösteririz. Sonra, k. dikdörtgende bir (xk, yk) noktası seçer ve Ak R yk (xk, yk) xk fiEK‹L 15.6 Dikdörtgensel olmayan bir sınırlı bölgeyi hücrelerle bölen dikdörtgensel bir şebeke. n Sn = a ƒsxk , yk d ¢Ak . k=1 Riemann toplamını oluştururuz. Sn’yi oluşturan bölünüşün normu sıfıra giderken, iPi → 0, içerilen bütün dikdörtgenlerin genişlikleri ve yükseklikleri sıfıra gider. Dolayısıyla, dikdörtgenlerin sayısı sonsuza gider. ƒ(x, y) sürekli bir fonksiyon ise bu Riemann toplamları, yaptığımız her seçimden bağımsız olarak, bir limit değere yakınsar. Bu limite, ƒ(x, y)’nin R üzerindeki iki katlı integrali denir: n lim a ƒsxk , yk d ¢Ak = ƒ ƒ P ƒ ƒ :0 k=1 ƒsx, yd dA. R R’nin sınırının şekli, bir aralık üzerindeki integrallerde bulunmayan sorunlar çıkarır. R’nin sınırı eğrisel olduğunda, bölünüşün n dikdörtgeni R’nin içinde bulunur fakat R’nin tamamını kaplamaz. Bir bölünüşün R’ye yakınsaması için, kısmen R’nin dışında kalan küçük dikdörtgenlerle örtülen kısımlar, bölünüşün normu sıfıra giderken ihmal edilebilir olmalıdır. Bu, küçük normlu bir bölünüşle neredeyse doldurulmuş olma özelliği, ele alacağımız bütün bölgeler için sağlanmaktadır. Uç uca eklenmiş çokgenlerden, çemberlerden, elipslerden ve bir aralık üzerinde sürekli grafiklerden oluşan sınırlar problem teşkil etmezler. Şekil olarak ‘‘fraktal’’ bir eğri problemli olabilir. Fakat çoğu uygulamalar için böyle eğriler söz konusu değildir. İki katlı integrallerin hesaplanması için hangi tip R bölgelerinin kullanılabileceğine dair dikkatli bir araştırmayı daha ileri seviye derslere bırakıyoruz. Sürekli fonksiyonların dikdörtgensel olmayan bölgelerdeki iki katlı integrallerinin cebirsel özellikleri, (ileride özetlenmiştir) dikdörtgensel bölgelerdeki integrallerinkilerle aynıdır. Tanım kümesi Toplanabilirlik Özelliğine göre, R yine sonlu sayıda doğru parçası veya düzgün eğriyle sınırlı, üst üste binmeyen R1 ve R2 bölgelerine ayrılmışsa (örnek olarak Şekil 15.7’ye bakın), y R1 R2 R R1 ∪ R2 6 R x 0 兰兰 f(x, y) dA 兰兰 f(x, y) dA 兰兰 f(x, y) dA R 6 R1 R2 fiEK‹L 15.7 Dikdörtgensel bölgelerin toplanabilirlik özelliği sürekli eğrilerle sınırlanan bölgeler için de geçerlidir. ƒsx, yd dA = 6 ƒsx, yd dA + R 6 R ƒsx, yd dA. 1 2 yazılabilir. ƒ(x, y) pozitifse ve R üzerinde sürekliyse R ile z = ƒ(x, y) yüzeyi arasındaki katı bölgenin hacmini (Şekil 15.8), daha önceki gibi 4R ƒsx, yd dA, olarak tanımlarız. R, xy-düzleminde “üstten” ve “alttan” y = g2(x) ve y = g1(x) eğrileri ve yanlardan x = a, x = b doğrularıyla sınırlı, Şekil 15.9’da görülen bölge gibi bir bölgeyse, hacmi yine dilimleme yöntemi ile bulabiliriz. Önce y = g2sxd Asxd = Ly = g1sxd ƒsx, yd dy 15.1 z z f(x, y) z 1073 Katl› ‹ntegraller z z f(x, y) Yükseklik f(xk, yk) 0 x 0 a b x A(y) z f(x, y) c y d y y g1(x) y y x A(x) x h1(y) R x h2(y) y g2(x) R Ak (xk, yk) Hacim lim f(xk, yk) Ak 冮冮 fiEK‹L 15.9 alanı fiEK‹L 15.10 hacmi Burada gösterilen dikey dilimin f(x, y) dA g2sxd R Asxd = fiEK‹L 15.8 Eğri tabanlı cisimlerin hacimlerini de dikdörtgen tabanlı cisimlerin hacimlerini tanımladığımız gibi tanımlarız. d ƒsx, yd dy. Lg1sxd Burada gösterilen cismin Lc d As yd dy = h2syd Lc Lh1syd ƒsx, yd dx dy. dir. ile verilir. Cismin hacmini hesaplamak için bu alanı x = a’dan x = b’ye kadar integre ederiz. kesit alanını hesaplar ve A(x)’i x = a’dan x = b’ye kadar integre ederek hacmi tekrarlı bir integral olarak buluruz: b V = g2sxd b Asxd dx = (5) ƒsx, yd dy dx. La La Lg1sxd Aynı şekilde, R, x = h2(y) ve x = h1(y) eğrileri ve y = c ve y = d doğrularıyla sınırlı Şekil 15.10’da gösterilen bölge gibi bir bölgeyse, dilimleme ile hesaplanan hacim d Hacim = Volume h2s yd Lc Lh1s yd ƒsx, yd dx dy. (6) tekrarlı integraliyle hesaplanır. (5) ve (6) denklemlerindeki tekrarlı integrallerin ikisinin de, ƒ’nin R üzerindeki iki katlı integrali olarak tanımladığımız, hacmi vermeleri aşağıda verilen Fubini teoreminin daha güçlü şeklinin bir sonucudur. TEOREM 2 Fubini Teoremi (Daha Kuvvetli fiekil) ƒ(x, y) bir R bölgesi üzerinde sürekli olsun. 1. R, g1 ve g2 [a, b]’de sürekli olmak üzere, a x b, g1(x) y g2(x) ile tanımlanıyorsa, b 6 ƒsx, yd dA = R 2. g2sxd La Lg1sxd ƒsx, yd dy dx. olur. R, h1 ve h2 [c, d]’de sürekli olmak üzere, c y d, h1(y) x h2(y) ile tanımlanıyorsa, d 6 R olur. ƒsx, yd dA = h2s yd Lc Lh1s yd ƒsx, yd dx dy. 1074 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ÖRNEK 2 Hacim Bulmak Tabanı, xy-düzleminde x-ekseni, y = x ve x = 1 doğruları tarafından sınırlı üçgen olan ve tepesi z = ƒ(x, y) = 3 – x – y düzleminde bulunan prizmanın hacmini bulun. Çözüm Sayfa 1075’teki Şekil 15.11’e bakın. 0 ile 1 arasındaki herhangi bir x için, y, y = 0’dan y = x’e değişebilir (Şekil 15.11b). Dolayısıyla 1 V = L0 1 s3 - x - yd dy dx = L0 L0 1 = x a3x - L0 c3y - xy - y 2 y=x d dx 2 y=0 x=1 3x 2 3x 2 x3 b dx = c d = 1. 2 2 2 x=0 olur. İntegrasyon sırası değiştirildiğinde (Şekil 15.11c), hacim integrali 1 V = = = 1 L0 Ly 1 s3 - x - yd dx dy = 1 a3 - 1 a L0 L0 L0 c3x - x=1 x2 - xy d dy 2 x=y 2 y 1 - y - 3y + + y 2 b dy 2 2 y3 y=1 5 3 5 - 4y + y 2 b dy = c y - 2y 2 + d = 1. 2 2 2 2 y=0 olur. İki integral de, olmaları gerektiği gibi, eşittir. Fubini teoremi iki katlı bir integralin herhangi bir integrasyon sırasıyla tekrarlanan bir integral olarak hesaplanabileceğini garantilerken, bir integralin değerini bulmak diğerinin değerini bulmaktan daha kolay olabilir. Aşağıdaki örnek bunun nasıl olduğunun bir örneğidir. ÖRNEK 3 ‹ki Katl› Bir ‹ntegral Hesaplamak R, xy-düzleminde x-ekseni, y = x doğrusu ve x = 1 doğrusuyla sınırlanan üçgen olmak üzere sin x x dA, 6 R integralini hesaplayın. Çözüm İntegrasyon bölgesi Şekil 15.12’de gösterilmektedir. Önce y’ye, sonra da x’e göre integre edersek, 1 L0 a x L0 sin x x dyb dx = 1 L0 sin x ay x d y=x y=0 b dx = = -cos s1d + 1 L 0.46. buluruz. İntegrasyon sırasını değiştirir ve 1 L0 Ly 1 sin x x dx dy, 1 L0 sin x dx 15.1 1075 Katl› ‹ntegraller z y x1 (0, 0, 3) yx yx z f(x, y) 3xy R x y0 1 0 (1, 0, 2) (b) y x1 yx (1, 1, 1) y xy x1 (1, 1, 0) (1, 0, 0) R x1 R x 0 yx (a) 1 x (c) fiEK‹L 15.11 (a) Üçgen tabanı xy-düzleminde olan prizma. Bu prizmanın hacmi R üzerinde iki katlı bir integral olarak tanımlanmıştır. Bunu tekrarlı bir integral olarak hesaplamak için, önce y’ye, sonra x’e göre veya ters sırada integre edebiliriz (Örnek 2). (b) x=1 y=x Lx = 0 Ly = 0 ƒsx, yd dy dx. integralinin integrasyon sınırları. Önce y’ye göre integre edersek, R’den geçen dikey bir doğru boyunca integre eder ve sonra soldan sağa doğru R’deki bütün dikey doğruları içerecek şekilde integre ederiz. (c) y=1 y Ly = 0 Lx = y x⫽1 R 0 1 ƒsx, yd dx dy. integralinin integrasyon sınırları. Önce x’e göre integre edersek, R’de geçen yatay bir doğru boyunca integre eder ve alttan üste doğru R’deki bütün yatay doğruları içerecek şekilde integre ederiz. y⫽x 1 x=1 x fiEK‹L 15.12 Örnek 3’teki integrasyon bölgesi. integralini almaya kalkarsak, 1 sssin xd>xd dx’in elemanter fonksiyonlar cinsinden ifade edilememesi yüzünden durmak zorunda kalırız. Bunun gibi durumlarda, hangi integrasyon sırasının iyi olduğunu tahmin etmek için genel bir kural yoktur. Seçtiğiniz ilk sıra işe yaramazsa, diğerini deneyin. Bazı hallerde her iki sıra da işe yaramayabilir. Bu gibi durumlarda sayısal yaklaşımları kullanmak zorunda kalırız. 1076 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ‹ntegrasyon S›n›rlar›n› Bulmak Şimdi, integrasyon sınırlarını bulmak için, düzlemde bir çok bölgeye uygulanabilen bir prosedür veriyoruz. Bu prosedürün işe yaramadığı daha karmaşık bölgeler, çoğunlukla bu prosedür uygulanabilecek şekilde parçalara ayrılır. 4R ƒsx, yddA, integralini, önce y’ye sonra da x’e göre integre ederek hesaplamak için, aşağıdaki adımları izleyin. 1. Çizim. İntegrasyon bölgesini çizin ve sınırlayıcı eğrileri belirtin. y x2 y2 1 1 R xy1 0 2. 1 x İntegrasyonun y sınırlarını bulun Artan y yönünde R’den geçen dikey bir L doğrusu hayal edin. L’nin girdiği ve çıktığı y değerlerini işaretleyin. Bunlar integrasyonun y sınırlarıdır ve genellikle x’in fonksiyonlarıdırlar (sabit yerine ). y y 兹1 x2 ’de çıkar 1 R y 1 x’te girer L 0 3. x 1 x İntegrasyonun x-sınırlarını bulun R’den geçen bütün dikey doğruları kapsayan xsınırlarını seçin. İntegral 6 ƒsx, yd dA = R y = 21 - x2 x=1 Lx = 0 Ly = 1 - x ƒsx, yd dy dx. olur. y y 兹1 x2 ’de çıkar 1 R y 1 x’te girer L 0 En küçük x x 0’dır x 1 En büyük x x 1’dir. x 15.1 Katl› ‹ntegraller 1077 Aynı iki katlı integrali, integrasyon sırası değişmiş tekrarlı integral olarak hesaplamak için, 2. ve 3. adımlarda dikey doğrular yerine yatay doğrular kullanın. İntegral 21 - y 2 1 6 ƒsx, yd dA = R ƒsx, yd dx dy. L0 L1 - y olur. En büyük y y 1’dir. 1 x 1 y’de girer. R y En küçük y y 0’dır. 0 ÖRNEK 4 1 x 兹1 y2’de çıkar. x ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek 2 2x L0 Lx2 s4x + 2d dy dx integralinin integrasyon bölgesini çizin ve integrasyon sırası değiştirilmiş eşdeğer bir integral yazın. İntegrasyon bölgesi, x2 y 2x ve 0 x 2 eşitsizlikleriyle verilmektedir. Dolayısıyla, x = 0 ve x = 2 doğruları arasında y = x2 ile y = 2x eğrilerinin sınırladığı bölgedir (Şekil 15.13a). Çözüm y y 4 4 (2, 4) (2, 4) y 2x y x2 0 x x 2 y 2 0 (a) fiEK‹L 15.13 x 兹y 2 (b) x Örnek 4’ün integrasyon bölgesi Değiştirilmiş sırada integrasyonun sınırlarını bulmak için, bölge boyunca soldan sağa giden bir yatay doğru hayal ederiz. x = y@2’de girer ve x = √ y’de çıkar. Böyle bütün doğruları kapsamak üzere, y’yi y = 0’dan y = 4’e götürürüz (Şekil 15.13b). İntegral 4 2y L0 Ly>2 olur. Bu integrallerin ortak değeri 8’dir. s4x + 2d dx dy. 1078 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ‹ki Katl› ‹ntegrallerin Özellikleri Tek katlı integraller gibi, sürekli fonksiyonların iki katlı integrallerinin hesaplamalarda ve uygulamalarda yararlı özellikleri vardır. İki Katlı İntegrallerin Özellikleri ƒ(x, y) ve g(x, y) fonksiyonları sürekli ise 1. Sabitle Çarpım: 6 R 2. cƒsx, yd dA = c f (x, yd dA 6 (herhangi sany numberbir cd c sayısı) R Toplam ve Fark: sƒsx, yd ; gsx, ydd dA = ƒsx, yd dA ; gsx, yd dA 6 6 6 R 3. R R Baskınlık: (a) R üzerinde ƒ(x, y) 0 ise 6 ƒsx, yd dA Ú 0 if ƒsx, yd Ú 0 on R R (b) R üzerinde ƒ(x, y) g(x, y) ise 6 ƒsx, yd dA Ú R 4. 6 gsx, yd dA if ƒsx, yd Ú gsx, yd on R R R, üst üste binmeyen R1 ve R2 gibi iki bölgenin bileşimi ise (Şekil 15.7): 6 ƒsx, yd dA = R 6 ƒsx, yd dA + R1 6 ƒsx, yd dA R2 Bu özelliklerin arkasındaki fikir, integrallerin toplamlar gibi davranmalarıdır. Bir ƒ(x, y) fonksiyonu sabit katı olan cƒ(x, y) ile değiştirilirse, ƒ için bir n Sn = a ƒsxk , yk d ¢Ak k=1 Riemann toplamı, cƒ için olan n n a cƒsxk , yk d ¢Ak = c a ƒsxk , yk d ¢Ak = cSn . k=1 k=1 Riemann toplamı ile değiştirilmiş olur. n : q için limit almak, c limn: q Sn = c 4R f dA ve limn: q cSn = 4R cf dA integrallerinin eşit olduklarını gösterir. Sonuç olarak, sabitle çarpım kuralı toplamlar üzerinden iki katlı integrallere taşınır. Diğer özellikleri de Riemann toplamları için gerçeklemek ve aynı nedenle iki katlı integrallere taşımak kolaydır. Bu tartışma fikri vermesine rağmen, bu özelliklerin sağlandığına dair gerçek bir ispat, Riemann toplamlarının nasıl yakınsadığı hakkında dikkatli bir analiz gerektirir. 15.1 Katl› ‹ntegraller 1079 ALIfiTIRMALAR 15.1 1 ‹ntegrasyon Bölgelerini ve ‹ki Katl› ‹ntegralleri Bulmak 21. 3 1. 2 s4 - y d dy dx L0 L0 0 3. sx + y + 1d dx dy L-1 L-1 9. 4. x sin y dy dx 6. sx y - 2xyd dy dx Lp L0 2 e dx dy 3 xy 3y e dx dy 8. 10. y dy dx y2 dx dy L1 L0 3 y>2x e dy dx 2 11–16 alıştırmalarında, ƒ’yi verilen bölgede integre edin. 11. Dörtgen Birinci dörtte bir bölgede y = x, y = 2x, x = 1, x = 2 doğrularıyla sınırlı bölgede ƒ(x, y) = x@y 1 x 2, 1 y 2 karesinde ƒ(x, y) = 1@(xy) 12. Kare 13. Üçgen Köşeleri (0, 0), (1, 0) ve (0, 1)’de olan üçgen bölgede ƒ(x, y) = x2 + y2 14. Dikdörtgen 0 x p, 0 y 1 dikdörtgeninde ƒ(x, y) = y cos xy 15. Üçgen uy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinden u + y = 1 doğrusuyla kesilen üçgen bölgede ƒsu, yd = y - 2u 16. Eğrisel bölge st-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinde t = 1’den t = 2’ye kadar s = ln t eğrisinin üst tarafında kalan bölgede ƒ(s, t) = es ln t 17–20 alıştırmalarından her biri, bir Kartezyen koordinat düzleminin bir bölgesinde bir integral vermektedir. Bölgeyi çizin ve integrali hesaplayın. 0 17. 1 18. -y 2 dp dy L-2 Ly 21 - s L0 L0 p>3 19. L0 L1 (st-düzlemi) sthe st-planed sec t L-p>3L0 3 20. (py-düzlemi) sthe py-planed 2 8t dt ds 4 - 2u 27. 3 cos t du dt (tu-düzlemi) sthe tu-planed 4 - 2u dy du (uy-düzlemi) sthe uy-planed y2 ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek 21–30 alıştırmalarında integrasyon bölgesini çizin ve integrasyon sırası değiştirilmiş eşdeğer bir iki katlı integral yazın. 29. L0 Ly - 2 24. dy dx 26. 1 - x2 ln 2 9 - 4x 2 L0 L0 21 - y 28. 2 L0 L-21 - y 2 L0 30. 2 Le dx dy 4 - y2 y dx dy L0 L0 2 3y dx dy dy dx x 2 16x dy dx dx dy L0 L1 - x x L0 L1 1 sin x L1 Ly 4 2x e 0 1 dx dy L0 Ly 1 25. 22. 2y 3>2 ssin x + cos yd dx dy L0 L0 ln y x+y 2 p p L0 1 y2 L0 L0 L0 L-2 x L0 L0 L1 0 2p ln 8 7. 2. 1 p 5. 3 2 23. 2 dy dx L0 L2 1 1–10 alıştırmalarında, integrasyon bölgesini çizin ve integrali hesaplayın. 4 - 2x 24 - x 2 L0 L-24 - x 2 6x dy dx ‹ki Katl› ‹ntegralleri Hesaplamak 31–40 alıştırmalarında, integrasyon bölgesini çizin, integrasyon sınırlarını belirleyin ve integrali hesaplayın. p p sin y 2 2 2y 2 sin xy dy dx 31. 32. y dy dx L0 Lx L0 Lx 1 1 2 4 - x2 xe 2y x 2e xy dx dy dy dx 33. 34. 4 - y L0 L0 L0 Ly 2ln 3 22ln 3 35. L0 Ly>2 1>16 37. 8 38. 36. 1 L0 L2x>3 3 e y dy dx 1>2 Ly1>4 L0 3 2 e x dx dy 2 5 cos s16px d dx dy dy dx 4 L0 L2 x y + 1 3 39. Kare bölge R, ƒ x ƒ + ƒ y ƒ = 1 karesinin içindeki bölge olmak üzere, 4R s y - 2x 2 d dA 40. Üçgen bölge R, y = x, y = 2x ve x + y = 2 doğrularıyla sınırlı bölge olmak üzere, 4R xy dA z = ƒsx, yd Yüzeyinin Alt›nda Kalan Hacim 41. z = x2 + y2 paraboloidinin altında ve xy-düzleminde y = x, x = 0 ve x + y = 2 doğrularıyla sınırlanan üçgenin üstündeki bölgenin hacmini bulun. 42. Üstten z = x2 silindiri ve alttan xy-düzleminde y = 2 – x2 parabolü ve y = x doğrusuyla çevrelenen bölgeyle sınırlı cismin hacmini bulun. 43. Tabanı, xy-düzleminde y = 4 – x2 parabolü ve y = 3x doğrusuyla çevrili üçgen olan ve üstü z = x + 4 düzlemi ile sınırlanan cismin hacmini bulun. 44. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri, x2 + y2 = 4 silindiri ve z + y = 3 düzlemiyle sınırlanan cismin hacmini bulun. 1080 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 45. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri, x = 3 düzlemi ve z = 4 – y2 parabolik silindiriyle sınırlı cismin hacmini bulun. 46. Birinci sekizde bir bölgeden z = 4 – x2 – y yüzeyiyle kesilen cismin hacmini bulun. Teori ve Örnekler 57. Daire kesmesi ƒsx, yd = 24 - x 2 ’yi x2 + y2 4 dairesinden u = p@6 ve u = p@2 ışınlarıyla kesilen küçük bölgede integre edin. 47. Birinci sekizde bir bölgeden z = 12 – 3y2 silindiri ve x + y = 2 düzlemiyle kesilen takozun hacmini bulun. 58. Sınırsız bölge ƒ(x, y) = 1@[(x2 – x)(y – 1)2@3]’ü 2 x < , 0 y 2 sonsuz dikdörtgen üzerinde integre edin. 48. ƒ x ƒ + ƒ y ƒ … 1 kare sütunundan z = 0 ve 3x + z = 3 düzlemleriyle kesilen cismin hacmini bulun. 59. Dairesel olmayan silindir xy-düzlemindedir ve üstten z = x2 + y2 paraboloidiyle sınırlıdır. Silindirin hacmi 49. Önden ve arkadan x = 2 ve x = 1 düzlemleri, yanlardan y = 1@x silindirleri, üstten ve alttan z = x + 1 ile z = 0 düzlemleriyle sınırlanan cismin hacmini bulun. 50. Önden ve arkadan x = p@3 düzlemleri, yanlardan y = ± sec x silindirleri, üstten z = 1 + y2 silindiri ve alttan xy-düzlemiyle sınırlanan cismin hacmini bulun. 1 y 60. İki katlı integrale dönüştürme Aşağıdaki integrali hesaplayın. 2 İki katlı genelleştirilmiş integraller çoğunlukla tek değişkenli genelleştirilmiş integrallere benzer şekilde hesaplanabilirler. Aşağıdaki genelleştirilmiş integrallerin birincileri, sanki adi integrallermiş gibi düzenlenmiştir. Sonrasında, Bölüm 8.8’deki gibi, uygun sınırlar alarak tek değişkenli genelleştirilmiş integral hesaplanır. 51–54 alıştırmalarındaki genelleştirilmiş integralleri tekrarlı integraller olarak hesaplayın. q 1 dy dx 3 L1 Le-x x y q 53. q L- q L- q sx q 54. 1 L0 L0 2 1 52. L0 stan-1px - tan-1 xd dx. (İpucu: İntegrandı bir integral olarak yazın) 61. İki katlı bir integrali maksimize etmek xy-düzlemindeki hangi R bölgesi s4 - x 2 - 2y 2 d dA? 6 1> 21 - x 2 L-1 L-1> 21 - x 2 2-y sx 2 + y 2 d dx dy. L1 L0 L0 L0 ile bulunur. Taban bölgesi R’yi çizin ve silindirin hacmini integrasyon sırası değiştirilmiş tek bir tekrarlı integral olarak ifade edin. Sonra integrali hesaplayarak, hacmi bulun. S›n›rl› Olmayan Bölgeler Üzerindeki ‹ntegraller 51. 2 sx 2 + y 2 d dx dy + V = R s2y + 1d dy dx 1 dx dy + 1ds y 2 + 1d integralini maksimize eder? Yanıtınızı açıklayın. xy-düzlemindeki hangi 62. İki katlı bir integrali minimize etmek R bölgesi q sx 2 + y 2 - 9d dA? 6 xe -sx + 2yd dx dy R integralini minimize eder? Yanıtınızı açıklayın. ‹ki Katl› ‹ntegrallere Yaklafl›mda Bulunmak 55 ve 56 alıştırmalarında, ƒ(x, y)’nin verilen x = a dikey doğruları ve y = c yatay doğrularıyla bölünmüş R bölgesindeki iki katlı integraline yaklaşımda bulunun. Her alt dikdörtgende, (xk, yk)’yı belirtildiği şekilde, yaklaşımınız için kullanın. n 6 R ƒsx, yd dA L a ƒsxk , yk d ¢Ak k=1 11 - x 2 yarı çemberi, alttan x-ekseniyle sınırlı R 55. Üstten y = bölgesinde, (xk, yk) k. alt dikdörtgenin alt sol köşesi olmak üzere (alt dikdörtgenin R’de bulunması koşuluyla), x = –1, –1@2, 0, 1@4, 1@2, 1 ve y = 0, 1@2, 1 bölünüşünü kullanarak ƒ(x, y) = x + y 56. (x – 2)2 + (y – 3)2 = 1 çemberi içindeki R bölgesinde, (xk, yk) k. alt dikdörtgende (R’nin içinde olması koşuluyla) merkez olmak üzere x = 1, 3@2, 2, 5@2, 3 ve y = 2, 5@2, 3, 7@2, 4 bölünüşünü kullanarak ƒ(x, y) = x + 2y 63. Sürekli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun xy-düzlemindeki bir dikdörtgen bölgede integralini hesaplamak ve integrasyon sırasına bağlı olarak farklı sonuçlar elde etmek mümkün müdür? Yanıtınızı açıklayın. 64. xy-düzleminde köşeleri (0, 1), (2, 0) ve (1, 2)’de olan üçgenle çevrelenen bir R bölgesinde sürekli bir ƒ(x, y) fonksiyonunun iki katlı integralini nasıl hesaplarsınız? Yanıtınızı açıklayın. 65. Sınırsız bölge Aşağıdaki eşitliği ispatlayın. q b q 2 L- qL- q 2 b e -x - y dx dy = lim b: qL -b L -b = 4a q 2 L0 2 e -x dxb . 66. Genelleştirilmiş iki katlı integral 1 2 3 x2 dy dx. L0 L0 s y - 1d2>3 Genelleştirilmiş integralini hesaplayın. 2 e -x - y dx dy 15.2 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri 1081 ‹ki Katl› ‹ntegralleri Say›sal Olarak Hesaplama 71–76 alıştırmalarındaki integralleri hesaplamak için, bir iki katlı integral hesaplayıcısı kullanın. Sonra, integrasyon sırasını değiştirin ve yine iki katlı integral hesaplayıcısı ile hesaplayın. 67–70 alıştırmalarındaki integrallerin değerlerini öngörmek için, bir iki katlı integral hesaplayıcısı kullanın. 71. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI 3 67. x L1 L1 1 69. 68. L0 L0 1 2 73. L0 L0 74. 21 - x 2 L-1 L0 15.2 75. 72. 9 x cos s y 2 d dy dx L0 Lx 2 422y sx 2y - xy 2 d dx dy 4 - y2 e xy dx dy L0 L0 2 3 21 - x2 - y2 dy dx 3 2 e x dx dy L0 Ly3 2 tan-1 xy dy dx 4 L0 L2y 2 2 e-sx + y d dy dx 1 1 70. 1 1 xy dy dx 1 x2 2 1 dy dx L1 L0 x + y 76. 8 1 dx dy L1 Ly3 2x 2 + y 2 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri Bu bölümde, düzlemde sınırlı bölgelerin alanlarını hesaplamak ve iki değişkenli bir fonksiyonun ortalama değerini bulmak için iki katlı integrallerin nasıl kullanılacağını göstereceğiz. Sonra bir fizik problemini, düzlemde bir bölgeyi kaplayan ince bir plakanın kütle merkezinin bulunmasını, çalışacağız. Ak R yk (xk, yk) xk Düzlemde S›n›rlanm›fl Bölgelerin Alanlar› Önceki bölümde, bir R bölgesindeki iki katlı integralin tanımında ƒ(x, y) = 1 alırsak, Riemann toplamları n n Sn = a ƒsxk , yk d ¢Ak = a ¢Ak . k=1 fiEK‹L 15.14 R bölgesinin bir bölünüşünün normu sıfıra yaklaşırken, Ak alanlarının toplamları R’nin 4R dA. iki katlı integrali ile tanımlanan alanını verir. (1) k=1 haline indirgenir. Bu, basitçe R’nin bölünüşündeki küçük dikdörtgenlerin alanlarının toplamıdır ve R’nin alanı demek istediğimiz şeye yaklaşır. R bölgesinin bir bölünüşünün normu sıfıra yaklaşırken, bölünüşteki bütün dikdörtgenlerin yükseklikleri ve genişlikleri sıfıra yaklaşır ve R’nin örtülüşü artarak tamamlanır (Şekil 15.14). R’nin alanını n Alan = lim a ¢Ak = Area ƒ ƒ P ƒ ƒ :0 k=1 6 dA (2) R limiti olarak tanımlarız. TANIM Alan Kapalı, sınırlı bir düzlemsel R bölgesinin alanı A = 6 dA. R ile verilir. Bu bölümdeki diğer tanımlar gibi, buradaki tanım da, tek değişkenli alan tanımında olduğundan, daha büyük bir bölge yelpazesine uygulanır, fakat ikisinin de uygulanabileceği bölgelerde daha önceki tanımla uyuşur. Alan tanımındaki intgrali hesaplamak için, sabit ƒ(x, y) = 1 fonksiyonunu R üzerinde integre ederiz. 1082 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ÖRNEK 1 Alan Bulmak Birinci dörtte bir bölgede y = x ve y = x2 ile sınırlanan R bölgesinin alanını bulun. y İki eğrinin nerede kesiştiğini belirterek bölgeyi çizer (Şekil 15.15) ve alanı Çözüm 1 (1, 1) yx yx y 1 A = x2 x L0 Lx2 1 dy dx = L0 1 = y x2 0 fiEK‹L 15.15 1 x Örnek 1’deki bölge. L0 x cy d dx sx - x2 d dx = c x2 1 x3 x2 1 - d = . 2 3 0 6 1 olarak hesaplarız. İçerideki integralin hesaplanması ile elde edilen 10 (x – x2) dx integralinin, bu iki eğri arasındaki alan için Bölüm 5.5’deki yöntem kullanılarak yazılmış integral olduğuna dikkat edin. ÖRNEK 2 Alan Bulmak 2 y = x parabolü ve y = x + 2 doğrusuyla çevrelenen R bölgesinin alanını bulun. Çözüm R’yi Şekil 15.16(a)’da görülen R1 ve R2 bölgelerine ayırırsak, alanı 2y 1 A = 6 dA + 6 R1 dA = R2 L0 L-2y 4 dx dy + 2y L1 Ly - 2 dx dy. olarak hesaplayabiliriz. Öte yandan, integrasyon sırasını değiştirmek (Şekil 15.16b), 2 A = x+2 L-1 Lx2 dy dx. verir. y y y x2 (2, 4) yx2 4 y x2 yx2 (2, 4) 兹y 兰1 兰y – 2 dx dy 2 兰–1 兰x R2 x2 2 (–1, 1) (–1, 1) 兹y 兰0 兰–兹y dx dy 1 R1 0 (a) x dy dx 0 (b) fiEK‹L 15.16 Bu alanı hesaplamak (a) ilk integrasyon x’e göreyse, iki tane iki katlı integral, (b) integrasyon y’ye göreyse, sadece bir tane iki katlı integral gerektirir (Örnek 2). x 15.2 1083 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri Sadece bir integral gerektiren bu ikinci sonuç daha basittir ve pratikte kullanmak isteyeceğimiz budur. Alan 2 A = L-1 cy d x+2 2 dx = x2 L-1 sx + 2 - x 2 d dx = c 2 9 x2 x3 + 2x d = . 2 3 -1 2 olarak bulunur. Ortalama De¤er Tek değişkenli, integre edilebilir bir fonksiyonun kapalı bir aralıktaki ortalama değeri, fonksiyonun aralıktaki integralinin aralığın uzunluğuna oranıdır. Düzlemde, sınırlı bir R bölgesinde tanımlı, iki değişkenli integre edilebilir bir fonksiyon için ortalama değer, fonksiyonun bölge üzerindeki integralinin bölgenin alanına oranıdır. Bu, fonksiyonun, yan duvarları bölgenin sınırları üzerinde bulunan bir havuzun içinde çalkalanan suyun bir andaki yüksekliğini verdiğini düşünmekle gözümüzde canlandırılabilir. Havuzdaki suyun ortalama yüksekliği, suyu sabit bir yükseklikte durgunlaşmaya bırakarak bulunabilir. Bu durumda yükseklik, havuzdaki suyun hacminin, havuzun alanına oranına eşittir. Bu bizi, integre edilebilir bir ƒ fonksiyonunun bir R bölgesi üzerindeki ortalama değerini aşağıdaki gibi tanımlamaya götürür: 11 ƒ’ninAverage R’deki Ortalama value of ƒdeğeri over R= =———— ƒ dA. R’nin area alanı of R 6 (3) R ƒ, R’yi kaplayan ince bir plakanın sıcaklığı ise, ƒ’nin R üzerindeki iki katlı integralinin R’nin alanına oranı, plakanın ortalama sıcaklığıdır. ƒ(x, y), (x, y) noktasından sabit bir P noktasına olan uzaklık ise, ƒ’nin R üzerindeki ortalama değeri R’deki noktaların P’den ortalama uzaklığıdır. ÖRNEK 3 Ortalama De¤er Bulmak ƒ(x, y) = x cos xy’nin R: 0 x p, 0 y 1 dikdörtgenindeki ortalama değerini bulun. ƒ’nin R üzerindeki integralinin değeri Çözüm p L0 L0 p 1 x cos xy dy dx = L0 csin xy d y=1 dx L0 x cos xy dy = sin xy + C y == 00 p = L ssin x - 0d dx = -cos x d p = 1 + 1 = 2. 0 olarak bulunur. R’nin alanı p’dir. ƒ’nin R üzerindeki ortalama değeri 2@p’dir. ‹nce Düz Plakalar ‹çin Momentler ve Kütle Merkezleri Bölüm 6.4’te, momentler ve kütle merkezleri kavramlarını tanıtmış ve bu büyüklüklerin, ince çubuklar veya şeritler ve sabit yoğunluklu plakalar için nasıl hesaplandığını görmüştük. Katlı integralleri kullanarak, bu hesaplamaları değişken yoğunluklu çeşitli şekillere, genişletebiliriz. Önce, ince düz bir plakanın kütle merkezini bulma problemini ele alıyoruz: örneğin alüminyum bir disk veya üçgensel bir metal yaprak. Böyle bir 1084 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller plakada yoğunluk dağılımının sürekli olduğunu varsayıyoruz. Bir malzemenin d(x, y) ile gösterilen yoğunluk fonksiyonu, birim alan başına kütledir. Bir plakanın kütlesi, plakayı oluşturan R bölgesi üzerinde yoğunluk fonksiyonunun integre edilmesi ile elde edilir. Bir eksen etrafındaki birinci moment, eksenden uzaklık kere yoğunluğun R üzerinde integre edilmesi ile hesaplanır. Kütle merkezi, birinci momentten bulunur. Tablo 15.1, kütleler, birinci momentler ve kütle merkezleri için iki katlı integral formüllerini vermektedir. TABLO 15.1 xy-düzleminde bir R bölgelesini kaplayan ince plakalar için kütle ve birinci moment formülleri. Kütle: Mass: dsx, yddA 6 M = dsx, yd , (x, y)’deki yoğunluktur. R First Birincimoments: momentler: Mx = Kütle merkezi: Center of mass: My x = , M 6 ydsx, yddA, My = R ÖRNEK 4 (1, 2) y 2x y = Mx M De¤iflken Yo¤unluklu ‹nce Bir Plakan›n Kütle Merkezini Bulmak 1 1 R Çözüm Plakayı çizer ve hesaplamamız gereken integrallerin integrasyon sınırlarını belirleyecek kadar detay ekleriz (Şekil 15.17). Plakanın kütlesi x1 0 xdsx, yddA İnce bir plaka, birinci dörtte bir bölgede x-ekseni ile x = 1 ve y = 2x doğrularının sınırladığı üçgensel bölgeyi kaplamaktadır. (x, y) noktasında plakanın yoğunluğu d(x, y) = 6x + 6y + 6’dır. Plakanın kütlesini ve koordinat eksenleri etrafındaki birinci momentleri ile kütle merkezini bulun. y 2 6 x M = 2x L0 L0 1 fiEK‹L 15.17 Örnek 4’teki, plaka ile kaplanmış üçgensel bölge = 1 dsx, yd dy dx = c6xy + 3y 2 + 6y d L0 2x s6x + 6y + 6d dy dx L0 L0 y = 2x dx y=0 1 = L0 1 s24x 2 + 12xd dx = c8x 3 + 6x 2 d = 14. 0 olarak bulunur. x-ekseni etrafındaki birinci moment 1 Mx = L0 L0 1 = 2x L0 1 ydsx, yd dy dx = c3xy 2 + 2y 3 + 3y 2 d 1 = c7x 4 + 4x 3 d = 11. 0 olur. 2x L0 L0 s6xy + 6y 2 + 6yd dy dx 1 y = 2x dx = y=0 L0 s28x 3 + 12x 2 d dx 15.2 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri 1085 Benzer bir hesaplama, y-ekseni etrafındaki momenti verir: 1 My = 2x xdsx, yd dy dx = 10. L0 L0 Dolayısıyla kütle merkezinin koordinatları x = My 5 10 = , = M 7 14 y = Mx 11 . = M 14 olur. Eylemsizlik Momenti Bir cismin birinci momentleri (Tablo 15.1), denge ve bir yerçekimi alanında bir cismin farklı koordinat eksenleri etrafında gösterdiği tork hakkında bilgi verir. Ama cisim dönen bir şaft ise, şaftta ne kadar enerji depolandığı veya şaftı belirli bir açısal hıza ivmelendirmenin ne kadar enerji gerektireceğiyle ilgilenmemiz daha doğaldır. İkinci moment veya eylemsizlik momenti buradan gelir. Şaftı mk kütleli küçük bloklara böldüğünüzü düşünün ve rk, k. bloğun kütle merkezinden dönme eksenine olan uzaklık olsun (Şekil 15.18). Şaft v = du@dt radyan bölü saniye açısal hızıyla dönüyorsa, bloğun kütle merkezi yörüngesini yk = du d sr ud = rk = rk v. dt k dt lineer hızıyla izleyecektir. Δmk yk rk rku u Dön me eks eni fiEK‹L 15.18 Dönen bir şaftta depolanan enerji miktarı için bir integral bulmak amacıyla, önce şaftın küçük bloklara ayrıldığını hayal ederiz. Her bloğun kendi kinetik enerjisi vardır. Her bloğun enerjisinin katkısını toplayarak şaftın kinetik enerjisini buluruz. Bloğun kinetik enerjisi yaklaşık olarak 1 1 1 ¢m y 2 = ¢mksrk vd2 = v2r k2 ¢mk . 2 k k 2 2 olur. Çubuğun kinetik enerjisi de yaklaşık olarak 1 2 2 a 2 v r k ¢mk . olur. 1086 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Şaftı daha küçük bloklara ayırarak bu toplamlarla yaklaşılan integral şaftın kinetik enerjisini verir: KEshaft KE şaft = 1 2 2 1 v r dm = v2 r 2 dm. 2 2 L L (4) Bu eşitlikteki I = r 2 dm L çarpanı şaftın dönme ekseni etrafındaki eylemsizlik momentidir ve (4) denkleminden şaftın kinetik enerjisinin KEshaft KE şaft = Sutün A Eksen Sütun B Eksen fiEK‹L 15.19 Bir sütunun yatay ekseni etrafındaki kutupsal eylemsizlik momenti ne kadar büyük olursa, sütun o kadar sert olur. A ve B sütunlarının kesit alanları aynıdır, ama A daha serttir. 1 2 Iv . 2 olduğunu görürüz. Bir şaftın eylemsizlik momenti bazı yönlerden bir lokomotifin ataletine benzer. m kütleli bir lokomotifi lineer bir y hızıyla harekete geçirmek için, KE = (1@2)my2 kadar bir kinetik enerji sağlamamız gerekir. Lokomotifi durdurmak için, bu enerjiyi salmamız gerekir. Eylemsizlik momenti I olan bir şaftı bir v açısal hızıyla döndürmeye başlamak için KE = (1@2)Iv2 kadar bir kinetik enerji sağlamamız gerekir. Şaftı durdurmak için bu miktar enerjiyi geriye almamız gerekir. Şaftın eylemsizlik momenti lokomotifin kütlesi gibidir. Lokomotifin kalkmasını veya durmasını zorlaştıran şey kütledir. Şaftın dönmesini veya durmasını zorlaştıran şey eylemsizlik momentidir. Eylemsizlik momenti sadece şaftın kütlesine değil, aynı zamanda kütlenin dağılımına da bağlıdır. Eylemsizlik momenti ayrıca yatay bir metal sütunun bir yük altında ne kadar büküleceğini belirlemede rol oynar. Sütunun sertliği, sütunun yatay eksenine dik olan tipik bir kesitin kutupsal eylemsizlik momenti I olmak üzere, bir sabit kere I dır. I’nın değeri ne kadar büyükse, sütun o kadar serttir ve verilen yük altında o kadar az bükülür. Kesitleri kare olan sütunlar yerine I-sütunları kullanmamızın nedeni budur. Sütunun altındaki ve üstündeki çıkıntılar sütunun kütlesinin çoğunu yatay eksenden uzak tutarak I’nın değerini maksimize eder (Şekil 15.19). Eylemsizlik momentinin nasıl çalıştığını anlamak istiyorsanız, aşağıdaki deneyi yapın. Bir kalemin uçlarına iki madeni para yapıştırın ve kalemi kütle merkezinin etrafında döndürün. Hareket yönünü her değiştirdiğinizde hissettiğiniz direncin nedeni eylemsizlik momentidir. Şimdi madeni paraları kütle merkezine doğru eşit mesafede yer değiştirin ve kalemi yeniden döndürün. Sistemin kütlesi ve kütle merkezi aynıdır, ama şimdi hareketteki değişimlere daha az direnç göstermektedir. Eylemsizlik momenti azalmıştır. Eylemsizlik momenti bir beyzbol sopasına, golf sopasına veya tenis raketine “hissedilmelerini” veren şeydir. Ağırlıkları aynı olan, aynı görünen ve kütle merkezleri aynı olan tenis raketleri, ağırlıkları aynı şekilde dağılmamışsa, farklı hissedilecekler ve davranacaklardır. Düzlemde, ince plakaların eylemsizlik momentlerinin hesaplanması, Tablo 15.2’de özetlenen iki katlı integral formüllerine yol açar. Küçük ince bir parçanın m kütlesi, parçacığın alanı A ile parçacığın içindeki bir noktanın yoğunluğu çarpımına eşittir. Uzayda bir bölgeyi kaplayan cisimlerin eylemsizlik momentlerinin hesaplanması Bölüm 15.5’te incelenmiştir. Birinci momentler Mx ve My ile eylemsizlik momentileri veya ikinci momentler Ix ve Iy arasındaki matematiksel fark, ikinci momentlerin ‘‘çevirme kolu’’ uzaklıkları x ve y’nin karelerini kullanmalarıdır. I0 momentine orijin etrafında kutupsal eylemsizlik momenti de denir. Yoğunluk d(x, y) (birim alan başına kütle) kere temsili bir (x, y) noktasından orijine uzaklığın karesi olan r2 = x2 + y2’nin integre edilmesiyle hesaplanır. I0 = Ix + Iy olduğuna dikkat edin; ikisini bili- 15.2 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri 1087 yorsak, üçüncüyü otomatik olarak biliyoruz demektir (I0 momentine bazen z- ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini temsil eden Iz de denir. Bu durumda, Iz = Ix + Iy bağıntısına Dik Eksen Teoremi denir). ve Jirasyon yarıçapı Rx Ix = MRx2 denklemiyle tanımlanır. Plakanın tüm kütlesinin aynı Ix’i verecek şekilde x-ekseninden ne kadar uzakta yoğunlaştığını söyler. Jirasyon yarıçapı eylemsizlik momentini bir kütle ve bir uzunluk cinsinden ifade etmenin uygun bir yolunu verir. Ry ve R0 yarıçapları aynı şekilde Iy = MRy2 ve I0 = MR02 ile verilir. Eylemsizlik momentleri’nin (ikinci momentler) yanı sıra jirasyon yarıçaplarının formüllerini de veren Tablo 15.2’deki formülleri elde etmek için karekök alırız. TABLO 15.2 xy-düzleminde ince plakalar için ikinci moment formülleri Eylemsizlik momentleri (ikinci momentler): x-ekseni etrafında: Ix = 6 y-ekseni etrafında: Iy = 6 y 2dsx, yd dA x 2dsx, yd dA r 2sx, yddsx, yd dA, 6 r(x, y) = (x, y)’den L’ye olan uzaklık Bir L doğrusu etrafında: IL = I0 = Orijin etrafında (kutupsal moment): sx 2 + y 2 ddsx, yd dA = Ix + Iy 6 Rx = 2Ix>M x-ekseni etrafında: Jirasyon yarıçapı: Ry = 2Iy>M y-ekseni etrafında: R0 = 2I0>M Orijin etrafında: ÖRNEK 5 Eylemsizlik Momentleri ve Jirasyon Yar›çaplar› Bulmak Örnek 4’teki ince plaka için (Şekil 15.17), koordinat eksenleri ve orijin etrafındaki eylemsizlik momentlerini ve jirasyon yarıçaplarını bulunuz. Çözüm Örnek 4’te verilen d(x, y) = 6x + 6y + 6 yoğunluk fonksiyonunu kullanarak x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti 1 Ix = L0 L0 1 = 2x L0 1 y 2dsx, yd dy dx = y = 2x c2xy 3 + s6xy 2 + 6y 3 + 6y 2 d dy dx 1 3 4 y + 2y 3 d dx = s40x 4 + 16x 3 d dx 2 y=0 L0 = C 8x 5 + 4x 4 D 0 = 12. 1 olarak bulunur. L0 L0 2x 1088 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Benzer şekilde, y-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti 1 Iy = 2x x 2dsx, yd dy dx = L0 L0 39 . 5 olarak bulunur. Ix’i hesaplamak için y2 kere yoğunluk fonksiyonunu ve Iy’yi hesaplamak için de x2 kere yoğunluk fonksiyonunu integre ettiğimize dikkat edin. Ix ve Iy’yi bildiğimiz için, I0’ı bulmak için bir integral kurmamız gerekmez: I0 = Ix + Iy denklemini kullanabiliriz: I0 = 12 + 60 + 39 99 39 = = . 5 5 5 Üç jirasyon yarıçapı ise, Rx = 2Ix>M = 212>14 = 26>7 L 0.93 Ry = 2Iy>M = a 39 b>14 = 239>70 L 0.75 B 5 R0 = 2I0>M = 99 a b>14 = 299>70 L 1.19. B 5 olarak bulunur. Momentler istatistikte de önemlidir. Birinci moment, bir veri kümesinin ortalaması 2 m’nün hesabında kullanılır. İkinci moment de A g B variansını ve A g B . standart sapmasını hesaplamakta kullanılır. Üçüncü ve dördüncü momentler eğrilik (skewness) ve kurtosis olarak bilinen istatistiksel büyüklükleri hesaplamakta kullanılırlar. Geometrik fiekillerin Merkezleri Bir cismin yoğunluğu sabitse, Tablo 15.1’de x ve y formüllerinde pay ve payda sadeleşir. x ve y söz konusu olduğunda, d yoğunluğu 1 bile olabilir. Yani, d sabitken, kütle merkezinin yeri cismin yapıldığı malzemenin değil, şeklinin bir özelliği olur. Böyle durumlarda, mühendisler kütle merkezini cismin merkezi olarak adlandırabilirler. Bir merkezi bulmak için, d’yı 1’e eşitler ve x ve y’yi daha önceki gibi, birinci momentleri kütleye bölerek buluruz. ÖRNEK 6 Bir Bölgenin Merkezini Bulmak Birinci dörtte bir bölgede, üstten y = x doğrusu ve alttan y = x2 parabolüyle sınırlı bölgenin merkezini bulun. Çözüm Bölgeyi çizer ve integrasyon sınırlarını belirleyecek detayları ekleriz (Şekil 15.20). Sonra d’yı 1’e eşitler ve Tablo 15.1’deki uygun formülleri hesaplarız: 1 M = y 1 L0 Lx 2 (1, 1) 1 Mx = yx 1 1 x fiEK‹L 15.20 Bu bölgenin merkezi Örnek 6’da bulunmuştur. = L0 1 My = 1 1 dy dx = L0 x L0 Lx 2 y x2 0 x a 1 y dy dx = L0 cy d c y=x 1 dx = L0 y = x2 sx - x 2 d dx = c 1 x2 x3 1 d = 2 3 0 6 y 2 y=x d dx 2 y = x2 1 x2 x4 x3 x5 1 b dx = c d = 2 2 6 10 0 15 x L0 Lx 2 1 x dy dx = L0 cxy d y=x 1 dx = y = x2 L0 sx 2 - x 3 d dx = c 1 x3 x4 1 d = . 3 4 0 12 15.2 Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri 1089 Bu M, Mx ve My değerlerinden x = My 1>12 1 = = M 2 1>6 ve and y = 1>15 Mx 2 = = . M 5 1>6 buluruz. Merkez (1@2, 2@5) noktasıdır. ALIfiTIRMALAR 15.2 ‹ki Katl› ‹ntegrasyonla Alanlar 1–8 alıştırmalarında, verilen doğru ve eğrilerle sınırlı bölgeleri çizin. Sonra bölgenin alanını iki katlı bir tekrarlı integral olarak ifade edin ve integrali hesaplayın. 1. Koordinat eksenleri ve x + y = 2 doğrusu 2 3. x = – y parabolü ve y = x + 2 doğrusu 4. x = y – y2 parabolü ile y = – x doğrusu 5. y = ex eğrisi ile y = 0, x = 0 ve x = ln 2 doğrusu 6. Birinci dörtte bir bölgede, y = ln x ve y = 2 ln x eğrileri ile x = e doğrusu 7. x = y2 ve x = 2y – y2 parabolleri ‹ntegrasyon Bölgelerini Belirlemek 9–14 alıştırmalarındaki integraller ile integrallerin toplamı xy-düzlemindeki bölgelerin alanlarını verir. Her bölgeyi çizin, her sınırlayıcı eğriyi denklemiyle belirtin ve eğrilerin kesiştikleri noktaların koordinatlarını verin. Sonra her bölgenin alanını bulun. 2y L0 Ly >3 3 dx dy 10. 2 p>4 11. L0 Lsin x 0 13. 2 dy dx + 0 L0 Lx - 4 12. dy dx y+2 L-1Ly2 dx dy 1-x L0 L-x>2 4 dy dx + 2 xs2 - xd L0 L-x 2 dy dx 1-x L-1L-2x 2 14. cos x 20. Eylemsizlik momentleri ve jirasyon yarıçapı bulmak Birinci dörtte bir bölgede x = 3 ve y = 3 doğrularıyla sınırlı, sabit d yoğunluklu ince bir plakanın koordinat eksenleri etrafında eylemsizlik momentlerini ve jirasyon yarıçaplarını bulun. 22. Bir merkez bulmak Birinci dörtte bir bölgeden x + y = 3 doğrusuyla kesilen üçgen bölgenin merkezini bulun. 23. Bir merkez bulmak x-ekseni ve y = 21 - x 2. eğrisiyle sınırlı yarı dairesel bölgenin merkezini bulun. 24. Bir merkez bulmak Birinci dörtte bir bölgede y = 6x – x2 parabolü ve y = x doğrusu ile sınırlı bölgenin alanı 125@6 birimdir. Merkezi bulun. 25. Bir merkez bulmak Birinci dörtte bir bölgeden x2 + y2 = a2 çemberiyle kesilen bölgenin merkezini bulun. dy dx 26. Bir merkez bulmak x-ekseni ile y = sin x, 0 x p yayının arasındaki bölgenin merkezini bulun. dy dx 27. Eylemsizlik momentleri bulmak x2 + y2 = 4 çemberiyle sınırlı d = 1 yoğunluklu ince tabakanın x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. Sonra bu sonucu kullanarak Iy ve I0’ı bulun. 2x L0 L0 19. Kütle merkezi bulmak Birinci dörtte bir bölgede x = 0, y = x doğruları ve y = 2 – x2 parabolüyle sınırlı, d = 3 yoğunluklu ince bir plakanın kütle merkezini bulun. 21. Bir merkez bulmak Birinci dörtte bir bölgede x-ekseni, y2 = 2x parabolü ve x + y = 4 doğrusuyla sınırlı bölgenin merkezini bulun. 8. x = y2 – 1 ve x = 2y2 – 2 parabolleri 6 18. ƒ(x, y) = 1@(xy)’nin ln 2 x 2 ln 2, ln 2 y 2 ln 2 karesindeki ortalama değerini bulun. Sabit Yo¤unluk 2. x = 0, y = 2x ve y = 4 doğruları 9. 17. 0 x 2, 0 y 2 karesinde z = x2 + y2 paraboloidinin ortalama yüksekliğini bulun. Ortalama De¤erler 15. ƒ(x, y)= sin(x + y)’nin a. 0 x p, 0 y p dikdörtgeninde, b. 0 x p, 0 y p@2 dikdörtgeninde ortalama değerini bulun. 16. Sizce hangisi daha büyük olacaktır, ƒ(x, y) = xy’nin 0 x 1, 0 y 1 karesi üzerindeki ortalama değeri mi, ƒ’nin birinci dörtte bir bölgedeki x2 + y2 1 çeyrek çemberindeki ortalama değeri mi? Bulmak için hesaplayın. 28. Bir eylemsizlik momenti bulmak y = (sin2 x)@x2 eğrisi ve xekseninin p x 2p aralığıyla sınırlı, sabit d = 1 yoğunluklu ince yaprağın y-eksenine göre eylemsizlik momentini bulun. 29. Sonsuz bir bölgenin merkezi İkinci dörtte bir bölgede koordinat eksenleri ve y = ex eğrisi ile çevrelenen sonsuz bölgenin merkezini bulun (Kütle-moment formüllerinde genelleştirilmiş integraller kullanın). 1090 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 30. Sonsuz bir plakanın birinci momenti Birinci dörtte bir bölgede 2 y = e-x >2 eğrisinin altında kalan sonsuz bölgeyi kaplayan d(x, y) = 1 yoğunluklu ince plakanın y-ekseni etrafındaki birinci momentini bulun. De¤iflken Yo¤unluk 31. Bir eylemsizlik momentleri ve jirasyon yarıçapı bulmak d(x, y) = x + y ise, x = y – y2 parabolü ve x + y = 0 doğrusu ile sınırlanan ince plakanın x-eksen etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. 32. Kütle bulmak d(x, y) = 5x ise, x2 + 4y2 = 12 elipsinden x = 4y2 parabolü ile kesilen küçük bölgeyi kaplayan ince plakanın kütlesini bulun. 33. Kütle merkezi bulmak d(x, y) = 6x + 3y + 3 ise, y-ekseni ile y = x ve y = 2 – x doğrularıyla sınırlı ince üçgen bir plakanın kütle merkezini bulun. 42. Bölgesel Nüfus ƒ(x, y) = 100 (y + 1) fonksiyonu ve mil olarak ölçülmek üzere Dünya’da bir düzlemsel bölgenin nüfus yoğunluğunu temsil ediyorsa, x = y2 ve x = 2y – y2 eğrileriyle sınırlı bölgedeki insan sayısını bulun. 43. Aygıt tasarımı Bir aygıt tasarlarken, düşünülen şeylerden biri aygıtın devrilmesinin ne kadar zor olacağıdır. Eğildiğinde, kütle merkezi dayanma noktasının, aygıtın üzerinde döndüğü noktanın, doğru tarafında olduğu sürece, kendini düzeltecektir. Neredeyse sabit yoğunluklu bir aygıtın profilinin eski moda bir radyo gibi parabolik olduğunu varsayın. xy-düzlemindeki 0 y a(1 – x2), –1 x 1 bölgesini doldurduğunu varsayın (Şekle bakın). Hangi a değerleri aygıtın 45°’den fazla eğilmesini sağlar? y a y a(1 x2) 35. Kütle merkezi, eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı d(x, y) = x + y + 1 ise, birinci dörtte bir bölgeden x = 6 ve y = 1 doğrularıyla kesilen ince dikdörtgen plakanın kütle merkezini ve y-ekseni etrafındaki jirasyon yarıçapını bulun. 36. Kütle merkezi, eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı d(x, y) = y + 1 ise, y = 1 doğrusu ve y = x2 parabolü ile sınırlı ince plakanın kütle merkezini ve y ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ile jirasyon yarıçapını bulun. 37. Kütle merkezi, eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı d(x, y) = 7y + 1 ise, x-ekseni, x = 1 doğruları ve y = x2 parabolü ile sınırlı ince plakanın kütle merkezini ve y-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ile jirasyon yarıçapını bulun. 38. Kütle merkezi, eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı d(x, y) = 1 + (x@20) ise, x = 0, x = 20, y = –1 ve y = 1 doğrularıyla sınırlı ince bir dikdörtgen plakanın kütle merkezini ve x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun. 39. Kütle merkezi, eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı d(x, y) = y + 1 ise, y = x, y = –x ve y = 1 doğrularıyla sınırlı ince üçgen plakanın kütle merkezini, koordinat eksenleri etrafındaki eylemsizlik momentleri ile jirasyon yarıçaplarını ve kutupsal eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. 40. Kütle merkezi, eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı Alıştırma 39’u d(x, y) = 3x2 + 1 için tekrarlayın. Teori ve Örnekler 41. Bakteri nüfusu ƒ(x, y) = (10,000ey)@(1 + ZxZ @2) ifadesi xy-düzleminde, x ve y santimetre olmak üzere, bir bakteri grubunun “nüfus yoğunluğunu” temsil ediyorsa, –5 x 5 ve –2 y 0 dikdörtgeninin içinde yaşayan toplam bakteri nüfusunu bulun. (k üt 34. Bir kütle merkezi ve eylemsizlik momenti bulmak (x, y) noktasındaki yoğunluk d(x, y) = y + 1 ise, x = y2 ve x = 2y – y2 eğrileriyle sınırlı ince plakanın kütlesini ve x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. le k.m m . er ke z i) k.m. Dayanma noktası –1 0 1 x 44. Bir eylemsizlik momentini minimize etmek Sabit d(x, y) = 1 yoğunluklu dikdörtgen bir plaka birinci dörtte bir bölgede x = 4 ve y = 2 doğrularıyla sınırlı bölgeyi kaplamaktadır. Dikdörtgenin y = a doğrusu etrafındaki eylemsizlik momenti Ia 4 Ia = L0 L0 2 s y - ad2 dy dx. integraliyle verilir. Ia’yı minimize eden a değerini bulun. 45. Sınırsız bir bölgenin merkezi xy-düzleminde y = 1> 21 - x 2, y = -1> 21 - x 2, eğrileri ve x = 0, x = 1 doğrularıyla sınırlanan sonsuz bölgenin merkezini bulun. 46. İnce bir çubuğun jirasyon yarıçapı Sabit çizgisel d gm@cm yoğunluklu ve L cm uzunluklu ince çubuğun aşağıdaki eksenlere göre jirasyon yarıçapını bulun. a. çubuğun kütle merkezinden geçen ve çubuğun eksenine dik eksene göre; b. çubuğun uçlarından birinde çubuğun eksenine dik eksene göre. 47. (Alıştırma 34’ün devamı) Sabit d yoğunluklu ince bir plaka xydüzleminde x = y2 ve x = 2y – y2 eğrileriyle sınırlı bir R bölgesini kaplamaktadır. a. Sabit yoğunluk Plakanın kütlesini Alıştırma 34’tekiyle aynı yapacak d’yı bulun. b. Ortalama Değer (a) şıkkındaki d’yı d(x, y) = y + 1’in R’deki ortalama değeriyle karşılaştırın. 15.2 48. Teksas’taki ortalama sıcaklık Teksas Almanağı’na göre, Teksas’ta 254 ilçe ve her ilçede bir Ulusal Hava Servisi istasyonu bulunmaktadır. t0 anında, hava istasyonlarından her birinin yerel sıcaklığı kaydettiğini varsayın. t0 anında Teksas’taki ortalama sıcaklığı verecek mantıklı bir yaklaşım sunan formülü bulun. Yanıtınız Teksas Almanağı’nda bulunan verileri içermelidir. Paralel Eksen Teoremi Lk.m., xy-düzleminde bir bölgeyi kaplayan m kütleli ince bir plakanın kütle merkezinden geçen bir doğru olsun. L, Lk.m.’ye paralel ve h birim uzakta bir doğru olsun. Paralel Eksen Teoremi bu koşullar altında plakanın L ve Lk.m. etrafındaki eylemsizlik momentleri IL ve Lk.m.’nin IL = Lk.m. + mh2 c = Alan, Momentler ve Kütle Merkezleri m1 c1 + m2 c2 + Á + mn cn . m1 + m2 + Á + mn 1091 (6) şeklinde genelleşir. Bu formül özellikle merkezlerini geometriden bildiğimiz sabit yoğunluklu parçalardan oluşan ve şekli düzgün olmayan bir plakanın merkezini bulmak için yararlıdır. Her parçanın merkezini bulur ve (6) denklemini uygulayarak plakanın merkezini buluruz. 51. Pappus formülünü (denklem (5)) türetin. (İpucu: Plakaları birinci dörtte bir bölgedeki bölgeler olarak çizin ve kütle merkezlerini sx1, y1 d, sx2 , y2 d. olarak isimlendirin. Koordinat eksenleri etrafında P1 ∪ P2’nin momentleri nedir?) 52. (5) denklemini ve matematiksel indüksiyon kullanarak (6) denkleminin herhangi bir pozitif n 2 tamsayısı için geçerli olduğunu gösterin. 53. A, B ve C aşağıda gösterilen şekiller olsun. Pappus formülünü kullanarak aşağıdaki bölgelerin merkezlerini bulun. denklemini sağladıklarını söyler. 49. Paralel Eksen Teoreminin ispatı a. Plaka düzleminde, plakanın kütle merkezinden geçen herhangi bir doğru etrafında, plakanın birinci momentin sıfır olduğunu gösterin (İpucu: Doğru y-ekseni olmak üzere, kütle merkezini orijine yerleştirin. x = My>M formülü size ne söyler?). b. (a) şıkkındaki sonucu kullanarak Paralel Eksen Teoremini türetin. Düzlemin koordinatlarının, Lk.m.’yi y-ekseni, L’yi de x = h doğrusu yapacak şekilde olduğunu varsayın. Sonra IL integralinin integrandını açarak integralleri değerlerini bildiğiniz integrallerin toplamı olarak yazın. a. A ´ B b. A ´ C c. B ´ C d. A ´ B ´ C. y 5 4 3 2 A 1 0 B (7, 2) C 2 4 7 x 50. Eylemsizlik momentleri bulmak a. Paralel Eksen Teoreminin ve Örnek 4’ün sonuçlarını kullanarak, Örnek 4’teki plakanın, plakanın kütle merkezinden geçen dikey ve yatay doğrular etrafındaki eylemsizlik momentlerini bulun. b. (a)’daki sonucu kullanarak plakanın x = 1 ve y = 2 doğruları etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. 54. Kütle merkezi yerleştirmek Aşağıda gösterilen karesinin kütle merkezinin yerini belirleyin. marangoz y (inç) 1.5 inç 12 Pappüs Formülü Pappus, düzlemde üst üste binmeyen iki bölgenin birleşimlerinin merkezinin, bölgelerin kendi kütle merkezlerini birleştiren doğru üzerinde bulunduğunu biliyordu. Daha ayrıntılı olarak, m1 ve m2’nin xy-düzleminde üst üste binmeyen P1 ve P2 bölgelerini kaplayan ince plakaların kütleleri olduğunu varsayın. c1 ve c2 de, sırasıyla, orijinden P1 ve P2’nin kütle merkezlerine olan vektörler olsun. Bu durumda, iki plakanın birleşimi P1 ∪ P2’nin kütle merkezi c = m1 c1 + m2 c2 . m1 + m2 (5) vektörüyle belirlenir. (5) denklemi Pappus formülü olarak bilinir. İkiden fazla üst üste binmeyen plaka için, sayıları sonlu olmak üzere, bu formül 2 0 24 x (inç) 55. İkizkenar bir T üçgeninin tabanı 2a ve yüksekliği h’dir. Taban, bir dondurma külahına benzer bir şekil oluşturacak şekilde, a yarıçaplı dairesel bir D yarım diskin çapı üzerinde bulunmaktadır. T ∪ D’nin merkezinin T ve D’nin ortak sınırında bulunması için a ve h arasındaki ilişki ne olmalıdır? Peki kütle merkezinin T’nin içinde olması için? 56. h yükseklikli ikizkenar bir T üçgeninin tabanı, kenarlarının uzunluğu s olan bir Q karesinin bir kenarıdır (Kare ve üçgen üst üste binmezler). T ∪ Q’nun merkezinin üçgenin tabanında olması için h ile s arasındaki ilişki ne olmalıdır? Yanıtınızı Alıştırma 55’in yanıtıyla karşılaştırın. 1092 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 15.3 Kutupsal Formda ‹ki Katl› ‹ntegraller Bazen, kutupsal koordinatlara geçersek integralleri hesaplamak daha kolaydır. Bu bölüm değişimin nasıl yapılacağını ve sınırları kutupsal denklemlerle verilen integrallerin nasıl hesaplanacağını göstermektedir. Kutupsal Koordinatlarda ‹ntegraller Bir fonksiyonun xy-düzlemindeki bir R bölgesi üzerinde iki katlı integralini tanımlarken, işe R’yi kenarları koordinat eksenlerine paralel dikdörtgenlere bölerek başladık. Bunlar kullanılması doğal şekillerdir, çünkü kenarlarının ya x-değerleri ya da y-değerleri sabittir. Kutupsal koordinatlarda doğal şekil, kenarları sabit r- veya u- değerleri olan “kutupsal dikdörtgenler”dir. Bir ƒ(r, u) fonksiyonunun u = a ve u = b ışınları ile sürekli r = g1(u) ve r = g2(u) eğrilerinin sınırladığı bir R bölgesinde tanımlandığını varsayın. Ayrıca, a ile b arasındaki her u değeri için, 0 g1(u) g2(u) a olduğunu varsayın. Bu durumda R, 0 r a ve a u b denklemleriyle tanımlanan pervane-şekilli bölgede bulunur. Şekil 15.21’e bakın. a 2u Ak ub R (rk, uk) a u r u r g2(u) 3r 2r ua ra r g1(u) r up Q u0 O fiEK‹L 15.21 R: g1(u) r g2(u), a u b bölgesi, pervane-şekilli Q: 0 r a, a u b bölgesi içinde bulunur. Q’nun dairesel yay ve ışınlarla bölünüşü R’nin bir bölünüşünü verir. Q’yu bir dairesel yay ve ışın şebekesiyle kaplarız. Yaylar merkezleri orijinde olan, r = a@m olmak üzere, r, 2r,…, mr yarıçaplı çemberlerden kesilmiştir. Işınlar, u = (b – a)@m olmak üzere, u = a, u = a + u, u = a + 2u , …, u = a + m u = b ile verilir. Yaylar ve ışınlar Q’yu “kutupsal dikdörtgenler” denen küçük parçalara ayırır. R’nin içinde kalan kutupsal dikdörtgenleri (sırası önemli değildir), alanlarına A1, A2, …, An diyerek numaralandırırız. Alanı Ak olan kutupsal dikdörtgenin içinde herhangi bir (rk, uk) noktası alalım. n Sn = a ƒsrk, uk d ¢Ak. k=1 toplamını oluşturalım. 15.3 ⎛r r ⎛ ⎝k 2 ⎝ u r rk lim Sn = 6 n: q Küçük bölüm Büyük bölüm 1093 ƒ fonksiyonu R üzerinde sürekli ise, r ve u’yı sıfıra götürecek şekilde şebekeyi küçültürken bu toplam bir limite yaklaşacaktır. Bu limite ƒ’nin R üzerindeki iki katlı integrali denir. Sembolik olarak,, ⎛r r ⎛ ⎝k 2 ⎝ Ak Kutupsal Formda ‹ki Katl› ‹ntegraller ƒsr, ud dA. R olarak yazılır. Bu limiti hesaplamak için, önce Sn toplamını, Ak’yı r ve u cinsinden ifade edilecek şekilde yazmamız gerekir. Uygunluk için, rk’yı k. kutupsal dikdörtgen Ak’yı sınırlayan iç ve dış yayların yarıçaplarının ortalaması olarak alırız. Ak’yi içten sınırlayan yayın yarıçapı rk – (r@2)’dir (Şekil 15.22). Dış yayın yarıçapı ise rk + (r@2)’dir. Yarıçapı r olan bir çemberin, açısı u olan takoz-şekilli bir bölümünün alanı, çemberin alanı O A = fiEK‹L 15.22 küçük büyük area bölüof area bölüof ¢Ak = a b - a b large small mün sector alanı münsector alanı 1 # 2 u r , 2 dir. Bu, çemberin alanı pr2’yi, takoz içinde kalan çember alanının oranı, u@2p ile çarparak görülebilir. 2 olduğunun gözlenmesi, Ak = rk r u formülünü verir. yarıçap: Innerİçradius: 1 ¢r ar b ¢u 2 k 2 Outer Dışradius: Yarıçap: 1 ¢r ar + b ¢u. 2 k 2 2 olarak bulunur. Dolayısıyla, Ak = Büyük bölümün alanı – Küçük bölümün alanı 2 = 2 ¢u ¢u ¢r ¢r c ark + b - ark b d = s2rk ¢rd = rk ¢r ¢u. 2 2 2 2 olur. Bu sonuçları Sn’yi tanımlayan toplamla birleştirmek n Sn = a ƒsrk , uk drk ¢r ¢u. k=1 verir. n : q iken ve r ve u değerleri sıfıra yaklaşırken bu toplamlar lim Sn = n: q 6 ƒsr, ud r dr du. R iki katlı integraline yakınsar. Fubini teoreminin bir versiyonu, bu toplamlarla yaklaşılan limitin r ve u’ya göre tekrarlı integrallerle u=b 6 ƒsr, ud dA = R r = g2sud Lu = a Lr = g1sud ƒsr, ud r dr du. şeklinde hesaplanabileceğini söyler. ‹ntegrasyon S›n›rlar›n› Bulmak Kartezyen koordinatlarda integrasyon sınırlarını bulma prosedürü kutupsal koordinatlarda da işe yarar. 4R ƒsr, ud dA integralini kutupsal koordinatlardaki bir R bölgesinde, önce r’ye göre sonra uya göre integre ederek hesaplamak için aşağıdaki adımları atın. 1094 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 1. Bir çizim: Bölgeyi çizin ve sınırlayıcı eğrileri belirtin. y x 2 y2 4 2 兹2 R ⎛ ⎛ ⎝兹2, 兹2⎝ y 兹2 x 0 2. İntegrasyonun r-sınırlarını bulun: Orijinden geçen ve R’yi artan r yönünde kesen bir L ışını düşünün L’nin R’ye girdiği ve çıktığı r-değerlerini işaretleyin. Bunlar integrasyonun r-sınırlarıdır. Genellikle L’nin pozitif x-ekseniyle yaptığı u açısına bağlıdırlar. y r ⫽ 2’de ayrılır L 2 R r sin u ⫽ y ⫽ 兹2 veya r ⫽ 兹2 csc u r ⫽ 兹2 csc u’da girer u x 0 3. İntegrasyonun u-sınırlarını bulun: R’yi sınırlayan en büyük ve en küçük u-değerlerini bulun. Bunlar integrasyonun u-sınırlarıdır. y En büyük u = L 2 兹2 0 p ’dir 2 y⫽x R En küçük u = p ’ 4 x İntegral u = p>2 6 ƒsr, ud dA = R r=2 Lu = p>4 Lr = 22 csc u ƒsr, ud r dr du. olur. ÖRNEK 1 ‹ntegrasyon S›n›rlar›n› Bulmak r = 1 + cos u kardioidinin içinde ve r = 1 çemberinin dışında kalan R bölgesinde ƒ(r, u)’yı integre etmek için integrasyon sınırlarını bulun. Çözüm 1. 2. Önce bölgeyi çizer ve sınırlayıcı eğrileri belirtiriz (Şekil 15.23). Sonra integrasyonun r-sınırlarını buluruz. Orijinden çıkan tipik bir ışın r = 1’de R’ye girer ve r = 1 + cos u’da çıkar. 15.3 u p 2 y 3. r 1 cos u 1 2 1 + cos u ƒsr, ud r dr du. L-p>2 L1 x 1095 Son olarak integrasyonun u-sınırlarını buluruz: Orijinden çıkarak R’yi kesen ışınlar u = – p@2’ den u = p@2’ye kadar değişir. İntegral p>2 u Kutupsal Formda ‹ki Katl› ‹ntegraller olur. ƒ(r, u), değeri 1 olan sabit fonksiyon ise, ƒ’nin R üzerindeki integrali R’nin alanıdır. u –p 2 L r 1’de r 1 cos u’da çıkar girer Kutupsal Koordinatlarda Alan Kutupsal koordinat düzleminde kapalı ve sınırlı bir R bölgesinin alanı fiEK‹L 15.23 Örnek 1’deki bölge için kutupsal koordinatlarda integrasyon sınırlarını bulmak.. A = 6 r dr du. R ile bulunur. Bu alan formülü, ispatlamayacağımız halde, daha önceki bütün formüllerle uyumludur. y p 4 r ⫽ 兹4 cos 2u’da ayrılır x r ⫽ 0’da girer –p 4 ÖRNEK 2 Kutupsal Koordinatlarda Alan Bulmak 2 r = 4 cos 2u fiyonguyla çevrelenen bölgenin alanını bulun. Çözüm İntegrasyon sınırlarını belirlemek için fiyongu çizer (Şekil 15.24) ve simetriden dolayı toplam alanın, birinci dörtte bir bölgedeki kısmın 4 katı olduğunu görürüz. r2 ⫽ 4 cos 2u fiEK‹L 15.24 Renkli bölge üzerinde integral almak için, r’yi 0’dan 24 cos 2u ’ya ve u’yı da 0’dan p@4’e götürürüz (Örnek 2). p>4 A = 4 L0 L0 24 cos 2u p>4 r dr du = 4 L0 p>4 = 4 L0 2 cos 2u du = 4 sin 2u d c r = 24 cos 2u r2 d 2 r=0 du p>4 = 4. 0 Kartezyen ‹ntegralleri Kutupsal ‹ntegrallere Çevirmek Kartezyen bir 4R ƒsx, yd dx dy integralini kutupsal bir integrale çevirme prosedürünün iki adımı vardır. Önce x = r cos u ve y = r sin u yazın ve Kartezyen integraldeki dx dy yerine r dr du koyun. Sonra R’nin sınırı için kutupsal integrasyon sınırlarını bulun. Bu durumda Kartezyen integral, G kutupsal koordinatlardaki integrasyon bölgesini belirtmek üzere, 6 R ƒsx, yd dx dy = 6 ƒsr cos u, r sin ud r dr du, G halini alır. Bu, Bölüm 5’teki değişken değiştirme yöntemi gibidir. Yalnız bu defa bir yerine değiştirilmesi gereken iki değişken vardır. dx dy yerine, dr du değil, r dr du yazıldığına dikkat edin. Katlı integrallerde değişken dönüşümünün (yerine koyma) daha genel bir incelemesi Bölüm 15.7’de verilmiştir. 1096 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller y u 1 ÖRNEK 3 p 2 Birinci dörtte bir bölgede x2 + y2 = 1 çeyrek çemberiyle sınırlı, d(x, y) = 1 yoğunluklu ince plakanın orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. x2 y2 1, r 1 u0 0 1 Kartezyen ‹ntegralleri Kutupsal ‹ntegrallere Çevirmek Çözüm İntegrasyon sınırlarını belirlemek için plakayı çizeriz (Şekil 15.25). Kartezyen koordinatlarda, kutupsal moment x 21 - x2 1 sx 2 + y 2 d dy dx. L0 L0 fiEK‹L 15.25 Kutupsal koordinatlarda, bu bölge basit eşitsizliklerle tanımlanır: 0r1 ve 0 u p@2 (Örnek 3). integralinin değeridir. y’ye göre integrasyon, tablosuz hesaplanması zor olan 1 L0 s1 - x 2 d3>2 b dx, 3 ax 2 21 - x 2 + integralini verir. Esas integrali kutupsal koordinatlara çevirirsek, işler kolaylaşır. x = r cos u, y = r sin u almak ve dx dy yerine r dr du yazarak, 1 21 - x 2 p>2 sx 2 + y 2 d dy dx = L0 L0 L0 L0 p>2 = 1 L0 c sr 2 d r dr du r=1 r4 d du = 4 r=0 L0 p>2 p 1 du = . 4 8 elde ederiz. Kutupsal koordinatlara dönüşüm burada neden bu kadar etkilidir? Bir neden x2 + y2’nin r2’ye sadeleşmesidir. Diğeri integrasyon sınırlarının sabitlere dönüşmesidir. y 1 up –1 y 兹1 x2 r1 u0 0 1 fiEK‹L 15.26 Örnek 4’teki yarı dairesel bölge 0 r 1 ve 0 u p bölgesidir. ÖRNEK 4 Kutupsal Koordinatlar Kullanarak ‹ntegral Hesaplamak R, x-ekseni ve y = 21 - x 2 eğrisiyle sınırlı yarım dairesel bölge olmak üzere (Şekil 15.26) 2 6 x 2 ex + y dy dx, R integralini hesaplayın. Çözüm Kartezyen koordinatlarda, söz konusu integral elemanter olmayan bir integraldir 2 2 ve e x + y ’yi x’e veya y’ye göre integre etmenin doğrudan bir yolu yoktur. Yine de bu integral ve buna benzer başka integraller matematikte —örneğin istatistikte— önemlidir ve bunu hesaplamanın bir yolunu bulmamız gerekir. Kutupsal koordinatlar sorunu çözer. x = r cos u, y = r sin u almak ve dy dx yerine r dr du yazmak integrali 2 6 p 2 e x + y dy dx = R L0 L0 1 p 2 e r r dr du = L0 1 1 2 c e r d du 2 0 p = p 1 se - 1d du = se - 1d. 2 L0 2 2 olarak hesaplamamızı sağlar. r dr du’daki r, er ’yi hesaplamak için ihtiyacımız olan şeydir. O olmadan, devam edemezdik, başlangıçtaki gibi çakılır kalırdık. 15.3 Kutupsal Formda ‹ki Katl› ‹ntegraller 1097 ALIfiTIRMALAR 15.3 Kutupsal ‹ntegralleri Hesaplamak Kütle ve Momentler 1–16 alıştırmalarında, Kartezyen integrali eşdeğer bir kutupsal integrale çevirin. Sonra kutupsal integrali hesaplayın. 23. Bir plakanın birinci momenti Alttan x-ekseni ve üstten r = 1 – cos u kardioidiyle sınırlı, sabit d(x, y) = 3 yoğunluklu ince plakanın x-ekseni etrafındaki birinci momentini bulun. 21 - x 2 1 1. L0 L0 4. 1 L-a L-2a2 - x 2 2 dy dx 6. L0 L0 8. 0 2 L-1 L-21 - x 1 + 2x2 + y2 L0 L0 sx2 + y2 d dy dx 24 - y 2 sx2 + y2 d dx dy L0 L0 2 x dx dy dy dx 21 - y 2 L-1 L-21 - y2 y 0 9. sx 2 + y 2 d dx dy 21 - x 2 L-1 L-21 - x 2 2a2 - x 2 6 7. 2. 21 - y2 a 5. dy dx L-1 L0 1 3. 1 x y dy dx dy dx 2 1 10. 4 2x 2 + y 2 0 2 2 L-1 L-21 - y 1 + x + y dx dy 2 2sln 2d2 - y 2 ln 2 11. L0 L0 1 12. 14. 2 2 x + y x2 + y2 dy dx 0 2 xy dx dy 21 - y 2 L-1 L-21 - y 2 1 16. 21 - sx - 1d2 L0 L-21 - sy - 1d2 1 15. 2 L0 L0 2 2 e-sx + y d dy dx L0 L0 2 13. 21 - x 2 e2x + y dx dy ln sx2 + y2 + 1d dx dy 21 - x 2 2 dy dx 2 2 L-1 L-21 - x s1 + x + y d 2 2 Kutupsal Koordinatlarda Alan Bulmak 17. Birinci dörtte bir bölgeden r = 2(2 – sin 2u)1@2 eğrisiyle kesilen bölgenin alanını bulun. 18. Kardioid ve çember r = 1 + cos u kardioidinin içinde ve r = 1 çemberinin dışında kalan bölgenin alanını bulun. 19. Bir gülün yaprağı r = 12 cos 3u gülünün bir yaprağıyla çevreli bölgenin alanını bulun. 20. Salyangoz kabuğu Pozitif x-ekseni ve r = 4u@3, 0 u 2p, spiraliyle çevrili bölgenin alanını bulun. Bölge bir salyangoz kabuğuna benzer. 21. Birinci dörtte bir bölgede kardioid Birinci dörtte bir bölgeden r = 1 + sin u kardioidiyle kesilen bölgenin alanını bulun. 22. Örtüşen kardioidler r = 1 + cos u ve r = 1 – cos u kardioidlerinin ikisinde de bulunan bölgenin alanını bulun. 24. Bir diskin eylemsizlik ve kutupsal momentleri x2 + y2 = a2 çemberiyle sınırlı dairenin (x, y) noktasındaki yoğunluğu, k bir sabit olmak üzere, d(x, y) = k(x2 + y2) ise, dairenin x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentiyle orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. 25. Bir plakanın kütlesi r = 3 çemberinin dışında ve r = 6 sin u çemberinin içindeki bölgeyi kaplayan ince plakanın yoğunluk fonksiyonu d(x, y) = 1@r ise, plakanın kütlesini bulun. 26. Bir çember ile örtüşen kardioidin kutupsal momenti r = 1 – cos u kardioidinin içinde ve r = 1 çemberinin dışındaki bölgeyi kaplayan ince plakanın yoğunluk fonksiyonu d(x, y) = 1@r2 ise, plakanın orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. 27. Bir kardioid bölgenin merkezi r = 1 + cos u kardioidiyle çevrili bölgenin merkezini bulun. 28. Bir kardioid bölgenin kutupsal momenti r = 1 + cos u kardioidiyle çevrili bölgeyi kaplayan ince plakanın yoğunluk fonksiyonu d(x, y) = 1 ise, plakanın orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. Ortalama De¤erler 29. Bir yarım kürenin ortalama yüksekliği xy-düzleminde x2 + y2 a2 dairesinin üzerindeki z = 2a 2 - x 2 - y 2 yarım küresinin ortalama yüksekliğini bulun. 30. Bir koninin ortalama yüksekliği xy-düzleminde x2 + y2 a2 dairesinin üstündeki z = 2x 2 + y 2 konisinin ortalama yüksekliğini bulun. 31. Bir diskin içinden merkezine ortalama uzaklık x2 + y2 a2 dairesinin içindeki bir P(x, y) noktasından orijine ortalama uzaklığı bulun. 32. Bir diskin içindeki bir noktadan sınırındaki bir noktaya uzaklığın karesinin ortalaması x2 + y2 1 dairesindeki P(x, y) noktasının A(1, 0) sınır noktasına uzaklığının karesinin ortalama değerini bulun. Teori ve Örnekler 33. Kutupsal integrale dönüşüm ƒ(x, y) = [ln sx 2 + y 2 d]> 2x 2 + y 2’yi 1 x2 + y2 e bölgesinde integre edin. 34. Kutupsal integrale dönüşüm ƒ(x, y) = [ln sx 2 + y 2 d]>sx 2 + y 2 d’yi 1 x2 + y2 e2 bölgesinde integre edin. 35. Dairesel olmayan dik silindirin hacmi r = 1 + cos u kardiodinin içinde ve r = 1 çemberinin dışındaki bölge, içi dolu bir silindirin tabanıdır. Silindirin tepesi z = x düzlemindedir. Silindirin hacmini bulun. 1098 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 36. Dairesel olmayan dik silindirin hacmi r2 = 2 cos 2u fiyonguyla çevrili bölge, tepesi z = 22 - r 2. küresiyle sınırlı, içi dolu silindirin tabanıdır. Silindirin hacmini bulun. 37. Kutupsal integrallere dönüşüm q 2 a. Genelleştirilmiş I = 10 e-x dx integralini hesaplamanın genel yolu karesini integre etmektir: I = a 2 q L0 e -x 2 dxb a q L0 q e -y 2 dyb = L0 L0 e -sx 2 + y 2d dx dy. x 2e -t x: qL 0 2 2p dt. 38. Bir kutupsal integrale dönüşüm Aşağıdaki integrali hesaplayın. q L0 L0 q 1 s1 + x 2 + y 2 d2 dx dy. 39. Varlık ƒ(x, y) = 1@(1 – x2 – y2) fonksiyonunu x2 + y2 3@4 dairesi üzerinde integre edin. ƒ(x, y)’nin x2 + y2 1 dairesi üzerinde integrali var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. 40. Kutupsal koordinatlarda alan formülü Kutupsal koordinatlarda iki katlı integrali kullanarak, orijin ile kutupsal r = ƒ(u), a u b, eğrisi arasında kalan pervane şekilli bölgenin alanı için b A = 3p>4 A = 2 sin u Lp>4 Lcsc u r dr du. olduğunu varsayın. Bölgeyi çizin ve alanını bulun. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Koordinat Dönüflümleri b. Aşağıdaki integrali hesaplayın. lim erf sxd = lim 42. Alan Kutupsal koordinat düzlemindeki bir bölgenin alanının q Son integrali kutupsal koordinatları kullanarak hesaplayın ve ortaya çıkan I denklemini çözün. x: q berin merkezine uzaklığı göstersin. Keyfi bir P noktasından P0’a olan uzaklık d ile gösterilsin. Çemberin çevrelediği bölgede d2’nin ortalama değerini bulun (İpucu: Çemberin merkezini orijine, P0’ı da x-eksenine yerleştirerek işinizi kolaylaştırın). 1 2 r du La 2 formülünü türetin. 43–46 alıştırmalarında, Kartezyen integralleri kutupsal integrallere dönüştürmek ve kutupsal integrali hesaplamak için bir BCS kullanın. Aşağıdaki adımları gerçekleştirin. a. xy-düzleminde Kartezyen integrasyon bölgesini çizin. b. (a) şıkkındaki Kartezyen bölgenin her sınırlayıcı eğrisini Kartezyen denkleminden r ve u’yı çözerek kutupsal temsiline dönüştürün. c. (b) şıkkındaki sonuçları kullanarak, ru-düzlemindeki kutupsal integrasyon bölgesini çizin. d. İntegrandı Kartezyen koordinatlardan kutupsal koordinatlara dönüştürün. (c) şıkkındaki çiziminizden integrasyon sınırlarını belirleyin ve BCS integrasyon komutunu kullanarak kutupsal integrali hesaplayın. 1 1 1 x>2 y x 43. 44. dy dx dy dx 2 2 2 x + y x + y2 L0 L0 L0 Lx 1 y>3 1 2-y y 45. dx dy 46. 2x + y dx dy L0 Ly L0 L-y>3 2x 2 + y 2 41. Bir disk içinde verilen bir noktaya ortalama uzaklık P0, a yarıçaplı bir çember içinde bir nokta olsun ve h de P0’dan çem- 15.4 Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller İki katlı intergallerin, tek katlı integrallerle üstesinden gelebildiklerimizden daha genel konularla ilgilenmemize olanak sağladığı gibi, üç katlı integraller daha da genel problemleri çözmemizi sağlar. Üç katlı integralleri üç boyutlu şekillerin hacimlerini, değişken yoğunluklu katı cisimlerin kütle ve momentlerini ve üç boyutlu bir bölge üzerinde bir fonksiyonun ortalama değerini hesaplamak için kullanırız. Bölüm 16’da göreceğimiz gibi, üç katlı integraller, üç boyutta vektör alanları araştırmaları ve akışkan akışında da ortaya çıkarlar. Üç Katl› ‹ntegraller F(x, y, z) uzayda kapalı, sınırlı bir D bölgesinde — örneğin bir top veya bir parça kil tarafından işgal edilen bölge — tanımlanmış bir fonksiyon ise, F’nin D üzerindeki integrali şu 15.4 z n zk yk 1099 şekilde tanımlanabilir. D’yi içeren dikdörtgensel kutu gibi bir bölgeyi koordinat düzlemlerine paralel kenarları olan dikdörtgensel hücrelere böleriz (Şekil 15.27). D’nin içindeki hücreleri herhangi bir sıra ile 1’den n’ye kadar numaralandırırız. k. hücrenin boyutları xk, yk, zk ve hacmi Vk = xkykzk’dır. Her hücreden bir (xk, yk, zk) noktası seçer ve (xk, yk, zk) D Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller Sn = a Fsxk , yk , zk d ¢Vk. x y fiEK‹L 15.27 Bir katı cismi Vk hacimli hücrelere bölme. (1) k=1 xk toplamını oluştururuz. D’nin, xk, yk, zk ve bölünüşün normu 7P7, xk, yk, zk değerlerinden en büyüğü, hepsi birden sıfıra gidecek şekilde, giderek küçülen hücrelerle bölümlenmelerinde ne olduğu ile ilgileniyoruz. Bölünüşler ve (xk, yk, zk) noktaları nasıl seçilirse seçilsin, tek bir limite ulaşılıyorsa, F fonksiyonu D üzerinde integrallenebilir deriz. Önceki gibi, F sürekliyse ve D bölgesi sonlu sayıda düzgün yüzeyin sonlu sayıda düzgün eğri boyunca birleşmesi ile oluşuyorsa F’nin integrallenebilir olduğu gösterilebilir. 7P7 : 0 ve hücrelerin sayısı, n, ’a giderken Sn toplamları bir limite yakınsar. Bu limite, F’nin D üzerindeki üç katlı integrali deriz ve lim Sn = n: q Fsx, y, zd dV 9 veya or lim Sn = ƒ ƒ P ƒ ƒ :0 D 9 Fsx, y, zd dx dy dz. D yazarız. Sürekli fonksiyonların üzerlerinde integrallenebilir olduğu D bölgeleri, küçük dikdörtgensel hücrelerle yaklaşım yapılabilen bölgelerdir. Uygulamalarda karşılaşılan bölgeler böyle bölgelerdir. Uzayda Bir Bölgenin Hacmi F, değeri 1 olan sabit fonksiyon ise, (1) denklemindeki toplamlar Sn = a Fsxk , yk , zk d ¢Vk = a 1 # ¢Vk = a ¢Vk . haline indirgenir. xk, yk ve zk sıfıra yaklaşırken, Vk hücreleri daha küçülür, sayıları artar ve D’nin daha fazlasını doldururlar. Bu nedenle D’nin hacmini n lim a ¢Vk = n: q k = 1 9 dV. D üç katlı integrali olarak tanımlarız. TANIM Hacim Uzayda kapalı, sınırlı bir D bölgesinin hacmi V = 9 dV. D integraliyle verilir. Gerçeklenmesini atlamakla birlikte bu tanım daha önceki hacim tanımlarımızla uygunluk içindedir. Biraz sonra göreceğimiz gibi, bu integral eğrisel yüzeylerle sınırlı cisimlerin hacimlerini hesaplamamızı sağlar. 1100 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ‹ntegrasyon S›n›rlar›n› Bulmak Üç katlı bir integrali, Fubini Teoreminin (Bölüm 15.1) üç-boyutlu bir versiyonunu uygulayarak, ardışık üç integrasyonla hesaplarız. İki katlı integrallerde olduğu gibi, bu ardışık integrallerin integrasyon sınırlarını bulmak için geometrik bir prosedür vardır. Bir D bölgesi üzerinde 9 Fsx, y, zd dV D integralini hesaplamak için, önce z’ye sonra y’ye ve en sonunda x’e göre integral alın. 1. Bir çizim: D bölgesini xy-düzlemindeki “gölgesi” R (dik iz düşüm) ile birlikte çizin. D’nin alt ve üst sınır yüzeyleri ile R’nin alt ve üst sınır eğrilerini adlandırın. z z ⫽ f2(x, y) D z ⫽ f1(x, y) y y ⫽ g1(x) a b x 2. y ⫽ g2(x) R İntegrasyonun z-sınırlarını bulun: R’deki tipik bir (x, y) noktasından geçen, z-eksenine paralel bir M doğrusu çizin. z arttıkça, M, D’ye z = ƒ1(x, y)’den girer ve z = ƒ2(x, y)’den çıkar. Bunlar integrasyonun z-sınırlarıdır. z M z f2(x, y)’den çıkar D z f1(x, y)’den girer y a b x y g1(x) R (x, y) y g2(x) 15.4 3. Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 1101 İntegrasyonun y-sınırlarını bulun : (x, y)’den geçen, y-eksenine paralel bir L doğrusu çizin. y arttıkça, L, R’ye y = g1(x) den girer ve y = g2(x)’den çıkar. Bunlar integrasyonun y-sınırlarıdır. z M D y g1(x)’ten girer a y x x 4. L (x, y) b R y g2(x)’ten çıkar İntegrasyonun x-sınırlarını bulun: R’den geçen, y-eksenine paralel bütün doğruları içeren x-sınırları seçin (yukarıdaki şekilde x = a ve x = b). Bunlar integrasyonun x-sınırlarıdır. İntegral x=b y = g2sxd z = ƒ2sx, yd Lx = a Ly = g1sxd Lz = ƒ1sx, yd Fsx, y, zd dz dy dx. olur. İntegrasyon sırasını değiştirirseniz, benzer prosedürler izleyin. D’nin “gölgesi” ardışık integrasyonun gerçekleştiği son iki değişkenin düzleminde bulunur. Yukarıdaki prosedür, D bölgesi, üstten ve alttan bir yüzeyle, ‘‘gölge’’ R bölgesi de alt ve üst eğrilerle sınırlı olduğu her durumda uygulanır. Bu prosedür, bazı hallerde bölgeyi basit bölgelere ayırarak prosedürü uygulamak mümkün olsa bile, içinde karmaşık delikler içeren bölgelere uygulanamaz. ÖRNEK 1 2 Bir Hacim Bulmak 2 z = x + 3y Çözüm ve z = 8 – x2 – y2 yüzeyleriyle çevrelenen D bölgesinin hacmini bulun. Hacim, F(x, y, z) = 1’in D üzerindeki V = 9 dz dy dx, D integralidir. İntegrali hesaplamak için integrasyon sınırlarını bulmak üzere önce bölgeyi çizeriz. Yüzeyler (Şekil 15.28) x2 + 3y2 = 8 – x2 – y2 veya x2 + 2y2 = 4, z 0 eliptik silindiri üzerinde kesişirler. D’nin xy-düzlemine izdüşümü olan R bölgesinin sınırı, denklemi aynı olan bir elipstir: x2 + 2y2 = 4. R’nin “üst” sınırı y = 1s4 - x 2 d>2. eğrisidir. Alt sınır ise y = - 1s4 - x 2 d>2. eğrisidir. 1102 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller z M z8 çıkar x2 y2 ’den z 8 x2 y2 Kesişim eğrisi D (–2, 0, 4) z x2 3y2 (2, 0, 4) z x2 3y2’den girer (–2, 0, 0) y –兹(4 x2)/2’den girer. (2, 0, 0) x x (x, y) x2 2y2 4 R L y 兹(4 y x2)/2’den çıkar fiEK‹L 15.28 İki paraboloid tarafından çevrelenen bu bölgenin hacmi Örnek 1’ de hesaplanmaktadır. İntegrasyonun z-sınırlarını bulalım. R’nin tipik bir (x, y) noktasından, z-eksenine paralel olarak geçen M doğrusu D’ye z = x2 + 3y2’den girer ve z = 8 – x2 – y2’den çıkar. Şimdi de integrasyonun y-sınırlarını bulalım. (x, y)’den, y-eksenine paralel olarak geçen L doğrusu R’ye y = - 2s4 - x 2 d>2’den girer ve y = 2s4 - x 2 d>2.’den çıkar. Son olarak integrasyonun x-sınırlarını buluruz. L, R’yi tararken, x’in değeri (–2, 0, 0)’da x = –2’den (2, 0, 0)’da x = 2’ye kadar değişir. D’nin hacmi V = 9 dz dy dx D 2 = L-2 2 = L-2 2 = L-2 dz dy dx 2s4 - x 2d>2 L-2 L-2s4 - x 2d>2 2 = 8 - x2 - y2 L-2 L-2s4 - x 2d>2 Lx 2 + 3y 2 2 = 2s4 - x 2d>2 s8 - 2x 2 - 4y 2 d dy dx cs8 - 2x 2 dy - y = 2s4 - x 2d>2 4 3 y d dx 3 y = -2s4 - x 2d>2 a2s8 - 2x 2 d 8 4 - x2 4 - x2 - a b 2 3 2 B c8 a = 8p22. 4 - x2 b 2 3>2 - 8 4 - x2 a b 3 2 3>2 3>2 d dx = b dx 422 2 s4 - x 2 d3>2 dx 3 L-2 x = 2 sin u dönüşümü ile integrasyondan sonra 15.4 Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 1103 Sıradaki örnekte, farklı bir integrasyon sırasının nasıl kullanıldığını göstermek için D’yi xy-düzlemi yerine xz-düzlemine iz düşürüyoruz. ÖRNEK 2 z Köşeleri (0, 0, 0), (1, 1, 0), (0, 1, 0) ve (0, 1, 1)’de olan dört yüzlü ile sınırlı D bölgesinde bir F(x, y, z) fonksiyonunun üç katlı integrali için integrasyon sınırlarını belirleyin. (0, 1, 1) 1 R xz1 doğrusu L yxz D y1 (0, 1, 0) M (x, z) 1 x y x z’den girer y 1’den çıkar ‹ntegrasyon S›n›rlar›n› dy dz dx S›ras›nda Bulmak y Çözüm D’yi xz-düzlemindeki “gölgesi” R ile birlikte çizeriz (Şekil 15.29). D’nin üst (sağ taraftaki) sınır yüzeyi y = 1 düzlemindedir. Alt (sol taraftaki) sınır yüzey y = x + z düzlemindedir. R’nin üst sınırı z = 1 – x doğrusudur. Alt sınır z = 0 doğrusudur. Önce integrasyonun y-sınırlarını buluruz. R’nin tipik bir (x, z) noktasından y-eksenine paralel olarak geçen doğru D’ye y = x + z’den girer ve y = 1’den çıkar. Sonra integrasyonun z-sınırlarını buluruz. (x, z)’den z-eksenine paralel olarak geçen L doğrusu R’ye z = 0’dan girer ve z = 1 – x’ten çıkar. Son olarak integrasyonun x-sınırlarını buluruz. L, R’yi tararken, x’in değerleri x = 0’dan x = 1’e değişir. İntegral (1, 1, 0) 1 1-x L0 L0 x 1 Fsx, y, zd dy dz dx. Lx + z olur. fiEK‹L 15.29 Dört yüzlü ile sınırlı D bölgesinde tanımlı bir fonksiyonun üç katlı integralini hesaplamak için integrasyon sınırlarını bulmak (Örnek 2). ÖRNEK 3 Örnek 2’yi dz dy dx S›ras› ‹le Tekrarlamak F(x, y, z)’yi dört yüzlü ile sınırlı D bölgesinde dz dy dx sırası ile integre etmek için adımları aşağıdaki gibi düzenleriz. Önce integrasyonun z-sınırlarını buluruz. xy-düzlemindeki ‘‘gölge’’ nin tipik bir (x, y) noktasından z-eksenine paralel olarak geçen bir doğru D’ye z = 0’dan girer ve denklemi z = y – x olan üst yüzeyinden çıkar (Şekil 15.29). Sonra integrasyonun y-sınırlarını buluruz. xy-düzleminde, z = 0, dörtyüzlünün eğik yüzeyi düzlemi y = x doğrusu boyunca keser. (x, y)’den y-eksenine paralel olarak geçen bir doğru xy-düzlemindeki gölge’ye y = x’ten girer ve y = 1’den çıkar. Son olarak integrasyonun x-sınırlarını buluruz. Önceki adımdaki y-eksenine paralel doğru gölgeyi tararken, x’in değerleri x = 0’dan (1, 1, 0)’da x = 1’e değişir. İntegral 1 1 y-x Fsx, y, zd dz dy dx. L0 Lx L0 olur. Örneğin, F(x, y, z) = 1 ise 1 V = 1 L0 Lx L0 1 = L0 Lx s y - xd dy dx y=1 1 c y 2 - xy d dx 2 0 y=x L 1 = dz dy dx 1 1 = y-x L0 a 1 1 - x + x 2 b dx 2 2 1 1 1 1 = c x - x2 + x3d 2 2 6 0 1 = . 6 bulunur. 1104 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Aynı sonucu dy dz dx sırasıyla integre ettiğimizde de buluruz, 1 V = 1-x L0 L0 1 Lx + z 1 . 6 dy dz dx = Gördüğümüz gibi, bazen (ama her zaman değil) iki katlı integralleri hesaplamak için ardışık tek katlı integraller iki farklı sırada alınabilir. dx, dy ve dz altı farklı şekilde sıralanabildiğinden, üç katlı integraller için bu sayı altı olabilir. Her sıralama, uzaydaki integrasyon bölgesinin farklı bir tanımlamasını ve farklı integrasyon sınırları verir. ÖRNEK 4 z Farkl› ‹ntegrasyon S›ralar›n› Kullanmak Aşağıdaki integrallerden her biri Şekil 15.30’da gösterilen katı cismin hacmini verir. 1 1 yz1 (a) 1 L0 L0 1 y (c) 2 2 L0 2 2 L0 L0 L0 1 dx dy dz (b) dy dx dz (d) dz dx dy (f) 1-y L0 L0 1-z L0 L0 L0 1 (e) 1-z 2 2 L0 1 1-z L0 L0 L0 1-y 2 1 L0 L0 L0 dx dz dy dy dz dx 1-y dz dy dx x (b) ve (c)’deki integralleri hesaplıyoruz. fiEK‹L 15.30 Örnek 4, bu prizmanın hacmi için altı farklı ardışık üç katlı integral verir. 1 V = 1-y L0 L0 1 = L0 dx dz dy (b)’deki integral 1-y 2 dz dy L0 L0 1 = 2 L0 c2z d z=1-y dy z=0 1 = L0 2s1 - yd dy = 1. Ve 1 V = 2 L0 L0 L0 1 = L0 dy dx dz (c)’deki integral 2 L0 L0 1 = 1-z s1 - zd dx dz cx - zx d x=2 dz x=0 15.4 Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 1105 1 = L0 s2 - 2zd dz =1 (a), (d), (e) ve (f)’deki integraller de V = 1’i verir. Uzayda Bir Fonksiyonun Ortalama De¤eri Bir F fonksiyonunun uzayda bir D bölgesindeki ortalama değeri F’nin D’deki ortalama değeri Average value of F over D == 1 F dV. volume of D 9 D’nin hacmi (2) D integraliyle hesaplanır. Örneğin, Fsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2, ise, F’nin D’deki ortalama değeri, D’deki noktaların orijine olan uzaklıkları ortalamasıdır. F(x, y, z), uzayda bir D bölgesini dolduran cismin (x, y, z) noktasındaki sıcaklığı ise, F’nin D’deki ortalama değeri, cismin ortalama sıcaklığıdır. ÖRNEK 5 z Bir Ortalama De¤er Bulmak F(x, y, z) = xyz’nin koordinat düzlemleri ve x = 2, y = 2 ve z = 2 düzlemleriyle sınırlı küp bölge üzerinde ortalama değerini bulun. 2 2 y 2 x Çözüm Kübü, integrasyon sınırlarını gösterecek kadar detayla birlikte çizeriz (Şekil 15.31). Sonra (2) denklemini kullanarak F’nin küp bölge üzerindeki ortalama değerini buluruz. Kübün hacmi (2)(2)(2) = 8’dir. F’nin küp üzerindeki integralinin değeri 2 2 L0 L0 L0 2 2 xyz dx dy dz = fiEK‹L 15.31 Örnek 4’teki integrasyon bölgesi. L0 L0 2 = 2 L0 c x=2 2 2 x2 yz d dy dz = 2yz dy dz 2 x=0 L0 L0 cy 2z d y=2 2 dz = y=0 L0 2 4z dz = c2z 2 d = 8. 0 bulunur. Bu değerlerle (2) denklemi 1 1 Average value of = xyz’nin küp üzerindeki xyz dV = a bs8d = 1. 8 volume xyz overdeğeri the cube ortalama hacmi 9 küp cube verir. İntegrali hesaplarken, dx, dy, dz sırasını seçtik, ama diğer beş olası sıra da aynı işe yarar. Üç Katl› ‹ntegrallerin Özellikleri Üç katlı integraller tek ve iki katlı integrallerle aynı cebirsel özelliklere sahiptir. 1106 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Üç Katlı İntegrallerin Özellikleri F = F(x, y, z) ve G = G(x, y, z) sürekli ise: Sabitle Çarpım: 1. 9 D Toplam ve Fark: 2. kF dV = k F dV 9 (herhangi bir k) sany number kd D sF ; Gd dV = F dV ; G dV 9 9 9 D D D Baskınlık: 3. (a) D’de F 0 ise, 9 F dV Ú 0 if F Ú 0 on D 9 F dV Ú G dV D (b) D’de F G ise, D 9 if F Ú G on D D Toplanabilirlik : D, birbiri ile örtüşmeyen D1 ve D2 bölgelerinin birleşimi ise 4. 9 F dV = D 9 F dV + E 9 D1 F dV D2 olur. ALIfiTIRMALAR 15.4 Farkl› Tekrarlarla Üç katl› ‹ntegralleri Hesaplamak Üç Katl› Ard›fl›k ‹ntegralleri Hesaplamak 1. Dörtyüzlünün hacmini bulmak için F(x, y, z) = 1 alarak Örnek 2’deki integrali hesaplayın. 7–20 alıştırmalarındaki integralleri hesaplayın. 2. Dikdörtgensel cismin hacmi Birinci sekizde bir bölgede koordinat düzlemleri, x = 1, y = 2 ve z = 3 düzlemleriyle sınırlı dikdörtgen prizma şeklindeki cismin hacmi için altı farklı ardışık üç katlı integral yazın. İntegrallerden birini hesaplayın. 3. Dörtyüzlünün hacmi Birinci sekizde bir bölgeden 6x + 3y + 2z = 6 düzlemiyle kesilen dört yüzlünün hacmi için altı farklı ardışık üç katlı integral yazın. İntegrallerden birini hesaplayın. 4. Bir cismin hacmi Birinci sekizde bir bölgeden x2 + z2 = 4 silindiri ve y = 3 düzlemiyle kesilen bölgenin hacmi için altı farklı ardışık üç katlı integral yazın. İntegrallerden birini hesaplayın. 2 2 2 2 5. Paraboloidlerle sınırlanan hacim D, z = 8 – x – y ve z = x + y paraboloidleriyle sınırlı bölge olsun. D’nin hacmi için altı farklı ardışık üç katlı integral yazın. İntegrallerden birini hesaplayın. 6. Paraboloidin içinde bir düzlemin altındaki hacim D, z = x2 + y2 paraboloidi ve z = 2y düzlemiyle sınırlı bölge olsun. D’nin hacmini veren, dz dx dy ve dz dy dx sıralı ardışık üç katlı integraller yazın. İntegralleri hesaplamayın. 1 7. 1 L0 Lx + 3y L0 3 - 3x L0 L0 1 12. 2-x L0 L0 1 xyz dx dy dz p y sin z dx dy dz 14. p 24 - y 2 2x + y L0 L-24 - y L0 1 dz dy dx 16. L0 L0 1 - x2 4 - x2 - y L3 p e yw-uzayı) cos su + y + wd du dy dw (u suyw-spaced e L1 L1 L1 ln r ln s ln t dt dr ds (rst-uzayı) srst-spaced ln sec y dz dx dy 2 L0 L0 p L0 L0 L0 2 dz dy dx 2-x-y L0 L0 L0 L0 L1 L1 L1 1 29 - x 2 L0 p>4 19. 11. e sx + y + zd dy dx dz L0 L0 e 18. dz dy dx e 1 29 - x 2 p 17. 9. 3 - 3x - y L-1 L-1 L-1 1 15. e dz dx dy 2 L0 1 3 13. 8 - x2 - y2 3y 2 1 10. sx 2 + y 2 + z 2 d dz dy dx L0 L0 L0 22 8. 1 2t L- q yx-uzayı) e x dx dt dy (tstyx-spaced x dz dy dx 15.4 7 20. 2 24 - q 2 L0 L0 L0 q dp dq dr (pqr-uzayı) spqr-spaced r + 1 Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 1107 24. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve x + z = 1, y + 2z = 2 düzlemleri ile sınırlı bölge z Üç Katl› ‹ntegrallerle Hacimler 21. Aşağıda 1 1 1-y dz dy dx . L-1 Lx 2 L0 integralin bölgesi verilmektedir. y x z Üst: y z 1 Yan: y x2 1 25. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri, y + z = 2 düzlemi ve x = 4 – y2 silindiri ile sınırlı bölge. –1 (–1, 1, 0) z 1 1 x y (1, 1, 0) İntegrali aşağıdaki sıralarda ardışık bir integral olarak yazın. a. dy dz dx b. dy dx dz c. dx dy dz d. dx dz dy y e. dz dx dy. x 22. Aşağıda 1 y2 0 L0 L-1 L0 dz dy dx. 26. x2 + y2 = 1 silindirinden z = – y ve z = 0 düzlemleriyle kesilen bölge. integralin bölgesi verilmektedir. z (0, –1, 1) z 1 z y2 (1, –1, 1) y 0 (1, –1, 0) y 1 x x İntegrali aşağıdaki sıralarda ardışık bir integral olarak yazın. a. dy dz dx b. dy dx dz c. dx dy dz d. dx dz dy 27. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve (1, 0, 0), (0, 2, 0) ve (0, 0, 3) noktalarından geçen düzlem ile sınırlı dört yüzlü bölge. e. dz dx dy. 23–36 alıştırmalarındaki bölgelerin hacmini bulun. z 23. z = y2 silindiriyle xy-düzlemi arasında, x = 0, x = 1, y = –1, y = 1 düzlemleri ile sınırlı bölge. (0, 0, 3) z (1, 0, 0) y x x (0, 2, 0) y 1108 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 28. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri, y = 1 – x düzlemi ve z = cos(px@2), 0 x 1, yüzeyi ile sınırlı bölge. 32. x2 + y2 = 4 silindirinden z = 0 düzlemi ve x + z = 3 düzlemi ile kesilen bölge. z z y x 29. x2 + y2 = 1 ve x2 + z2 = 1 silindirlerinin içinde ortak olan bölgenin, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, sekizde biri. y x z 33. Birinci sekizde bir bölgede, x + y + 2z = 2 ve 2x + 2y + z = 4 düzlemleri arasındaki bölge. 34. z = x, x + z = 8, z = y, y = 8 ve z = 0 düzlemleriyle sınırlı sonlu bölge. x2 y2 1 35. x2 + 4y2 4 eliptik katı silindirden xy-düzlemi ve z = x + 2 düzlemiyle kesilen bölge. 36. Arkadan x = 0 düzlemi, önden ve yanlardan x = 1 – y2 parabolik silindiri, üstten z = x2 + y2 paraboloidi ve alttan xy-düzlemiyle sınırlı bölge. x2 z2 1 0 Ortalama De¤erler y x 30. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve z = 4 – x2 – y yüzeyiyle sınırlı bölge. z 37–40 alıştırmalarında, F(x, y, z)’nin verilen bölgedeki ortalama değerini bulun. 37. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve x = 2, y = 2 ve z = 2 düzlemleriyle sınırlı bölgede F(x, y, z) = x2 + 9 38. Birinci sekizde bir bölgede koordinat düzlemleri ve x = 1 y = 1 ve z = 2 düzlemleriyle sınırlı bölgede F(x, y, z) = x + y – z 39. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve x = 1, y = 1 ve z = 1 düzlemleriyle sınırlı bölgede F(x, y, z) = x2 + y2 + z2 40. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri ve x = 2, y = 2 ve z = 2 düzlemleriyle sınırlı bögede F(x, y, z) = xyz y x 31. Birinci sekizde bir bölgede, koordinat düzlemleri, x + y = 4 ve y2 + 4z2 = 16 silindiriyle sınırlı bölge. ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek 41–44 alıştırmalarındaki integralleri, integrasyon sırasını uygun şekilde değiştirerek hesaplayın. 4 41. z y x L0 L0 dx dy dz 22z 1 2 12xze zy dy dx dz ln 3 pe 2x sin py 2 1 3 L0 L2z L0 2 44. 1 L0 L0 Lx 2 1 43. 2 4 cos sx 2 d L0 L0 L2y 1 42. 1 4 - x2 y2 x dx dy dz sin 2z dy dz dx L0 4 - z 15.5 Üç Boyutta Kütle ve Momentler 1109 B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Teori ve Örnekler 45. Ardışık integralin üst sınırını bulmak 1 4-a-x L0 L0 2 a’yı çözün: Say›sal Hesaplamalar 4 . 15 49–52 alıştırmalarında, verilen fonksiyonun belirtilen bölgedeki üç katlı integralini hesaplamak için bir BCS kullanın. 2 4-x -y dz dy dx = La 2 2 49. x2 + y2 = 1 ile z = 0 ve z = 1 düzlemlerinin sınırladığı katı silindirde F(x, y, z) = x2y2z 2 46. Elipsoid Hangi c değerinde x + (y@2) + (z@c) = 1 elipsoidinin hacmi 8p’ye eşittir? 50. Alttan z = x2 + y2 paraboloidi ve üstten z = 1 düzlemiyle sınırlı bölgede Fsx, y, zd = ƒ xyz ƒ 47. Bir üç katlı integrali minimize etmek Uzaydaki hangi D bölgesi 51. Alttan z = 2x 2 + y 2 konisi ve üstten z = 1 düzlemiyle sınırlı z bölgede Fsx, y, zd = 2 2 sx + y + z 2 d3>2 s4x 2 + 4y 2 + z 2 - 4d dV ? 9 D 52. x2 + y2 + z2 1 küresinde F(x, y, z) = x4 + y2 + z2 integralinin değerinin minimize eder? Yanıtınızı açıklayın. 48. Bir üç katlı integrali maksimize etmek Uzaydaki hangi D bölgesi s1 - x 2 - y 2 - z 2 d dV ? 9 D integralinin değerinin maksimize eder? Yanıtınızı açıklayın. Üç Boyutta Kütle ve Momentler 15.5 Bu bölüm Kartezyen koordinatlarda üç boyutlu cisimlerin kütle ve momentlerinin nasıl hesaplanacağını göstermektedir. Formüller iki boyutlu cisimlerinkilere benzer. Küresel ve silindirik koordinatlardaki hesaplamalar için, Bölüm 15.6’ya bakın. Kütle ve Momentler d(x, y, z), uzayda bir D bölgesini kaplayan bir cismin yoğunluğuysa (birim hacimde kütle), d’nın D’deki integrali cismin kütlesini verir. Nedenini anlamak için, cismi Şekil 15.32’deki gibi n tane kütle elemanlarına böldüğünüzü varsayın. Cismin kütlesi z n mk d(xk, yk, zk) Vk n M = lim a ¢mk = lim a dsxk, yk, zk d ¢Vk = n: q n: q k=1 D dsx, y, zd dV. 9 D limitidir. Şimdi, eylemsizlik momenti için bir formül türetiyoruz. Eğer r(x, y, z), D’deki bir (x, y, z) noktasından bir L doğrusuna olan uzaklık ise, mk = d(xk, yk, zk) Vk kütlesinin L etrafındaki eylemsizlik momenti (Şekil 15.32’te gösterilmektedir) yaklaşık olarak Ik = r2(xk, yk, zk)mk’dir. Bütün cismin L etrafındaki eylemsizlik momenti (xk, yk, zk) r n L x k=1 n IL = lim a ¢Ik = lim a r 2sxk , yk , zk d dsxk , yk , zk d ¢Vk = n: q n: q k=1 y k=1 2 2 olur. L, x-ekseni ise, r = y + z dir (Şekil 15.33) ve fiEK‹L 15.32 Bir cismin kütlesini ve bir doğru etrafındaki eylemsizlik momentini tanımlamak için, önce cismin sonlu sayıda mk kütle elemanına bölündüğünü düşünürüz. Ix = s y 2 + z 2 d d dV. 9 D olur. 9 D 2 r 2d dV. 1110 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller z Aynı şekilde L, y-ekseni veya z-ekseni ise Iy = x 兹x2 y2 兹x2 z2 sx 2 + y 2 d d dV. 9 D Myz = 9 xdsx, y, zd dV D 兹y2 z2 y z y Iz = buluruz. Aynı şekilde, koordinat düzlemlerine göre birinci momentleri de elde edebiliriz. Örneğin, dV 0 x ve and D y x sx 2 + z 2 d d dV 9 x fiEK‹L 15.33 dV’den koordinat düzlem ve eksenlerine uzaklıklar. integrali yz-düzlemine göre birinci momenti verir. Bölüm 15.2’de düzlemsel bölgeler için incelenen kütle ve moment formüllerine benzer formüller Tablo 15.3’ te özetlenmiştir. Uzayda, kat› cisimler için kütle ve moment formülleri. TABLO 15.3 Kütle: M = yoğunluk) sd = dsx, y, zd = densityd d dV 9 D Koordinat düzlemleri etrafında birinci momentler: Myz = 9 x d dV, Mxz = D 9 y d dV, Mxy = D 9 z d dV D Ağırlık merkezi: x = Myz , M y = Mxz , M z = Mxy M Koordinat eksenleri etrafında eylemsizlik momentleri (ikinci momentler): Ix = s y 2 + z 2 d d dV 9 Iy = sx 2 + z 2 d d dV 9 Iz = sx 2 + y 2 d d dV 9 Bir L doğrusu etrafında eylemsizlik momenti: IL = 9 r 2 d dV (r(x, z) noktalarından doğrusuna srsx,y,y,z)zd= (x, = y, distance from theLpoint sx, y,olan zd touzaklık) line Ld Bir L doğrusu etrafında jirasyon yarıçapı: RL = 2IL>M ÖRNEK 1 Uzayda Bir Cismin Kütle Merkezini Bulmak Alttan, z = 0 düzleminde R: x2 + y2 4 dairesi ve üstten z = 4 – x2 – y2 paraboloidiyle sınırlı, sabit d yoğunluklu cismin kütle merkezini bulun (Şekil 15.34). 15.5 z 1111 Simetriden dolayı, ™x = ™y = 0’dır. ™z’yi bulmak için, önce Mxy’yi hesaplarız: Çözüm z = 4 - x2 - y2 Mxy = z 4 x2 y2 z d dz dy dx = 6Lz = 0 R z = 4 - x2 - y2 z2 d 6 2 z=0 c d dy dx R d s4 - x 2 - y 2 d2 dy dx 26 = R k.m. 2p 0 d s4 - r 2 d2 r dr du 2L0 L0 = d 2L0 y x2 y2 4 fiEK‹L 15.34 Bir cismin kütle merkezini bulmak (Örnek 1). 2 = R x Üç Boyutta Kütle ve Momentler 2p c- Kutupsal koordinatlar r=2 16d 1 s4 - r 2 d3 d du = 6 3 L0 r=0 2p du = 32pd . 3 Benzer bir hesaplama 4 - x2 - y2 M = 6L0 d dz dy dx = 8pd. R verir. Dolayısıyla, z = sMxy>Md = 4>3 olur ve kütle merkezi bulunur. sx, y, zd = s0, 0, 4>3d. Katı bir cismin yoğunluğu sabitken (Örnek 1’deki gibi), kütle merkezine (Bölüm 15.2’deki iki boyutlu cisimlerde olduğu gibi) cismin merkezi denir. z ÖRNEK 2 Koordinat Eksenleri Etraf›ndaki Eylemsizlik Momentini Bulmak Şekil 15.35’de gösterilen, sabit d yoğunluklu dikdörtgen şekilli cisim için Ix, Iy ve Iz’yi bulun. Çözüm c Yukarıda verilen Ix formülü c>2 Ix = y a x Bloğun merkezi b b>2 a>2 L-c>2 L-b>2 L-a>2 s y 2 + z 2 d d dx dy dz. verir. (y2 + z2)d’nin x, y ve z’nin bir çift fonksiyonu olduğunu gözlemlersek, integrasyon işinin birazından kurtulabiliriz. Dikdörtgen şekilli cisim, her biri bir bölgede olmak üzere, sekiz simetrik parçadan oluşur. İntegrali bu parçalardan biri üzerinde hesaplayabilir ve toplam değeri bulmak için 8 ile çarpabiliriz: c>2 b>2 a>2 c>2 L0 L0 L0 c>2 y 3 y = b>2 = 4ad c + z 2y d dz 3 y=0 L0 c>2 = 4ad b>2 s y 2 + z 2 d d dx dy dz = 4ad Ix = 8 fiEK‹L 15.35 Buradaki blok için Ix, Iy ve Iz’yi bulmak. Orijin bloğun merkezindedir (Örnek 2). a L0 L0 s y 2 + z 2 d dy dz b3 z 2b + b dz 24 2 L0 b 3c c 3b abcd 2 M 2 = 4ad a + b = sb + c 2 d = sb + c 2 d. 48 48 12 12 Aynı şekilde, Iy = olur. M 2 sa + c 2 d 12 ve and Iz = M 2 sa + b 2 d. 12 1112 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ALIfiTIRMALAR 15.5 b. Son integrasyonu x’e göre yapmak için integral tablosunu kullanarak, Sabit Yo¤unluk 1–12 alıştırmalarındaki cisimlerin hepsinin yoğunluğu sabit ve d = 1’dir. 1. (Örnek 1 Tekrar) Tablo 15.3’teki Ix integralini doğrudan çözerek, Örnek 2’deki kısa yolun aynı sonucu verdiğini gösterin. Örnek 2’deki sonuçları kullanarak dikdörtgen şekilli cismin her koordinat ekseni etrafındaki jirasyon yarıçapını bulun. 2 Mxy = s1>2d24 - x 2 L-2 L-s1>2d24 - x 2L0 2-x z dz dy dx integralini hesaplayın. Sonra Mxy’yi M’ye bölerek, ™z = 5@4 olduğunu doğrulayın. z 2. Eylemsizlik momenti Şekilde bulunan koordinat eksenleri, bir takozun merkezinden adlandırılmış kenarlara paralel olarak geçer. a = b = 6 ve c = 4 ise, Ix, Iy ve Iz’yi bulun. z2x z 2 x –2 Merkez (0, 0, 0)’da 1 a 2 b 3 c y c 3 a b x 3. Eylemsizlik momenti Ix, Iy ve Iz’yi hesaplayarak, aşağıda gösterilen cismin kenarlarına göre eylemsizlik momentlerini bulun. z x2 4y2 4 x 7. a. Kütle merkezi Alttan z = x2 + y2 paraboloidi ve üstten z = 4 düzlemiyle sınırlı sabit yoğunluklu cismin kütle merkezini bulun. b. Cismi eşit hacimli iki kısma bölen z = c düzlemini bulun. Bu düzlem kütle merkezinden geçmez. 8. Momentler ve jirasyon yarıçapı Bir kenarı 2 birim olan bir küp x = 1, z = 1, y = 3 ve y = 5 düzlemleriyle sınırlıdır. Kütle merkezini ve koordinat eksenleri etrafındaki eylemsizlik momentleriyle jirasyon yarıçaplarını bulun. c b y a x 4. a. Kütle merkezi ve eylemsizlik momentleri Kenarları (0, 0, 0), (1, 0, 0), (0, 1, 0) ve (0, 0, 1)’de olan dört yüzlünün merkezini ve Ix, Iy ve Iz eylemsizlik momentlerini bulun. b. Jirasyon yarıçapı Dört yüzlünün x-ekseni etrafındaki jirasyon yarıçapını bulun. Bunu merkezden x-eksenine olan uzaklıkla karşılaştırın. 5. Kütle merkezi ve eylemsizlik momentleri Sabit yoğunluklu katı bir “oluk” alttan z = 4y2 yüzeyi, üstten z = 4 düzlemi ve yanlardan x = 1 ve x = –1 düzlemleriyle sınırlıdır. Kütle merkezini ve üç eksene göre eylemsizlik momentlerini bulun. 6. Kütle merkezi Sabit yoğunluklu bir cisim alttan z = 0 düzlemi, yanlardan x2 + 4y2 = 4 eliptik silindiri ve üstten z = 2 – x düzlemiyle sınırlıdır (şekle bakın). a. ™x ve ™y’yi bulun. 2 y 9. Eylemsizlik momenti ve bir doğruya göre jirasyon yarıçapı Alıştırma 2’deki gibi bir takoz için a = 4, b = 6 ve c = 3’tür. Takozun tipik bir (x, y, z) noktasından bir L: z = 0, y = 6 doğrusuna olan uzaklığın karesinin r2 = (y – 6)2 + z2 olduğunu kontrol etmek için bir çizim yapın. Sonra takozun L etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. 10. Eylemsizlik momenti ve bir doğruya göre jirasyon yarıçapı Alıştırma 2’deki gibi bir takoz için a = 4, b = 6 ve c = 3’tür. Takozun tipik bir (x, y, z) noktasından bir L: x = 4, y = 0 doğrusuna olan uzaklığın karesinin r2 = (x – 4)2 + y2 olduğunu kontrol etmek için bir çizim yapın. Sonra takozun L etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. 11. Eylemsizlik momenti ve bir doğruya göre jirasyon yarıçapı Alıştırma 3’teki gibi bir cisim için a = 4, b = 2 ve c = 1’dir. Cismin tipik bir (x, y, z) noktasından bir L: y = 2, z = 0 doğrusuna olan uzaklığın karesinin r2 = (y – 2)2 + z2 olduğunu kontrol etmek için bir çizim yapın. Sonra cismin L etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. 15.5 12. Eylemsizlik momenti ve bir doğruya göre jirasyon yarıçapı Alıştırma 3’teki gibi bir cisim için a = 4, b = 2 ve c = 1’dir. Cismin tipik bir (x, y, z) noktasından bir L: x = 4, y = 0 doğrusuna olan uzaklığın karesinin r2 = (x – 4)2 + y2 olduğunu kontrol etmek için bir çizim yapın. Sonra cismin L etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. Üç Boyutta Kütle ve Momentler 1113 18. Kütle z = 16 – 2x2 – 2y2 ve z = 2x2 + 2y2 parabolik yüzeyleriyle sınırlı cismin hacmini bulun. Cismin yoğunluğu d(x, y, z) = ¬x2 +ƒ ƒy2’dir. ‹fl 19 ve 20 alıştırmalarında, aşağıdakileri hesaplayın. a. Kapta bulunan sıvıyı xy-düzlemine çıkartmak için (sabit) yerçekimi g tarafından yapılan işi bulun (İpucu: Kaptaki sıvıyı küçük Vi hacim elemanlarına bölün ve her eleman üzerinde yerçekiminin yaptığı işi bulun. Toplama ve limite geçiş hesaplanacak üç katlı bir integral verir). De¤iflken Yo¤unluk 13 ve 14 alıştırmalarında, cismin a. hacmini b. kütle merkezini bulun. 13. Birinci sekizde bir bölgede koordinat düzlemleri ve x + y + z = 2 düzlemiyle sınırlı cisim. Cismin yoğunluğu d(x, y, z) = 2x’tir. 14. Birinci sekizde bir bölgedeki bir cisim y = 0 ve z = 0 düzlemleri ile z = 4 – x2 ve x = y2 yüzeyleri tarafından sınırlanmıştır (şekle bakın). Yoğunluk fonksiyonu d(x, y, z) = kxy’dir. b. Kütle merkezini xy-düzlemine indirmek için yerçekimi tarafından yapılan iş. 19. Kap, birinci sekizde bir bölgede koordinat düzlemleri ve x = 1, y = 1 ve z = 1 düzlemleriyle sınırlı kübik kutudur. Kutuyu dolduran sıvının yoğunluğu d(x, y, z) = x + y + z + 1’dir (Alıştırma 15’e bakın). 20. Kap, y = 0, z = 0, z = 4 – x2 ve x = y2 ile sınırlı bölgenin şeklindedir. Bölgeyi dolduran sıvının yoğunluğu d(x, y, z) = kxy’dir, k bir sabit (Alıştırma 14’e bakın). z 4 Paralel Eksen Teoremi z4 Paralel Eksen Teoremi (Alıştırmalar 15.2) iki boyut gibi, üç boyutta da geçerlidir. Lk.m. m kütleli bir cismin kütle merkezinden geçen doğru ve L’de Lk.m.’den h birim uzaklıkta bir doğru olsun. Paralel Eksen Teoremi cismin Lk.m. ve L etrafındaki eylemsizlik momentleri Ik.m. ve IL’nin x2 x y2 IL = Ik.m. + mh2 y 2 x (2, 兹2, 0) 15 ve 16 alıştırmalarında aşağıdakileri bulun a. cismin kütlesini b. kütle merkezini c. koordinat eksenleri etrafındaki eylemsizlik momentlerini (1) denklemini sağladığını söyler. İki boyutlu durumda olduğu gibi, teorem bir moment ve kütle bilindiğinde diğer momentini hesaplamanın kolay bir yolunu verir. 21. Paralel Eksen Teoreminin ispatı a. Uzaydaki bir cismin merkezinden geçen herhangi bir düzlem etrafındaki birinci momentin sıfır olduğunu gösterin (İpucu: Cismin kütle merkezini orijine koyun ve düzlemi yzdüzlemi olarak alın. Bu durumda, x = Myz >M denklemi size ne söyler?). z d. koordinat eksenleri etrafındaki jirasyon yarıçaplarını Lk.m. 15. Birinci sekizde bir bölgedeki bir küp koordinat düzlemleri ve x = 1, y = 1, z = 1 düzlemleriyle sınırlıdır. Kübün yoğunluğu d(x, y, z) = x + y + z + 1’dir. L 16. Alıştırma 2’deki gibi bir takozun boyutları a = 2, b = 6 ve c = 3’tür. Yoğunluk d(x, y, z) = x + 1’dir. Yoğunluk sabitse, kütle merkezinin (0, 0, 0) olacağına dikkat edin. v xi yj hi (x, y, z) i vh 17. Kütle x + z = 1, x – z = –1, y = 0 düzlemleri ve y = 2z. yüzeyiyle sınırlı cismin kütlesini bulun. Cismin yoğunluğu d(x, y, z) = 2y + 5’tir. y k.m. D x (h, 0, 0) 1114 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller b. Paralel Eksen Teoremini ispatlamak için, cismin kütle merkezini, Lk.m. doğrusu z-ekseninde ve L doğrusu xy-düzlemine (h, 0, 0)’da dik olmak üzere, orijine yerleştirin. D, uzayda cismin kapladığı bölge olsun. Bu durumda, cismin gösterimiyle, IL = 9 ƒ v - hi ƒ 2 dm. D olur. Bu integraldeki integrandı açın ve ispatı tamamlayın. 22. Sabit yoğunluklu ve a yarıçaplı bir katı kürenin çapı etrafındaki eylemsizlik momenti, m kürenin kütlesi olmak üzere, (2@5)ma2’dir. Küreye teğet bir doğru etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. 25. Pappus formülünü türetin (İpucu: B1 ve B2 yi birinci sekizde bir bölgede üst üste binmeyen bölgeler olarak çizin ve kütle merkezleri sx1, y1, z1 d ve sx2 , y2 , z2 d.’yi belirtin. B1 ∪ B2’nin koordinat düzlemleri etrafındaki momentlerini m1 ve m2 kütleleri ile bu merkezlerin koordinatları cinsinden ifade edin). 26. Aşağıdaki şekil sabit d = 1 yoğunluklu üç tane dikdörtgen şekilli cisimden yapılmış bir cismi göstermektedir. Aşağıdakilerin kütle merkezlerini bulmak için Pappus formülünü kullanın. a. A ∪ B b. A ∪ C c. B ∪ C d. A ∪ B ∪ C z 23. Alıştırma 3’teki cismin z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti Iz = abc(a2 + b2)@3’tür. a. (1) denklemini kullanarak cismin, cismin kütle merkezinden z-eksenine paralel geçen doğrunun etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. b. (1) denklemini ve (a) şıkkındaki sonucu kullanarak, cismin x = 0, y = 2b doğrusu etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun. 24. a = b = 6 ve c = 4 ise, alıştırma 2’deki takozun x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti Ix = 208’dir. Takozun y = 4, z = – 4@3 doğrusu (takozun kısa tarafı) etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. Pappus Formülü Pappus formülü (Alıştırmalar 15.2) iki boyut gibi üç boyutta da geçerlidir. m1 ve m2 kütleli B1 ve B2 cisimlerinin uzayda üst üste binmeyen bölgeleri kapladıklarını ve c1 ile c2’nin orijinden cisimlerin kütle merkezlerine olan vektörler olduğunu varsayın. Bu durumda iki cismin bileşimi B1 ∪ B2’nin kütle merkezi m1 c1 + m2 c2 c = . m1 + m2 vektörü ile belirlenir. Daha önce olduğu gibi, bu formüle Pappus formülü denir. İki boyutlu halde olduğu gibi n cisim için formül m1 c1 + m2 c2 + Á + mn cn c = m1 + m2 + Á + mn haline genelleşir. 15.6 (0, 3, 2) 2 3 (2, 0, 2) 2 A 1 1 (–1, 6, 1) 2 1 B 4 y (–1, 6, –2) (2, 0, 0) x C (3, 6, –2) 27. a. Taban yarıçapı a ve yüksekliği h olan dik bir C konisinin, a yarıçaplı bir S yarım küresinin dairesel tabanı üzerine, iki cismin bileşimini bir dondurma külahına benzeyecek şekilde kurulduğunu varsayın. Koninin kütle merkezi tabandan tepeye olan uzaklığın dörtte biri uzaklığında bulunmaktadır. Yarım kürenin merkezi, tabandan tepeye olan uzaklığın sekizde üçündedir. C ∪ S bileşiminin merkezini iki cismin ortak tabanına yerleştirmek için a ile h arasındaki ilişki ne olmalıdır? b. Şimdiye kadar yapmadıysanız, buna benzer olan bir üçgen ve bir yarım daire sorusunu (Bölüm 15.2, Alıştırma 55) yanıtlayın. Yanıtlar aynı değildir. 28. h yükseklikli ve dört eş kenarlı bir P kare piramidinin tabanı kenarlarının uzunluğu s olan bir C kübü’nün bir yüzü üzerine kurulmuştur. Piramidin merkezi, tabandan tepe noktasına olan uzaklığın dörtte birindedir. P ∪ C’nin merkezini piramidin tabanına yerleştirmek için h ile s arasındaki ilişki ne olmalıdır? Yanıtınızı Alıştırma 27’nin yanıtıyla karşılaştırın. Ayrıca Bölüm 15.2’deki Alıştırma 56’nın yanıtıyla da karşılaştırın. Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller Fizik, mühendislik veya geometrideki bir hesaplama, bir silindir, bir koni veya bir küre içeriyorsa, bu bölümde tanıtacağımız silindirik veya küresel koordinatlar kullanarak genellikle işimizi kolaylaştırabiliriz. Bu koordinatlara dönüştürme ve elde edilen üç katlı integrali hesaplama işlemi Bölüm 15.3’te incelenen, düzlemde kutupsal koordinatlara dönüştürmeye benzerdir. 15.6 z Üç boyutlu uzay için silindirik koordinatları, xy-düzlemindeki kutupsal koordinatları bilinen z-ekseni ile birleştirerek elde ederiz. Bu, Şekil 15.36’da gösterildiği gibi, uzaydaki her noktaya (r, u, z) formunda bir veya daha fazla koordinat üçlüsü karşılık getirir. z O u r y x 1115 Silindirik Koordinatlarda ‹ntegrasyon P(r, u, z) x Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller y fiEK‹L 15.36 Uzayda bir noktanın silindirik koordinatları r, u ve z dir. TANIM Silindirik Koordinatlar Silindirik koordinatlar (r, u, z) sıralı üçlüleri ile uzayda bir P noktasını temsil ederler. Burada, 1. 2. r ve u, P’nin xy-düzlemine dik izdüşümünün kutupsal koordinatlarıdır. z kartezyen dikey koordinattır. Kartezyen ve kutupsal koordinatlardaki x, y, r ve u değerleri Kartezyen (x, y, z) ve Silindirik (r, u, z) Koordinatlarını Bağlayan Denklemler x = r cos u, 2 y = r sin u, 2 2 r = x + y , z = z, tan u = y>x Silindirik koordinatlarda, r = a denklemi sadece xy-düzleminde bir çember değil, zekseni etrafında bir tam silindir tanımlar (Şekil 15.37). z-ekseni r = 0 ile verilir. u = u0 denklemi, z-eksenini içeren ve pozitif x-ekseni ile u0 açısını yapan düzlemi tanımlar. Ve, aynı kartezyen koordinatlarda olduğu gibi, z = z0 denklemi z-eksenine dik bir düzlem tanımlar. z u u0, oysa r ve z değişir z z0, oysa r ve u değişir z0 O a x u0 y r a, oysa u ve z değişir fiEK‹L 15.37 Silindirik koordinatlarda sabit-koordinat denklemleri silindirler ve düzlemler verirler. 1116 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller z Silindirik koordinatlar, eksenleri z-ekseni boyunca uzanan silindirleri ve z-eksenini içeren veya z-eksenine dik olan düzlemleri tanımlamada iyidir. Bu gibi yüzeylerin sabit koordinat değerli denklemleri vardır: r Δr Δu r Δu Δu Δr r Silindir, yarıçap 4, ekseni z-ekseni r=4 p u = . 3 z=2 Δz fiEK‹L 15.38 Silindirik koordinatlarda takozun hacmine V = z r r u çarpımı ile yaklaşılır. z-eksenini içeren düzlem z-eksenine dik düzlem Silindirik koordinatlarda bir D bölgesi üzerinde bir üç katlı integral hesaplarken, bölgeyi dikdörtgensel kutular yerine, n tane küçük silindirik takoza böleriz. Böylece, k. silindirik takozda r, u ve z değerleri rk, uk ve zk kadar değişir. Bütün silindirik takozlar arasında, bu sayıların en büyüğüne bölünüşün normu denir. Üç katlı integrali, bu takozları kullanan Riemann toplamlarının bir limiti olarak tanımlarız. Böyle bir silindirik takozun Vk hacmi, takozun ru-düzlemindeki tabanının Ak alanı ile z yüksekliğinin çarpımı alınarak elde edilir (Şekil 15.38). Kutupsal koordinatlarda, (rk, uk, zk) noktası k. takozun merkezi olmak üzere, Ak = rk rk uk olduğunu hesapladık. Böylece, Vk = zk rk rk uk ve D bölgesi üzerinde ƒ’nin bir Riemann toplamının formu n Sn = a ƒsrk , uk , zk d ¢zk rk ¢rk ¢uk . k=1 şeklindedir. Bir ƒ fonksiyonunun D üzerindeki üç katlı integrali, normu sıfıra yaklaşan bölünüşler üzerinde Riemann toplamlarının limiti alarak elde edilir. lim Sn = n: q 9 D ƒ dV = 9 ƒ dz r dr du D Böylece, silindirik koordinatlarda üç katlı integraller, sıradaki örnekte olduğu gibi, ardışık integraller olarak hesaplanır. ÖRNEK 1 z Bir ƒ(r, u, z) fonksiyonunu alttan z = 0 düzlemi, yanlardan x2 + (y – 1)2 = 1 silindiri ve üstten z = x2 + y2 paraboloidiyle sınırlı D bölgesinde silindirik koordinatlarda integre etmek için integrasyon sınırlarını bulun. Üst Kartezyen: z x2 y2 Silindirik: z r2 M Silindirik Koordinatlarda ‹ntegrasyon S›n›rlar›n› Bulmak Çözüm D’nin tabanı, aynı zamanda bölgenin xy-düzlemi üzerindeki izdüşümü olan R’dir. R’nin sınırı x2 + (y – 1)2 = 1’dir. Kutupsal denklemi D x 2 + s y - 1d2 = 1 x 2 + y 2 - 2y + 1 = 1 r 2 - 2r sin u = 0 2 u x R (r, u) L Kartezyen: x2 (y 1)2 1 Kutupsal: r 2 sin u fiEK‹L 15.39 Silindirik koordinatlarda bir integral hesaplamak için integrasyon sınırlarını bulmak (Örnek 1). r = 2 sin u olur. Bölge, Şekil 15.39’da çizilmiştir. İntegrasyonun sınırlarını, z’nin sınırları ile başlayarak buluruz. R’deki tipik bir (r, u) noktasından geçen ve z-eksenine paralel olan bir M doğrusu D’ye z = 0’dan girer ve z = x2 + y2 = r2’den çıkar. Sonra integrasyonun r-sınırlarını buluruz. Orijinden gelip (r, u)’dan geçen bir L ışını R’ye r = 0’dan girer ve r = 2 sin u’dan çıkar. 15.6 Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 1117 Son olarak integrasyonun u-sınırlarını buluruz. L ışını R’yi tararken, pozitif x-ekseniyle yaptığı u açısı u = 0’dan u = p’ye gider. İntegral p 9 ƒsr, u, zd dV = D r2 2 sin u L0 L0 L0 ƒsr, u, zd dz r dr du. olarak bulunur. Örnek 1, silindirik koordinatlarda integrasyon sınırlarını bulmanın iyi bir örneğini oluşturur. Prosedür aşağıdaki şekilde özetlenmiştir. Silindirik Koordinatlarda Nas›l ‹ntegral Al›n›r Uzayda bir D bölgesinde, silindirik koordinatlarda önce z’ye, sonra r’ye, en son da u’ya göre integral alarak 9 ƒsr, u, zd dV D integralini hesaplamak için, aşağıdaki adımları izleyin. 1. Bir çizim. D bölgesini, xy-düzlemi üzerine izdüşümü R ile birlikte çizin. D ve R’yi sınırlayan düzlem ve eğrileri adlandırın. z z ⫽ g2(r, ␪) D r ⫽ h1(␪) z ⫽ g1(r, ␪) y x R 2. r ⫽ h 2(␪) İntegrasyonun z-sınırları. R’nin tipik bir (r, u) noktasından geçen ve z-eksenine paralel olan bir M doğrusu çizin. z artarken, M, D’ye z = g1(r, u)’da girer ve z = g2(r, u)’da çıkar. Bunlar integrasyonun z-sınırlarıdır. z M z g2(r, u) D r h1(u) z g1(r, u) y x R (r, u) r h2(u) 1118 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 3. İntegrasyonun r-sınırları. Orijinden gelerek (r, u)’dan geçen bir L ışını çizin. Işın, R’ye r = h1(u)’ dan girer ve r = h2(u)’dan çıkar. Bunlar integrasyonun r-sınırlarıdır. z M z g2(r, u) D z g1(r, u) a x r h1(u) ua b y u (r, u) ub R r h2(u) L 4. İntegrasyonun u-sınırları. L ışını R’ri tararken, poitif x-ekseniyle yaptığı açı u = a’dan u = b’ya gider. Bunlar integrasyonun u-sınırlarıdır. İntegral u=b 9 ƒsr, u, zd dV = D r = h2sud z = g2sr, ud ƒsr, u, zd dz r dr du. Lu = a Lr = h1sud Lz = g1sr, ud halini alır. ÖRNEK 2 z 4 z x2 y2 r2 x x2 + y2 = 4 silindiriyle çevrelenen, üstten z = x2 + y2 paraboloidi ve alttan xy-düzlemiyle sınırlı cismin merkezini (d = 1) bulun. Üstten z = r2 paraboloidi, alttan z = 0 düzlemiyle sınırlı bölgeyi çizeriz (Şekil 15.40). Cismin tabanı, R, xy-düzlemindeki 0 r 2 dairesidir. Cismin sx, y, zd merkezi simetri ekseninde, bu soruda z-ekseni, bulunur. Bu ™x = ™y = 0 yapar. ™z’yi bulmak için, birinci moment Mxy’yi M’ye böleriz. Kütle ve moment integrallerinin integrasyon sınırlarını bulmak için, dört temel adımı izleriz. Başlangıçtaki çizimimizle ilk adımı tamamladık. Kalan adımlar integrasyon sınırlarını verir. z-sınırları. Tabanda tipik bir (r, u) noktasından geçen ve z-eksenine paralel olan bir M doğrusu cisme z = 0’dan girer ve z = r2’den çıkar. r-sınırları. Orijinden gelerek (r, u)’dan geçen bir L ışını R’ye r = 0’dan girer ve r = 2’den çıkar. u-sınırları. L ışını, tabanı bir saat kolu gibi tararken, pozitif x-ekseniyle yaptığı u açısı u = 0’dan u = 2p’ye gider. Mxy’nin değeri Çözüm M k.m. R Bir A¤›rl›k Merkezi Bulmak x2 y2 4 r2 u (r, u) y L fiEK‹L 15.40 Örnek 2, bu cismin ağırlık merkezinin nasıl bulunacağını göstermektedir. 2p Mxy = L0 L0 L0 2p = olarak bulunur. 2 2 r2 2p z dz r dr du = r5 dr du = L0 L0 2 L0 2p c L0 L0 2 2 c r2 z2 d r dr du 2 0 r6 d du = 12 0 L0 2p 16 32p du = . 3 3 15.6 z 1119 M’nin değeri ise, 2p P(r, f, u) f M = r = 2 L0 L0 L0 2p z r cos f O x Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller r2 2p dz r dr du = 2 L0 L0 2p r 3 dr du = L0 c 2 L0 L0 2 r2 cz d r dr du 0 2p r4 d du = 4 du = 8p. 4 0 L0 olur. Buradan u r y z = y x fiEK‹L 15.41 Küresel koordinatlar, r, f ve u ve x, y, z ve r ile ilişkileri. Mxy 32p 1 4 = = , M 3 8p 3 bulunur ve merkez (0, 0, 4@3) olur. Merkezin, cismin dışında olduğuna dikkat edin. Küresel Koordinatlar ve ‹ntegrasyon Küresel koordinatlar, uzayda noktaları, Şekil 15.41’de gösterildiği gibi, iki açı ve bir uzun§ lukla konumlandırır. Birinci koordinat, r = ƒ OP ƒ , noktanın orijinden uzaklığıdır. r'nin § tersine r değişkeni asla negatif olmaz. İkinci koordinat, f, OP ’nin pozitif z-ekseni ile yaptığı açıdır. [0, p] aralığında kalması gerekmektedir. Üçüncü koordinat, silindirik koordinatlardaki gibi ölçülen u açısıdır. TANIM Küresel Koordinatlar Küresel Koordinatlar uzayda bir P noktasını, 1. 2. 3. r, P’den orijine uzaklık. § f, OP ’nin pozitif z-ekseni ile yaptığı açı (0 f p) u, silindirik koordinatlardaki açı z f f0, oysa r ve u değişir f0 olmak üzere, sıralı (r, f, u) üçlüleri ile temsil eder. P(a, f0, u0) Dünya haritalarında, u, Dünya üzerindeki noktanın meridiyeni ile ve f’de noktanın enlemi ile ilgilidir. r ise noktanın Dünya yüzeyinden yüksekliği ile ilgilidir. r = a denklemi, merkezi orijinde olan a yarıçaplı küreyi tanımlar (Şekil 15.42). f = f0 denklemi, tepe noktası orijinde bulunan ve ekseni z-ekseninde bulunan bir tek-koni tanımlar. (xy-düzlemini f = p@2 konisi olarak içerecek şekilde yorumumuzu genişletiyoruz.) f0 açısı p@2’den büyük ise f = f0 konisi aşağıya açılır. u = u0 denklemi, z-eksenini içeren ve pozitif x-ekseni ile u0 açısı yapan yarı düzlemi tanımlar. u0 y x r a, oysa f ve u değişir Küresel Koordinatları Kartezyen Koordinatlara ve Silindirik Koordinatlara Bağlayan Denklemler u u0, oysa r ve f değişir fiEK‹L 15.42 Küresel koordinatlarda sabitkoordinat denklemleri, küreler, tek koniler ve yarı-düzlemler verirler. r = r sin f, x = r cos u = r sin f cos u, z = r cos f, y = r sin u = r sin f sin u, r = 2x 2 + y 2 + z 2 = 2r 2 + z 2. (1) 1120 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller z ÖRNEK 3 x2 y2 (z 1)2 1 r 2 cos f 2 2 x + y + (z – 1)2 = 1 küresi için bir küresel koordinat denklemi bulunuz. x, y ve z’yi dönüştürmek için (1) denklemlerini kullanırız: Çözüm 1 Kartezyenden Küresel’e Dönüfltürme 2 x 2 + y 2 + sz - 1d2 = 1 f r2 sin2 f cos2 u + r2 sin2 f sin2 u + sr cos f - 1d2 = 1 r (1) Denklemleri r2 sin2 fscos2 u + sin2 ud + r2 cos2 f - 2r cos f + 1 = 1 (''')'''* 1 y r2ssin2 f + cos2 fd = 2r cos f x fiEK‹L 15.43 (''')'''* 1 r2 = 2r cos f Örnek 3’teki küre. r = 2 cos f Şekil 15.43’e bakın. z ÖRNEK 4 f p 4 Kartezyenden Küresel’e Dönüfltürme z = 2x + y 2 konisi için bir küresel koordinat denklemi bulunuz (Şekil 15.44). 2 z 兹x2 y2 f p 4 Çözüm 1 Geometri kullanın. Koni, z-eksenine göre simetriktir ve yz-düzleminin birinci bölgesini z = y doğrusu boyunca keser. Bu nedenle, koni ile pozitif z-ekseni arasındaki açı p@4 radyandır. Koni, küresel f koordinatı p@4’e eşit olan noktalardan oluşur dolayısıyla denklemi f = p@4’tür. Çebir kullanın. x, y ve z’yi dönüştürmek için (1) denklemlerini kullanırsak aynı sonucu elde ederiz: Çözüm 2 y x fiEK‹L 15.44 Örnek 4’teki koni. z = 2x2 + y2 r cos f = 2r2 sin2 f Örnek 3 r cos f = r sin f r Ú 0, sin f Ú 0 cos f = sin f p f = . 4 0 … f … p Küresel koordinatlar, merkezleri orijinde olan küreleri, kenarı z-ekseni olan yarıdüzlemleri ve tepe noktaları orijinde, eksenleri z-ekseninde olan konileri tanımlamakta yararlıdır. Bu gibi yüzeylerin sabit koordinat değerli denklemleri vardır: Küre, yarıçap 4, merkez orijinde r = 4 Orijinden yukarı açılan koni, pozitif zp f = ekseniyle p>3 açısı yapar 3 z-ekseni etrafında dönen yarı düzlem, pozitif p u = . x-ekseniyle p>3 açısı yapar. 3 Küresel koordinatlarda, bir D bölgesi üzerinde üç katlı integral hesaplarken, bölgeyi n tane küresel takoza böleriz. Bir (rk, fk, uk) noktasını içeren k. takozun ölçüsü, r, u ve f’deki rk, uk ve fk değişimleri ile verilir. Böyle bir takozun, bir kenarı, uzunluğu rk fk olan dairesel bir yay, diğer kenarı, uzunluğu rk sin fk uk olan dairesel bir yay ve 15.6 z 1121 kalınlığı rk dır. Küresel takoz, rk, uk ve fk değerlerinin hepsi küçük olduklarında, ölçüleri bunlar olan bir küp’e yaklaşır (Şekil 15.45). Bu takozun Vk hacminin, (rk, fk, uk) noktası takozun içinden seçilen bir nokta olmak üzere, Vk = rk2 sin fk rk fk uk olduğu gösterilebilir. Bir F(r, f, u) fonksiyonuna karşı gelen Riemann toplamı r sin f r sin f Δu rΔf Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller n Sn = a Fsrk, fk, uk d rk2 sin fk ¢rk ¢fk ¢uk . Of r Δr u x k=1 y olur. Bölünüşün normu sıfıra yaklaşırken ve küresel takoz gittikçe küçülürken, Riemann toplamının sürekli F’ler için bir limiti vardır: lim Sn = u Δu n: q D = r2 sin f dr df du. halini alır. 9 Fsr, f, ud r2 sin f dr df du. D Küresel koordinatlarda, fiEK‹L 15.45 Küresel koordinatlarda dV = dr # r df # r sin f du 9 Fsr, f, ud dV = dV = r2 sin f dr df du dır. Küresel koordinatlardaki integralleri hesaplamak için, genellikle önce r’ya göre integral alırız. İntegrasyon sınırlarını bulma işlemi aşağıda gösterilmektedir. İlgimizi, z-ekseni etrafında dönmeyle elde edilen dönel cisimlerin tanım kümeleri (veya parçaları) ile u ve f sınırlarının sabit olduğu tanım kümeleri üzerinde integral almakla sınırlayacağız. Küresel Koordinatlarda Nas›l ‹ntegral Al›n›r Uzayda bir D bölgesinde, küresel koordinatlarda, önce r’ya, sonra f’ye, en son olarak da u’ya göre integral alarak 9 ƒsr, f, ud dV D integralini hesaplamak için, aşağıdaki adımları izleyin. 1. Çizim. D bölgesini, xy-düzlemi üzerine izdüşümü R ile birlikte çizin. D’yi sınırlayan yüzeyleri adlandırın. z ␳ ⫽ g2(␾, ␪) D ␳ ⫽ g1(␾, ␪) R y x 1122 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 2. İntegrasyonun r-sınırlarını bulun. Orijinden çıkıp D’den geçen ve pozitif z-ekseniyle f açısı yapan bir M ışını çizin. Ayrıca M’nin xy-düzlemi üzerine izdüşümünü çizin (izdüşüme L deyin). L ışını pozitif x-ekseniyle u açısı yapar. r arttıkça, M, D’ye r = g1(f, u)’dan girer ve r = g2(f, u)’dan çıkar. Bunlar integrasyonun r-sınırlarıdır. z fmaks f fmin M r g2(f, u) D r g1(f, u) R ub y θ ua L x 3. 4. İntegrasyonun f-sınırlarını bulun. Herhangi bir u değeri için, M’nin z-ekseniyle yaptığı f açısı f = fmin’den f = fmax’a gider. Bunlar integrasyonun f-sınırlarıdır. İntegrasyonun u - sınırlarını bulun. L ışını R’yi tararken, u açısı a’dan b’ya gider. Bunlar integrasyonun u-sınırlarıdır. İntegral u=b 9 ƒsr, f, ud dV = D ÖRNEK 5 z f = fmax r = g2sf, ud Lu = a Lf = fmin Lr = g1sf, ud ƒsr, f, ud r2 sin f dr df du. Küresel Koordinatlarda Bir Hacim Bulmak r 1 küresinden f = p@3 konisiyle kesilen D ‘‘dondurma külahı’’ bölgesinin hacmini bulun. M Küre r 1 D Çözüm Hacim V = 7D r2 sin f dr df du, yani ƒsr, f, ud = 1’in D üzerinde integralidir. Külah f p 3 R x fiEK‹L 15.46 külahı. u L y İntegrali hesaplamak üzere integral sınırlarını bulmak için, D’yi ve xy-düzlemine izdüşümü R’yi çizerek başlıyoruz (Şekil 15.46). İntegrasyonun r-sınırları. Orijinden çıkıp D’den geçen ve pozitif z-ekseniyle f açısı yapan bir M ışını çizeriz. Ayrıca, M’nin xy-düzlemi üzerine izdüşümü L’yi, L’nin pozitif xekseniyle yaptığı u açısıyla birlikte çizeriz. M ışını D’ye r = 0’dan girer ve r = 1’den çıkar. İntegrasyonun f-sınırları. f = p@3 konisi, pozitif z-ekseniyle p@3 açısı yapar. Verilen herhangi bir u için, f açısı f = 0’dan f = p@3’e gidebilir. İntegrasyonun u-sınırları. L ışını R’yi tararken, u açısı 0’dan 2p’ye gider. Hacim Örnek 5’teki dondurma 2p V = r2 sin f dr df du = 9 L0 L0 D p>3 L0 1 r2 sin f dr df du 15.6 2p = = c 2p c- L0 1123 2p p>3 r3 1 1 d sin f df du = sin f df du 3 0 3 L0 L0 p>3 L0 L0 Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller p>3 1 cos f d 3 0 2p du = L0 a- p 1 1 1 + b du = s2pd = . 6 3 6 3 olarak bulunur. ÖRNEK 6 Bir Eylemsizlik Momenti Bulmak Sabit d = 1 yoğunluklu bir cisim Örnek 5’teki D bölgesini kaplamaktadır. Cismin z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. Kartezyen koordinatlarda, moment Çözüm sx 2 + y 2 d dV . 9 olur. Küresel koordinatlarda x2 + y2 = (r sin f cos u)2 + (r sin f sin u)2 = r2 sin2 f halini alır. Dolayısıyla, Iz = sr2 sin2 fd r2 sin f dr df du = r4 sin3 f dr df du . 9 9 elde edilir. Örnek 5’teki bölge için, Iz = p>3 2p Iz = = 1 L0 L0 L0 2p p>3 1 5L0 L0 = 1 5L0 2p L0 L0 s1 - cos2 fd sin f df du = a- p>3 2p r4 sin3 f dr df du = r5 1 3 d sin f df du 5 0 cos3 f p>3 d du 3 0 2p c-cos f + 2p 5 p 1 du = s2pd = . 24 24 12 1 5L0 1 1 1 1 + 1 + - b du = 5L0 2 24 3 c bulunur. Koordinat Dönüşüm Formülleri SİLİNDİRİKTEN KARTEZYENE KÜRESELDEN KARTEZYENE KÜRESELDEN SİLİNDİRİĞE x = r cos u y = r sin u z = z x = r sin f cos u y = r sin f sin u z = r cos f r = r sin f z = r cos f u = u Üç katlı integrallerde dV’ye karşılık gelen hacim elemanları: dV = dx dy dz = dz r dr du = r2 sin f dr df du 1124 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Takip eden bölümde, silindirik ve küresel koordinatlarda dV’yi belirlemek için daha genel bir prosedür sunacağız. Sonuç, şüphesiz ki, yine aynı olacaktır. ALIfiTIRMALAR 15.6 Silindirik Koordinatlarda ‹ntegral Hesaplamak 1–6 alıştırmalarında silindirik koordinat integrallerini hesaplayın. 2p 1. 4. 2p 5. 324 - r 2 L-24 - r 2 13. Alttan z = 0 düzlemi, yandan r = cos u silindiri ve üstten z = 3r2 paraboloidiyle sınırlanan bölgede z dz r dr du 9 1>22 - r 2 1 3 dz r dr du L0 L0 Lr 2p 6. dz r dr du L0 u>p L0 L0 c. du dz dr 3 + 24r 2 u>2p L0 L0 b. dr dz du dz r dr du L0 L0 Lr 2>3 p a. dz dr du 218 - r 2 3 2p 3. dz r dr du L0 L0 Lr 2p 2. 22 - r 2 1 12. D, alttan z = 2x 2 + y 2 konisi, üstten z = 2 – x2 – y2 paraboloidiyle sınırlı bölge olsun. Silindirik koordinatlarda D’nin hacmini, aşağıdaki integrasyon sırasında, veren üç katlı integralleri kurun. 1 integralini ardışık integraller olarak hesaplamak için gereken integrasyon sınırlarını bulun. 1>2 L0 L0 L-1>2 sr 2 sin2 u + z 2 d dz r dr du 14. 1 Silindirik Koordinatlarda ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek Şimdiye kadar gördüğümüz integraller silindirik koordinatlar için tercih edilen bir integrasyon sırası olduğunu söyler, ama başka sıralar da işe yarar ve bazen hesaplanması daha kolaydır. 7–10 alıştırmalarındaki integralleri hesaplayın. 2p 7. r 3 dr dz du 1 + cos u 2p 4r dr du dz L-1L0 L0 1 9. z>3 L0 L0 L0 1 8. 3 2z L0 L0 L0 2 24 - r 21 - y2 L-1L0 L0 x sx 2 + y 2 d dz dx dy integralini silindirik koordinatlarda dönüştürün ve sonucu hesaplayın. eşdeğer bir integrale Silindirik Koordinatlarda Ard›fl›k ‹ntegraller Bulmak 15–20 alıştırmalarında, 7D ƒsr, u, zd dz r dr du’yı verilen D bölgesinde hesaplamak için ardışık integraller kurun. 15. D bölgesi, tabanı xy-düzlemindeki r = 2 sin u çemberi olan ve tepesi z = 4 – y düzleminde bulunan dik dairesel silindirdir. z 2p sr 2 cos2 u + z 2 d r du dr dz 2 ƒsr, u, zd dz r dr du z4y 2p sr sin u + 1d r du dz dr L0 Lr - 2 L0 11. D, alttan z = 0 düzlemi, üstten x2 + y2 + z2 = 4 küresi ve yanlardan x2 + y2 = 1 silindiriyle sınırlı bölge olsun. Silindirik koordinatlarda D’nin hacmini, aşağıdaki integrasyon sırasında, veren üç katlı integralleri kurun. 10. y x r 2 sin ␪ a. dz dr du b. dr dz du c. du dz dr 16. D bölgesi, tabanı r = 3 cos u çemberi olan ve tepesi z = 5 – x düzleminde bulunan dik dairesel silindirdir. 15.6 z z5x Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 1125 20. D bölgesi, tabanı xy-düzleminde y-ekseni, y = x ve y = 1 doğrularıyla sınırlı üçgen olan ve tepesi z = 2 – x düzleminde bulunan prizmadır. z z2x y 2 r 3 cos ␪ x 17. D bölgesi, tabanı xy-düzlemindeki r = 1 + cos u kardiodinin içinde ve r = 1 çemberinin dışında kalan bölge olan ve tepesi z = 4 düzleminde bulunan dik silindirdir. 1 y x z yx 4 Küresel Koordinatlarda ‹ntegral Hesaplamak y 21–26 alıştırmalarındaki küresel koordinat integrallerini hesaplayın. p 21. r1 x r 1 cos ␪ z L0 L0 z3y y r2 sin f dr df du L0 L0 L0 L0 p 1 5r3 sin3 f dr df du L0 L0 p>3 2 3r2 sin f dr df du Lsec f L0 L0 p>4 2p 26. sr cos fd r2 sin f dr df du s1 - cos fd>2 p 2p 25. 2 L0 3p>2 24. r2 sin f dr df du p>4 2p 23. 2 sin f L0 L0 L0 2p 22. 18. D bölgesi, tabanı r = cos u ve r = 2 cos u çemberleri arasında kalan bölge olan ve tepesi z = 3 – y düzleminde bulunan dik dairesel silindirdir. p L0 L0 sec f sr cos fd r2 sin f dr df du L0 Küresel Koordinatlarda ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek x r cos ␪ r 2 cos ␪ 19. D bölgesi, tabanı xy-düzleminde x-ekseni, y = x ve x = 1 doğrularıyla sınırlı üçgen olan ve tepesi z = 2 – y düzleminde bulunan prizmadır. 2 27. 28. z2y r3 sin 2f df du dr L0 L-p Lp>4 2 csc f 2p Lp>6 Lcsc f L0 1 29. p>2 0 p>3 z 2 Önceki integraller, küresel koordinatlar için tercih edilen bir integrasyon sırası olduğunu söyler, ama başka sıralar da işe yarar ve bazen hesaplanması daha kolaydır. 27–30 alıştırmalarındaki integralleri hesaplayın. p p>4 L0 L0 L0 p>2 r2 sin f du dr df 12r sin3 f df du dr p/2 2 5r4 sin3 f dr du df Lp>6 L-p/2 Lcsc f 31. D bölgesi, Alıştırma 11’deki bölge olsun. Küresel koordinatlarda D’nin hacmini, aşağıdaki integrasyon sırasında, veren üç katlı integralleri kurun. 30. y 1 x yx a. dr df du b. df dr du 1126 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 32. D, alttan z = 2x 2 + y 2 konisi ve üstten z = 1 düzlemiyle sınırlı bölge olsun. Küresel koordinatlarda D’nin hacmini, aşağıdaki integrasyon sırasında, veren üç katlı integralleri kurun. a. dr df du z ␾ b. df dr du ␲ 3 ␳2 Küresel Koordinatlarda Ard›fl›k ‹ntegraller Bulmak 33–38 alıştırmalarında, (a) verilen cismin hacmini, küresel koordinatlarda hesaplayan integralin sınırlarını bulun ve (b) sonra integrali hesaplayın. 33. r = cos f küresi ile r = 2, z 0 yarım küresi arasındaki cisim. z ␳2 y x Kartezyen, Silindirik ve Küresel Koordinatlar 39. r = 2 küresinin hacmi için (a) Kartezyen, (b) silindirik ve (c) küresel koordinatlarda üç katlı integraller kurun. 40. D, birinci sekizde bir bölgede alttan f = p@4 konisi ve üstten r = 3 küresi ile sınırlı bölge olsun. D’nin hacmini (a) silindirik, (b) küresel koordinatlarda ardışık üç katlı bir integral olarak ifade edin. Sonra (c) V’yı bulun. ␳ cos ␾ x y 34. Alttan r = 1, z 0 yarım küresi ve üstten r = 1 + cos f dönel kardiodiyle sınırlı cisim. z ␳ 1 cos ␾ ␳1 41. D, 2 birim yarıçaplı katı bir toptan, kürenin merkezinden 1 birim uzaklıktaki bir düzlemle kesilen küçük kapak olsun. D’nin hacmini (a) küresel, (b) silindirik ve (c) kartezyen koordinatlarda ardışık üç katlı bir integral olarak ifade edin. Sonra (d) hacmi bu üç katlı integrallerden birini hesaplayarak bulun. 42. Katı x2 + y2 + z2 1, z 0, yarım küresinin Iz eylemsizlik momentini (a) silindirik ve (b) küresel koordinatlarda ardışık üç katlı bir integral olarak ifade edin. Sonra (c) Iz’yi bulun. Hacimler 43–48 alıştırmalarındaki cisimlerin hacimlerini bulun. y x 43. 44. z 35. r = 1 – cos f dönel kardiodi ile çevrelenen cisim. z z1r z 4 4 (x 2 y 2) 36. Alıştırma 35’teki cisimden xy-düzlemiyle kesilen üst kısım. 37. Alttan r = 2 cos f küresi ve üstten konisiyle z = 2x 2 + y 2 sınırlı cisim. y z 兹x2 y2 z 2 z (x ␳ 2 cos ␾ x x y x 45. y 2)2 z –y z 兹1 r 2 1 46. z z z 兹x 2 y 2 y 38. Alttan xy-düzlemi, yanlardan r = 2 küresi ve üstten f = p@3 konisiyle sınırlı cisim. r 3 cos ␪ x y x r –3 cos ␪ y 15.6 47. 48. z 兹1 x 2 y 2 1127 Ortalama De¤erler z z Silindirik ve Küresel Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller 63. ƒ(r, u, z) = r fonksiyonunun z = –1 ve z = 1 düzlemleri arasında r = 1 silindiriyle sınırlı bölgede ortalama değerini bulun. z 3兹1 x 2 y 2 64. ƒ(r, u, z) = r fonksiyonunun r2 + z2 = 1 (x2 + y2 + z2 = 1 küresidir.) küresiyle sınırlı bölgede ortalama değerini bulun. 65. ƒ(r, f, u) = r fonksiyonunun r 1 topundaki ortalama değerini bulun. x r sin ␪ y x y r cos ␪ 49. Küre ve koni r a küresinin f = p@3 ve f = 2p@3 konileri arasında kalan kısmının hacmini bulun. 50. Küre ve yarı-düzlemler r a küresinden birinci sekizde bir bölgedeki u = 0 ve u = p@6 yarı-düzlemleriyle kesilen parçanın hacmini bulun. 51. Küre ve düzlem r 2 küresinden z = 1 düzlemiyle kesilen küçük parçanın hacmini bulun. 52. Küre ve düzlemler z = 1 ve z = 2 düzlemleri arasında, z = 2x 2 + y 2 konisiyle çevrili bölgenin hacmini bulun. 53. Silindir ve paraboloid Alttan z = 0 düzlemi, yanlardan x2 + y2 = 1 silindiri ve üstten z = x2 + y2 paraboloidiyle sınırlı bölgenin hacmini bulun. 54. Silindir ve paraboloidler Alttan z = x2 + y2 paraboloidi, yanlardan x2 + y2 = 1 silindiri ve üstten z = x2 + y2 + 1 paraboloidiyle sınırlı bölgenin hacmini bulun. 55. Silindir ve koniler Kalın duvarlı 1 x2 + y2 2 silindirinden z = ; 2x 2 + y 2. konileriyle kesilen cismin hacmini bulun. 56. Küre ve silindir x2 + y2 + z2 = 2 küresinin içinde ve x2 + y2 = 1 silindirinin dışında kalan bölgenin hacmini bulun. 57. Silindir ve düzlemler x2 + y2 = 4 silindiri, z = 0 ve y + z = 4 düzlemleriyle çevrili bölgenin hacmini bulun. 58. Silindir ve düzlemler x2 + y2 = 4 silindiri, z = 0 ve x + y + z = 4 düzlemleriyle çevrili bölgenin hacmini bulun. 59. Paraboloidlerle sınırlı bölge Üstten z = 5 – x2 – y2 paraboloidi ve alttan z = 4x2+ 4y2 paraboloidiyle çevrili bölgenin hacmini bulun. 60. Paraboloid ve silindir Üstten z = 9 – x2 – y2 paraboloidi, alttan xy-düzlemiyle sınırlanan ve x2 + y2 = 1 silindirinin dışında kalan bölgenin hacmini bulun. 61. Silindir ve küre x2 + y2 1 silindirinden x2 + y2 + z2 = 4 küresiyle kesilen bölgenin hacmini bulun. 62. Küre ve paraboloid Üstten x2 + y2 + z2 = 2 küresi ve alttan z = x2 + y2 paraboloidiyle sınırlı bölgenin hacmini bulun. 66. ƒ(r, f, u) = r cos f fonksiyonunun r 1, 0 f p@2 topundaki ortalama değerini bulun. Kütle, Moment ve Merkezler 67. Kütle merkezi Sabit yoğunluklu bir cisim alttan z = 0 düzlemi, üstten z = r, r 0 konisi ve yanlardan r = 1 silindiriyle sınırlıdır. Kütle merkezini bulun. 68. Merkez Birinci sekizde bir bölgede üstten z = 2x 2 + y 2, konisi, alttan z = 0 düzlemi ve yanlardan x2 + y2 = 4 silindiri ile x = 0 ve y = 0 düzlemleriyle sınırlı bölgenin merkezini bulun. 69. Merkez Alıştırma 38’deki cismin merkezini bulun. 70. Merkez Üstten r = a küresi ve alttan f = p@4 konisiyle sınırlı bölgenin merkezini bulun. 71. Merkez Üstten z = 2r, yüzeyi, yanlardan r = 4 silindiri ve alttan xy-düzlemiyle sınırlı bölgenin merkezini bulun. 72. Merkez r2 + z2 1 topundan u = –p@3, r 0 ve u = p@3, r 0 yarım düzlemleriyle kesilen bölgenin merkezini bulun. 73. Eylemsizlik ve jirasyon yarıçapı İçten r = 1 silindiri, dıştan r = 2 silindiri, alttan ve üstten z = 0 ve z = 4 düzlemleriyle sınırlı kalın duvarlı dik dairesel silindirin z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun (d = 1 alın). 74. Dairesel silindirin eylemsizlik momentleri 1 yarıçaplı ve 2 yükseklikli bir silindirin (a) silindirin eksenine göre, (b) merkezden geçen ve silindirin eksenine dik olan bir doğru etrafındaki eylemsizlik momentini bulun (d = 1 alın). 75. Dolu koninin eylemsizlik momenti 1 yarıçaplı ve 1 yükseklikli bir koninin tepe noktasından geçen ve tabana paralel olan bir eksene göre eylemsizlik momentini bulun (d = 1 alın). 76. Dolu kürenin eylemsizlik momenti a yarıçaplı bir kürenin bir çapı etrafındaki eylemsizlik momentini bulun (d = 1 alın). 77. Dolu koninin eylemsizlik momenti a yarıçaplı ve h yükseklikli bir koninin ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. (İpucu: Koninin tepesini orijine ve eksenini z-eksenine yerleştirin). 78. Değişken yoğunluk Bir cisim üstten z = r2 paraboloidi, alttan z = 0 düzlemi ve yanlardan r = 1 silindiriyle sınırlıdır. Yoğunluğu, a. d(r, u, z) = z b. d(r, u, z) = r ise, kütle merkezini ve z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun. 1128 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller 79. Değişken yoğunluk Bir cisim alttan z = 2x 2 + y 2 konisi ve üstten z = 1 düzlemiyle sınırlıdır. Yoğunluğu a. d(r, u, z) = z b. d(r, u, z) = z2 ise, z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. 80. Değişken yoğunluk Bir top r = a küresiyle sınırlıdır. Yoğunluğu a. dsr, f, ud = r2 b. d(r, f, u) = r = r sin f ise, z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun. 81. Dolu yarı-elipsoidin merkezi Dönel bir (r2@a2) + (z2@h2) 1, z 0 yarı-elipsoidinin merkezinin, z-ekseninde tabandan tavana olan uzunluğun sekizde üçü uzaklığında olduğunu gösterin. Özel durum h = a bir yarım küre verir. Yani bir yarım kürenin merkezi tabandan tavana olan uzunluğun sekizde üçü uzaklığındadır. 82. Dolu koninin merkezi Bir koninin merkezinin, tabandan tepeye olan uzunluğun dörtte birinde olduğunu gösterin (Genelde, bir koninin veya bir piramidin merkezi tabandan tepeye olan uzaklığın dörtte birindedir). 83. Değişken yoğunluk Dik dairesel dolu bir silindir r = a silindiri ile z = 0 ve z = h, h 0 düzlemleri arasındadır. Yoğunluğu d(r, u, z) = z + 1 ise, kütle merkezini ve z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun. 15.7 84. Gezegenin atmosferinin kütlesi R yarıçaplı küresel bir gezegenin yoğunluğu, h gezegenin yüzeyinden yükseklik, m0 deniz seviyesindeki yoğunluk ve c pozitif bir sabit olmak üzere, m = m0e–ch ile verilen bir atmosferi vardır. Gezegenin atmosferinin kütlesini bulun. 85. Bir gezegenin merkezinin yoğunluğu Bir gezegen R yarıçaplı bir küre şeklinde ve, yoğunluk dağılımı merkezine yaklaşıldıkça artmak ve küresel simetrik olmak üzere, toplam kütlesi M’dir Gezegenin kenarında (yüzeyinde) yoğunluk sıfır olarak alınıyorsa, merkezdeki yoğunluk nedir? Teori ve Örnekler 86. Küresel koordinatlarda dik dairesel silindirler x2 + y2 = a2 silindiri için r = ƒ(f) formunda bir denklem bulun. 87. Silindirik koordinatlarda dikey düzlemler a. x-eksenine dik düzlemlerin denklemlerinin r = a sec u formunda olduğunu gösterin. b. y-eksenine dik düzlemlerin denklemlerinin r = b csc u formunda olduğunu gösterin. 88. (Alıştırma 87’nin devamı) ax + by = c, c 0 düzlemi için silindirik koordinatlarda r = ƒ(u) formunda bir denklem bulun. 89. Simetri Silindirik koordinatlarda r = ƒ(z) formunda bir denklemi var olan bir yüzeyin ne gibi simetrileri vardır. Cevabını açıklayın. 90. Simetri Küresel koordinatlarda r = ƒ(f) formunda bir denklemi var olan bir yüzeyin ne gibi simetrileri vardır. Cevabınızı açıklayın. Çok Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü Bu bölüm çok katlı integrallerin değişken dönüşümüyle nasıl hesaplanacağını göstermektedir. Tek katlı integrasyonda olduğu gibi, değişken dönüşümünün amacı karmaşık integralleri hesaplanması kolay integrallerle değiştirmektir. Değişken dönüşümü, integrandı, integrasyon sınırlarını veya ikisini de basitleştirerek, bunu gerçekleştirir. ‹ki Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü Bölüm 15.3’teki kutupsal koodinat dönüşümleri, iki katlı integraller için daha genel bir değişken dönüşümü yönteminin bir özel halidir. Yöntem, değişkenlerdeki değişimi bölgelerin dönüşümü olarak resmeder. uy-düzlemindeki bir G bölgesinin xy-düzlemindeki bir R bölgesine, Şekil 15.47’de önerildiği gibi, x = g(u, y), y = h(u, y) denklemleriyle bire-bir olarak dönüştürüldüğünü varsayalım. R’ye G’nin dönüşüm altındaki görüntüsü, G’ye de R’nin ön görüntüsü deriz. R’de tanımlı herhangi bir ƒ(x, y) 15.7 Çok Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü 1129 fonksiyonu, G’de tanımlı ƒ(g(u, y)), h(u, y)) fonksiyonu olarak düşünülebilir. ƒ(x, y)’nin R üzerindeki integralinin, ƒ(g(u, y)), h(u, y))’nin G’deki integrali ile nasıl bir ilişkisi vardır? Yanıt şudur: g, h ve ƒ’nin sürekli kısmi türevleri varsa ve J(u, y) (biraz sonra açıklanacak) sadece izole noktalarda sıfırsa, tabii eğer varsa, 6 ƒsx, yd dx dy = R TARİHSEL BİYOGRAFİ 6 ƒsgsu, yd, hsu, ydd ƒ Jsu, yd ƒ du dy. (1) G olur. (1) denkleminde mutlak değeri görülen J(u, y) çarpanı, adını Alman matematikçi Carl Jacobi’den alan, koordinat dönüşümün Jakobiyenidir. Jakobiyen, G’deki bir noktanın civarının, G bölgesi R’ye dönüştürülürken, ne kadar genişlediğini veya büzüldüğünü ölçer. Carl Gustav Jacob Jacobi (1804–1851) TANIM Jakobiyen x = g(u, y), y = h(u, y) koordinat dönüşümünün Jakobiyen determinantı veya Jakobiyeni Jsu, yd = 4 v 0x 0u 0x 0y 0y 0y 0x 4 = 0x . 0u 0y 0u 0y 0y 0y 0y 0u (2) olarak tanımlanır. (u, v) G Jakobiyen ayrıca, (2) denklemindeki determinantın x ve y’nin kısmi türevlerinden nasıl oluşturulduğunu hatırlamak amacıyla u 0 Kartezyen uv-düzlemi Jsu, yd = 0sx, yd 0su, yd olarak da gösterilir. (1) denkleminin türetilişi karmaşıktır ve daha ileri analiz derslerinin konusudur. Türetilişi burada göstermeyeceğiz. Kutupsal koordinatlar için, u ve y yerine r ve u kullanırız. x = r cos u ve y = r sin u ile, Jakobiyen x g(u, v) y h(u, v) y Jsr, ud = 4 (x, y) R 0 x 0x 0r 0y 0r 0x 0u 4 = ` cos u 0y sin u 0u -r sin u ` = rscos2 u + sin2 ud = r. r cos u olur. Dolayısıyla, (1) denklemi Kartezyen xy-düzlemi fiEK‹L 15.47 x = g(u, y) ve y = h(u, y) denklemleri xy-düzleminin bir R bölgesindeki bir integrali uy-düzleminin bir G bölgesindeki bir integrale dönüştürmemizi sağlar. 6 ƒsx, yd dx dy = R 6 ƒsr cos u, r sin ud ƒ r ƒ dr du 6 ƒsr cos u, r sin ud r dr du, G = r 0 ise (3) G halini alır ki, bu da Bölüm 15.3’te bulunan denklemdir. Şekil 15.48, x = r cos u, y = r sin u denklemlerinin G: 0 r 1, 0 u p@2 dikdörtgenini xy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinde x2 + y2 = 1 ile sınırlı R çeyrek çemberine nasıl dönüştürdüğünü gösterir. 1130 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller (3) denkleminin sağ tarafındaki integralin, ƒ(r cos u, r sin u)’nın kutupsal koordinat düzleminde bir bölgede integrali olmadığına dikkat edin. ƒ(r cos u, r sin u) ve r’nin çarpımının, Kartezyen ru-düzleminde bir G bölgesindeki integralidir. Aşağıda başka bir değişken dönüşümünün örneği vardır. p 2 G ÖRNEK 1 ‹ntegrasyon ‹çin Bir Dönüflüm Uygulamak x = sy>2d + 1 2x - y 4 L0 Lx = y>2 0 r 1 dx dy integralini u = Kartezyen ru-düzlemi x r cos u y r sin u 2 2x - y , 2 y = y 2 (4) dönüşümünü uygulayarak ve uy-düzleminde uygun bir bölgede integre ederek hesaplayın. Çözüm xy-düzlemindeki R integrasyon bölgesini çizer ve sınırlarını belirleriz (Şekil 15.49). y u p 2 v 1 R 2 y xuv y 2v v2 y4 4 y 2x u0 0 1 x u0 u1 G R y 2x 2 Kartezyen xy-düzlemi fiEK‹L 15.48 x = r cos u, y = r sin u denklemleri G’yi R’ye dönüştürür. 0 v0 1 u 0 x 1 y0 fiEK‹L 15.49 x = u + y ve y = 2y denklemleri G’yi R’ye dönüştürür. Dönüşümü u = (2x – y)@2 ve y = y@2 denklemleriyle tersine çevirmek R’yi G’ye dönüştürür (Örnek 1). (1) denklemini uygulamak için, karşılık gelen uy-bölgesi G’yi ve dönüşümün Jakobiyenini bulmamız gerekir. Bunları bulmak için, (4) denklemlerinden x ve y’yi u ve y cinsinden çözeriz. Kısa bir hesaplama x=u+y y = 2y (5) verir. Bu ifadeleri R’nin sınırlarının denklemlerinde yerine koyarak G’nin sınırlarını buluruz (Şekil 15.49). R’nin sınırlarının xy-denklemleri G’nin sınırlarının karşılık gelen uY-denklemleri Basitleştirimiş uY-denklemleri x = y>2 x = s y>2d + 1 y = 0 y = 4 u + y = 2y>2 = y u + y = s2y>2d + 1 = y + 1 2y = 0 2y = 4 u = 0 u = 1 y = 0 y = 2 15.7 Çok Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü 1131 Dönüşümün Jakobiyeni (yine (5) denklemlerinden) Jsu, yd = 4 0x 0u 0x 0y 0y 0u 0y 0y 4 = 4 0 su + yd 0u 0 su + yd 0y 0 s2yd 0u 0 s2yd 0y 4 = `1 0 1 ` = 2. 2 bulunur. Artık (1) denklemini uygulamak için her şeye sahibiz: 4 x = sy>2d + 1 2x - y L0 Lx = y>2 2 y=2 dx dy = Ly = 0 Lu = 0 2 = ÖRNEK 2 v 1 0 u=1 L0 L0 u ƒ Jsu, yd ƒ du dy 1 2 suds2d du dy = L0 1 cu 2 d dy = 0 2 L0 dy = 2. ‹ntegrasyon ‹çin Bir Dönüflüm Uygulamak Aşağıdaki integrali hesaplayın. vu 1 G 1 u1 1-x 2x + y s y - 2xd2 dy dx. L0 L0 u v –2u Çözüm xy-düzlemindeki integrasyon bölgesi R’yi çizer ve sınırları belirleriz (Şekil 15.50). İntegrand, u = x + y ve y = y – 2x dönüşümünü önerir. Biraz cebir, x ve y’yi u ve y cinsinden verir: –2 u v 3 3 2u y v 3 3 x x = y u y - , 3 3 y = 2u y + . 3 3 (6) (6) denklemlerinden uy-bölgesi’nin sınırlarını bulabiliriz (Şekil 15.50). 1 R’nin sınırlarının xy-denklemleri xy1 x0 R x + y = 1 0 y0 1 x fiEK‹L 15.50 x = (u@3) – (y@3) ve y = (2u@3) + (y@3) denklemleri G’yi R’ye dönüştürür. Dönüşümü u = x + y ve v = y – 2x denklemleriyle tersine çevirmek, R’yi G’ye dönüştürür (Örnek 2). x = 0 y = 0 G’nin sınırlarının karşılık gelen uY-denklemleri a u 2u y y - b + a + b = 1 3 3 3 3 u y = 0 3 3 2u y + = 0 3 3 (6) denklemindeki dönüşümün Jakobiyeni Jsu, yd = 4 olarak bulunur. 0x 0u 0x 0y 0y 0u 0y 0y 4 = 4 1 3 2 3 - 1 3 4 = 1. 3 1 3 Basitleştirimiş uY-denklemleri u = 1 y = u y = -2u 1132 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller (1) denklemini uygulayarak, integrali hesaplarız: 1 1-x u=1 2x + y s y - 2xd2 dy dx = L0 L0 1 u y=u Lu = 0 Ly = -2u u 1>2 y 2 ƒ Jsu, yd ƒ dy du y=u 1 = 1 1 1 u 1>2 y 2 a b dy du = u 1>2 c y 3 d du 3 3L0 3 y = -2u L0 L-2u = 1 2 2 u 1>2su 3 + 8u 3 d du = u 7>2 du = u 9/2 d = . 9L0 9 9 0 0 L 1 1 1 Üç Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü Bölüm 15.6’daki silindirik ve küresel koordinat dönüşümleri, üç katlı integrallerdeki değişkenlerin değişimlerini, üç boyutlu bölgelerin dönüşümleri olarak resimleyen bir dönüşüm yönteminin özel durumlarıdır. Yöntem, şimdi iki yerine üç boyutta çalışmamızın dışında, iki katlı integrallerdeki yöntem gibidir. uyw-uzayındaki bir G bölgesinin xyz-uzayındaki bir D bölgesine, Şekil 15.51’de önerildiği gibi, x = g(u, y, w), y = h(u, y, w), z = k(u, y, w) formundaki diferansiyellenebilir denklemlerle bire-bir olarak dönüştürüldüğünü varsayın. Bu durumda, D üzerinde tanımlı herhangi bir F(x, y, z) fonksiyonu G üzerinde tanımlı bir Fsgsu, y, wd, hsu, y, wd, ksu, y, wdd = Hsu, y, wd fonksiyonu olarak düşünülebilir. g, h ve k’nin birinci mertebe kısmi türevleri var ve sürekli iseler, F(x, y, z)’nin D üzerindeki integrali H(u, y, w)’nun G üzerindeki integraline 9 Fsx, y, zd dx dy dz = D 9 Hsu, y, wd ƒ Jsu, y, wd ƒ du dy dw. (7) G denklemiyle bağlıdır. w z x g(u, y, w) y h(u, y, w) z k(u, y, w) G D y u Kartezyen uyw-uzayı y x Kartezyen xyz-uzayı fiEK‹L 15.51 x = g(u, y, w), y = h(u, y, w) ve z = k(u, y, w) denklemleri Kartezyen xyz-uzayının bir D bölgesindeki bir integrali Kartezyen uyw-uzayının bir G bölgesindeki bir integrale dönüştürmemizi sağlar. 15.7 z Kenarları koordinat eksenlerine paralel küp Çok Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü 1133 Bu denklemde mutlak değeri görülen J(u, y, w) çarpanı Jsu, y, wd = 6 G 0x 0u 0x 0y 0x 0w 0y 0u 0y 0y 0y 0sx, y, zd 6 = . 0w 0su, y, wd 0z 0u 0z 0y 0z 0w u r Jakobiyen determinantıdır. Bu determinant, (u, y, w)’dan (x, y, z) koordinatlarına dönüşüm tarafından, G’deki bir nokta yakınındaki hacmin ne kadar genişlediğini veya büzüldüğünü ölçer. İki boyutlu durumda olduğu gibi, (7) denklemindeki değişkendönüşümü-formülünün türetilişi karmaşıktır ve burada bunun üzerinde durmayacağız. Silindirik koordinatlar için, u, y ve w’nun yerini r, u ve z alır. Kartezyen ruzuzayından Kartezyen xyz-uzayına dönüşüm Kartezyen ruz-uzayı x r cos u y r sin u zz z x = r cos u, z sabit y = r sin u, z = z denklemleriyle verilir (Şekil 15.52). Dönüşümün Jakobiyeni D 0x 0r u sabit x r sabit y Jsr, u, zd = 6 Kartezyen xyz-uzayı fiEK‹L 15.52 x = r cos u, y = r sin u ve z = z denklemleri G küpünü D silindirik takozuna dönüştürür. 0y 0r 0x 0u 0y 0u 0z 0r 0z 0u 0x 0z cos u 0y 6 = 3 sin u 0z 0 0z 0z -r sin u r cos u 0 0 03 1 = r cos2 u + r sin2 u = r. olur. (7) denkleminin buna karşılık gelen versiyonu 9 Fsx, y, zd dx dy dz = D 9 Hsr, u, zd ƒ r ƒ dr du dz. G şeklindedir. r 0 olduğunda, mutlak değer işaretlerini kaldırabiliriz. Küresel koordinatlar için, u, y, w’nun yerini r, f ve u alır. Kartezyen rfu-uzayından Kartezyen xyz-uzayına dönüşüm x = r sin f cos u, y = r sin f sin u, z = r cos f denklemleriyle verilir (Şekil 15.53). Dönüşümün Jakobiyeni 0y 0r 0x 0f 0y 0f 0x 0u 0y 6 = r2 sin f 0u 0z 0r 0z 0f 0z 0u 0x 0r Jsr, f, ud = 6 olur (Alıştırma 17). 1134 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller (7) denkleminin buna karşılık gelen versiyonu 9 Fsx, y, zd dx dy dz = D 9 Hsr, f, ud ƒ p 2 sin f ƒ dr df du. G halini alır. 0 f p için sin f asla negatif olmadığından, mutlak değer işaretlerini kaldırabiliriz. Bunun, Bölüm 15.6’da elde ettiğimiz sonucun aynısı olduğuna dikkat edin. u Kenarları koordinat eksenlerine paralel küp u sabit z r G f r 1 G 2 1 u Kartezyen xyz-uzayı fiEK‹L 15.53 x = r sin f cos u, y = r sin f sin u ve z = r cos f denklemleri G küpünü D küresel takozuna dönüştürür. y Aşağıda başka bir değişken dönüşümü örneği vardır. Bu örnekteki integrali, doğrudan hesaplayabilir olmamıza rağmen, dönüşüm yöntemini basit bir (ve açıkçası sezgisel olarak) kurgu içinde açıklamak için seçtik. xuy y 2y z 3w z ÖRNEK 3 Arka düzlem: y x veya y 2x 2 3 x f sabit y u Kartezyen rfu-uzayı D (x, y, z) f x r sin f cos u y r sin f sin u z r cos f w r sabit ‹ntegrasyon ‹çin Bir Dönüflüm Uygulamak 3 4 x = sy>2d + 1 L0 L0 Lx = y>2 D a 2x - y z + b dx dy dz 2 3 integralini u = s2x - yd>2, 1 4 y = y>2, w = z>3 (8) dönüşümünü uygulayarak ve uyw-uzayında uygun bir bölgede integral alarak hesaplayın. y x Ön düzlem: y x 1 veya y 2x 2 2 fiEK‹L 15.54 x = u + y, y = 2y ve z = 3w denklemleri G’yi D’ye dönüştürür. Dönüşümü u = (2x – y)@2, y = y@2 ve w = z@3 denklemleriyle tersine çevirmek D’yi G’ye dönüştürür (Örnek 3). Çözüm xyz-uzayında D integrasyon bölgesini çizer ve sınırlarını belirleriz. (Şekil 15.54). Bu durumda, sınır yüzeyler düzlemlerdir. (7) Denklemini uygulamak için, karşılık gelen uyw-bölgesi G’yi ve dönüşümün Jakobiyenini bulmamız gerekir. Bunları bulmak için, (8) denklemlerinden x, y ve z’yi u, y ve w cinsinden çözeriz. Biraz işlemle x = u + y, y = 2y, z = 3w (9) buluruz. Sonra bu ifadeleri D’nin sınır denklemlerinde yerine koyarak G’nin sınırlarını buluruz: 15.7 Çok Katl› ‹ntegrallerde De¤iflken Dönüflümü 1135 D’nin sınırlarının xyz-denklemleri G’nin sınırlarının karşılık gelen uYw-denklemleri Basitleştirilmiş uYw-denklemleri x = y>2 x = s y>2d + 1 y = 0 y = 4 z = 0 z = 3 u + y = 2y>2 = y u + y = s2y>2d + 1 = y + 1 2y = 0 2y = 4 3w = 0 3w = 3 u = 0 u = 1 y = 0 y = 2 w = 0 w = 1 Dönüşümün Jakobiyeni, yine (9) denklemlerinden, Jsu, y, wd = 6 0x 0u 0x 0y 0y 0u 0y 0y 0z 0u 0z 0y 0x 0w 1 0y 6 = 30 0w 0 0z 0w 1 2 0 0 0 3 = 6. 3 olarak bulunur. Artık elimizde (7) denklemini uygulamak için her şey vardır: 3 x = sy>2d + 1 4 L0 L0 Lx = y>2 1 = 2 2 su + wd ƒ Jsu, y, wd ƒ du dy dw 1 L0 L0 L0 1 = 6 L0 L0 2x - y z + b dx dy dz 2 3 1 L0 L0 L0 1 = a 2 1 su + wds6d du dy dw = 6 L0 L0 a 1 2 c 1 u2 + uw d dy dw 2 0 2 1 y 1 + wb dy dw = 6 c + yw d dw = 6 s1 + 2wd dw 2 0 L0 2 L0 = 6 C w + w 2 D 0 = 6s2d = 12. 1 Bu bölümün amacı, koordinat dönüşümlerinin içerdiği fikirlerle sizleri tanıştırmaktı. Dönüşümler, Jakobiyen ve çok değişkenli dönüşümlerin esaslı bir incelemesi bir lineer cebir dersinden sonra ileri analizde daha iyi verilmektedir. ALIfiTIRMALAR 15.7 ‹ki De¤iflken ‹çin Jakobiyenler ve Dönüfltürülmüfl Bilgeler Bulmak 1. a. u = x - y, y = 2x + y sisteminden x ve y’yi u ve y cinsinden çözün. Sonra ∂(x, y)@∂(u, y) Jakobiyeninin değerini bulun. b. xy-düzleminde köşeleri (0, 0), (1, 1) ve (1, –2)’de bulunan üçgen bölgenin u = x – y, y = 2x + y dönüşümü altındaki görüntüsünü bulun. uv-düzleminde dönüştürülmüş bölgeyi çizin. 2. a. u = x + 2y, y = x - y sisteminden x ve y’yi u ve y cinsinden çözün. Sonra ∂(x, y)@∂(u, y) Jakobiyeninin değerini bulun. 1136 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller b. xy-düzleminde y = 0, y = x ve x + 2y = 2 doğrularıyla sınırlı üçgen bölgenin u = x + 2y, y = x – y dönüşümü altındaki görüntüsünü bulun. uy-düzleminde dönüştürülmüş bölgeyi çizin. 9. R, xy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinde xy = 1, xy = 9 hiperbolleri ve y = x, y = 4x doğrularıyla sınırlı bölge olsun. u 0 ve y 0 ile x = u@y, y = uy dönüşümünü kullanarak 3. a. u = 3x + 2y, y a x + 2xyb dx dy A 6 y = x + 4y sisteminden x ve y’yi u ve y cinsinden çözün. Sonra ∂(x, y)@∂(u, y) Jakobiyeninin değerini bulun. b. xy-düzleminde x-ekseni, y-ekseni ve x + y = 1 doğrusuyla sınırlı üçgen bölgenin u = 3x+ 2y, y = x + 4y dönüşümü altındaki görüntüsünü bulun. uy-düzleminde dönüştürülmüş bölgeyi çizin. R integralini uy-düzleminde uygun bir G bölgesinde yeniden yazın. Sonra G üzerinde uy-integralini hesaplayın. 10. a. x = u, y = uy dönüşümünün Jakobiyenini bulun ve uy-düzlemindeki G: 1 u 2, 1 uy 2 bölgesini çizin. b. Sonra 2 2y L1 L1 4. a. u = 2x - 3y, y = -x + y sisteminden x ve y’yi u ve y cinsinden çözün. Sonra ∂(x, y)@∂(u, y) Jakobiyeninin değerini bulun. b. xy-düzleminde sınırları x = –3, x = 0, y = x ve y = x + 1 olan R paralelkenarının u = 2x – 3y, y = –x + y dönüşümü altındaki görüntüsünü bulun. uy-düzleminde dönüştürülmüş bölgeyi çizin. ‹ki Katl› ‹ntegraller hesaplamak ‹çin Dönüflüm Uygulamak 5. Örnek 1’deki x = s y>2d + 1 2x - y 4 L0 Lx = y>2 2 dx dy integralini doğrudan x ve y’ye göre integre ederek değerinin 2 olduğunu doğrulayın. 6. Birinci dörtte bir bölgede y = –2x + 4, y = –2x + 7, y = x – 2 ve y = x + 1 doğrularıyla sınırlı R bölgesinde 2 2 s2x - xy - y d dx dy 6 R integralini hesaplamak için Örnek 1’deki dönüşümü kullanın. 7. Birinci dörtte bir bölgede y = –(3@2)x + 1, y = –(3@2)x + 3, y = –(1@4)x ve y = (1@4)x + 1 doğrularıyla sınırlı R bölgesinde 2 2 s3x + 14xy + 8y d dx dy 6 R integralini hesaplamak için Örnek 3’teki dönüşümü kullanın. 8. Alıştırma 4’teki dönüşüm ve paralelkenarı kullanarak 2sx - yd dx dy. 6 R integralini hesaplayın. x dy dx integralini G’de bir integrale dönüştürmek için (1) denklemini kullanın ve iki integrali de hesaplayın. 11. Eliptik bir levhanın kutupsal eylemsizlik momenti Sabit yoğunluklu ince bir levha xy-düzleminde x2@a2 + y2@b2 = 1, a 0, b 0 elipsiyle sınırlı bölgeyi kaplamaktadır. Plakanın orijin etrafındaki birinci momentini bulun (İpucu: x = ar cos u, y = br sin u dönüşümünü kullanın). 12. Bir elipsin alanı x2@a2 + y2@b2 = 1 elipsinin alanı, pab, ƒ(x, y) = 1 fonksiyonu xy-düzleminde elipsle sınırlı bölgede integre edilerek bulunabilir. İntegrali doğrudan hesaplamak trigonometrik bir değişken dönüşümü gerektirir. İntegrali hesaplamanın daha kolay bir yolu x = au, y = by dönüşümünü kullanmak ve dönüştürülmüş integrali uy-düzleminde G: u2 + y2 1 dairesi üzerinde hesaplamaktır. Alanı bu yolla bulun. 13. Örnek 2’deki dönüşümü kullanarak, 2>3 2 - 2y sx + 2yde sy - xd dx dy L0 Ly integralini, önce uy-düzleminde bir G bölgesi üzerinde bir integral olarak yazın ve hesaplayın. 14. x = u + (1@2)y , y = y dönüşümünü kullanarak, 2 sy + 4d>2 L0 Ly>2 2 y 3s2x - yde s2x - yd dx dy integralini, önce uy-düzleminde bir G bölgesi üzerinde bir integral olarak yazın ve hesaplayın. Jakobiyen Determinantlar› Bulmak 15. Verilen dönüşümlerin ∂(x, y)@∂(u, y) Jakobiyenini bulun. a. x = u cos y, y = u sin y b. x = u sin y, y = u cos y. 16. Verilen dönüşümlerin ∂(x, y, z)@∂(u, y, w) Jakobyenini bulun. a. x = u cos y, y = u sin y, z = w b. x = 2u - 1, y = 3y - 4, z = s1>2dsw - 4d. 17. Uygun determinantı hesaplayarak Kartezyen rfu-uzayından Kartezyen xyz-uzayına dönüşümün Jakobiyeninin r2 sin f olduğunu gösterin. Bölüm 15 18. Tek katlı integrallerde değişken dönüşümü Tek katlı belirli integrallerde değişken dönüşümleri bölgelerin dönüşümü olarak nasıl görülebilir? Böyle bir durumda Jakobiyen nedir? Bir örnekle canlandırın. Üç Katl› ‹ntegraller Hesaplamak ‹çin Dönüflüm Uygulamak 19. Örnek 3’teki integrali x, y ve z’ye göre integre ederek hesaplayın. 20. Bir Elipsoidin Hacmi y2 x2 z2 + 2 + 2 = 1. 2 a b c elipsoidinin hacmini bulun (İpucu: x = au, y = by ve z = cw alın. Sonra uyw-uzayında uygun bir bölgenin hacmini bulun). 21. 9 ƒ xyz ƒ dx dy dz integralini 2 y x2 z2 + 2 + 2 … 1. 2 a b c elipsoidi üzerinde integre edin (İpucu: x = au, y = by ve z = cw alın. Sonra uyw-uzayında uygun bir bölgede integre edin). Bölüm 15 Bölüm Tekrar Sorular› 1137 22. D, xyz-uzayında 1 x 2, 0 xy 2, 0 z 1 eşitsizlikleriyle tanımlı bölge olsun. sx 2y + 3xyzd dx dy dz 9 D integralini u = x, y = xy, w = 3z dönüşümlerini uygulayıp, uyw-uzayında bir G bölgesinde integre ederek hesaplayın. 23. İçi dolu bir yarı-elipsoidin merkezi İçi dolu bir yarı-elipsoidin kütle merkezinin simetri ekseni üzerinde, tabandan üste doğru yolun üç bölü sekizinde olduğu sonucunun doğruluğunu varsayarak, uygun integralleri dönüştürerek, (x2@a2) + (y2@b2) + (z2@c2) 1, z 0 elipsoidinin kütle merkezinin z-ekseni üzerinde, tabandan tepeye olan yolun üç bölü sekizinde olduğunu gösterin (Bunu, integralleri hesaplamadan da yapabilirsiniz). 24. Silindirik kabuklar Bölüm 6.2’de kabuk yöntemini kullanarak bir dönel cismin hacminin nasıl bulunacağını öğrendik; Yani, y = ƒ(x) eğrisi ve a’dan b’ye kadar x-ekseni arasındaki bölge (0 a b) y-ekseni etrafında döndürülürse, elde edilen katı cismin hacmi 1 ba 2pxƒsxd dx . dir. Hacimleri, üç katlı integraller kullanarak bulmanın aynı sonucu verdiğini ispatlayın (İpucu: y ve z’nin rollerini değiştirerek silindirik koordinatları kullanın). Bölüm Tekrar Sorular› 1. İki değişkenli bir fonksiyonun, koordinat düzleminde sınırlı bir bölge üzerinde iki katlı integralini tanımlayın. 2. İki katlı integraller ardışık integraller olarak nasıl hesaplanır? İntegrasyon sırası önemli midir? İntegrasyon sınırları nasıl belirlenir? Örnek verin. 3. Alanları, ortalama değerleri, kütleleri, momentleri, kütle merkezlerini ve jirasyon yarıçaplarını hesaplamak için iki katlı integraller nasıl kullanılır? Örnekler verin. 4. Kartezyen koordinatlarda iki katlı bir integrali kutupsal koordinatlarda iki katlı bir integrale nasıl dönüştürürsünüz? Bunu yapmak neden gerekebilir? Bir örnek verin. 5. Bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun, uzayda sınırlı bir bölgede üç katlı integralini tanımlayın. 6. Kartezyen koordinatlarda üç katlı integraller nasıl hesaplanır? İntegrasyon sınırları nasıl belirlenir? Bir örnek verin. 7. Kartezyen koordinatlarda üç katlı integraller hacimleri, ortalama değerleri, momentleri, kütle merkezlerini ve jirasyon yarıçaplarını hesaplamakta nasıl kullanılır? Örnekler verin. 8. Silindirik ve küresel koordinatlarda üç katlı integraller nasıl tanımlanır? Neden Kartezyen koordinatlarda çalışmak yerine bu koordinat sistemlerinden birini seçmek isteyesiniz? 9. Silindirik ve küresel koordinatlarda üç katlı integraller nasıl hesaplanır? İntegrasyon sınırları nasıl bulunur? Örnek verin. 10. İki katlı integrallerde değişken dönüşümleri, nasıl iki boyutlu bölgelerin dönüşümü olarak görülebilir. Örnek bir hesaplama verin. 11. Üç katlı integrallerde değişken dönüşümleri, nasıl üç boyutlu bölgelerin dönüşümü olarak görülebilir. Örnek bir hesaplama verin. 1138 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller Bölüm 15 Problemler Düzlemsel ‹ntegrasyon Bölgeleri Kütleler ve Momentler 1–4 problemlerinde, integrasyon bölgesini çizin ve iki katlı integrali hesaplayın. 19. Merkez xy-düzleminde x = 2, y = 2 doğruları ve xy = 2 hiperbolü ile sınırlı “üçgensel” bölgenin merkezini bulun. 10 1. 1>y ye dx dy L1 L0 29 - 4t 3>2 3. x3 1 xy 2. 2 L0 L-29 - 4t 2 4. dy dx 2 - 2y 1 t ds dt e L0 L0 y>x xy dx dy L0 L2y ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek 5–8 problemlerinde, integrasyon bölgesini çizin ve integrasyon sırası, verilenin tersi olan eşdeğer bir integral yazın. Sonra iki integrali de hesaplayın. 4 5. sy - 4d>2 L0 L-24 - y 6. L0 L-29 - 4y2 2x dy dx L0 Lx 2 y dx dy 8. 2x dy dx L0 L0 L0 L2y 8 11. 2 2 2 4 cos sx d dx dy 2 dy dx 3 x y + 1 L0 L2 4 10. L0 Ly>2 1 12. 1 x2 e dx dy 1 2p sin px 2 dx dy 3 x2 y L0 L2 Alan ve Hacimler 13. Doğru ve parabol arasındaki alan xy-düzleminde y = 2x + 4 doğrusu ve y = 4 – x2 parabolü ile sınırlı bölgenin alanını bulun. 14. Doğrular ve parabol ile sınırlı alan xy-düzleminde sağdan y = x2 parabolü, soldan x + y = 2 doğrusu ve üstten y = 4 doğrusuyla sınırlı “üçgensel” bölgenin alanını bulun. 15. Bir paraboloidin altındaki bölgenin hacmi xy-düzleminde y = x, x = 0 ve x + y = 2 doğrularıyla çevrili üçgenin üzerinde ve z = x2 + y2 paraboloidinin altında kalan hacmi bulun. 16. Bir parabolik silindirin altındaki bölgenin hacmi xy-düzleminde y = 6 – x2 parabolü ve y = x doğrusuyla çevrili bölgenin üzerinde ve z = x2 parabolik silindirinin altında kalan hacmi bulun. Ortalama De¤erler ƒ(x, y) = xy’nin Problem 17 ve 18’de verilen bölgelerdeki ortalama değerini bulun. 17. Birinci bölgede x = 1, y = 1 doğrularıyla sınırlı kare. 18. Birinci bir bölgede x2 + y2 1 çeyrek dairesi. a. xy-düzleminde x = ;2, y = ;1 b. xy-düzleminde x = ;a, y = ;b (İpucu: Ix’i bulun. Sonra Ix formülünden Iy’yi bulun ve ikisini toplayarak I0’ı bulun). 4 - x2 9–12 problemlerindeki integralleri hesaplayın. 9. 22. Kutupsal moment Aşağıdaki doğrularla sınırlı sabit d = 1 yoğunluklu dikdörtgen levhanın merkezi etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. x ‹ki Katl› ‹ntegralleri Hesaplamak 1 21. Kutupsal moment y-ekseni ve xy-düzleminde y = 2x ve y = 4 doğrularıyla sınırlı sabit d = 3 yoğunluklu ince bir üçgen levhanın orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. 2 29 - 4y2 3>2 7. 1 dx dy 20. Merkez xy-düzleminde x + y2 – 2y = 0 parabolü ve x + 2y = 0 doğrusu arasında kalan bölgenin merkezini bulun. 23. Eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı xy-düzleminde köşeleri (0, 0), (3, 0) ve (3, 2)’de olan üçgen bölgeyi kaplayan sabit d yoğunluklu plakanın x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ile jirasyon yarıçapını bulun. 24. Değişken yoğunluklu plaka Yoğunluğu d(x, y) = x + 1 ise, xydüzleminde y = x doğrusu ve y = x2 parabolüyle sınırlanan ince bir plakanın kütle merkezini ve koordinat eksenleri etrafındaki eylemsizlik momentleri ile jirasyon yarıçaplarını bulun. 25. Değişken yoğunluklu plaka Yoğunluğu d(x, y) = x2 + y2 + 1@3 ise, xy-düzleminde x = 1, y = 1 doğrularıyla sınırlı ince kare plakanın kütlesini ve koordinat eksenleri etrafındaki birinci momentlerini bulun. 26. Aynı eylemsizlik momentli ve jirasyon yarıçaplı üçgenler Tabanı x-ekseni üzerindeki [0, b] aralığında bulunan ve tepe noktası x-ekseninin üst tarafında y = h doğrusu üzerinde olan sabit d yoğunluklu ince üçgen plakanın x-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini ve jirasyon yarıçapını bulun. Göreceğiniz gibi, bu tepe noktasının nerede olduğu önemli değildir. Bu çeşit bütün üçgenlerin eylemsizlik momentleri ve jirasyon yarıçapları aynıdır. Kutupsal Koordinatlar 27 ve 28 problemlerindeki integralleri kutupsal koordinatlara dönüştürerek hesaplayın. 1 21 - x 2 2 dy dx 27. 2 s1 + x 2 + y 2 d2 -1 -21 x LL 1 21 - y 2 ln sx 2 + y 2 + 1d dx dy L-1L-21 - y 2 29. Merkez Kutupsal koordinat düzleminde 0 r 3, –p@3 u p@3 eşitsizlikleriyle tanımlanan bölgenin merkezini bulun. 28. Bölüm 15 Problemler 1139 30. Merkez Birinci dörtte bir bölgede, u = 0 ve u = p@2 ışınları ile r = 1 ve r = 3 çemberleri arasında kalan bölgenin merkezini bulun. 41. Ortalama değer ƒsx, y, zd = 30xz 2x 2 + y’nin birinci sekizde bir bölgede koordinat düzlemleri ve x = 1, y = 3, z = 1 düzlemleriyle sınırlı bölgede ortalama değerini bulun. 31. a. Merkez Kutupsal koordinat düzleminde r = 1 + cos u kardioidinin içinde ve r = 1 çemberinin dışında kalan bölgenin merkezini bulun. 42. Ortalama değer r’nun r a (küresel koordinatlar) küresi üzerindeki ortalama değerini bulun. Silindirik ve Küresel Koordinatlar b. Bölgeyi çizin ve merkezi çiziminizde gösterin. 32. a. Merkez Kutupsal koordinat düzleminde 0 r a, – a u a (0 a p) eşitsizlikleriyle tanımlanan bölgenin merkezini bulun. a → p– için merkez nasıl hareket eder? b. a = 5p@6 için bölgeyi çizin ve merkezi çiziminizde belirtin. 33. Lemniskat üzerinde integrasyon ƒ(x, y) = 1@(1 + x2 + y2)2 fonksiyonunu (x2 + y2)2 – (x2 – y2) = 0 lemniskatının bir döngüsü üzerinde integre edin. 34. ƒ(x, y) = 1@(1 + x2 + y2)2’yi aşağıdaki bölgelerde integre edin. 43. Silindirikten kartezyen koordinatlara 2p 44. Kartezyenden silindirik koordinatlara (a) Silindirik koordinatlara dönüştürün. Sonra (b) integrali hesaplayın. Kartezyen Koordinatlarda Üç Katl› ‹ntegraller ln 7 36. cos sx + y + zd dx dy dz ln 2 Lln 4 x2 x+y e x e sx + y + zd dz dy dx s2x - y - zd dz dy dx L0 L0 L0 z 2y dy dz dx 3 L1 L1 L0 z 39. Hacim Yanlardan x = – cos y, –p@2 y p@2 silindiri, üstten z = –2x düzlemi ve alttan xy-düzlemiyle sınırlı takoz şekilli bölgenin hacmini bulun. 38. z z z –2x z 4 x2 21 - x 2 1 dz dy dx 46. Kartezyen, silindirik ve küresel koordinatlar ƒ(x, y, z) = 6 + 4y’nin birinci sekizde bir bölgede z = 2x 2 + y 2 , konisi, x2 + y2 = 1 silindiri ve koordinat düzlemleriyle sınırlı bölgedeki integrali için (a) Kartezyen koordinatlarda, (b) silindirik koordinatlarda, (c) küresel koordinatlarda üç katlı ardışık birer integral yazın. Sonra (d) ƒ’nin integralini bu üç katlı integrallerden birini hesaplayarak bulun. 47. Silindirikten kartezyen koordinatlara Kartezyen koordinatlarda, p>2 23 24 - r 2 r 3ssin u cos udz 2 dz dr du . L0 L1 L1 integraline eşdeğer bir integral yazın. İntegrasyon sırasını önce z, sonra y, sonra da x olacak şekilde düzenleyin. 2 x 21xy 2 dz dy dx 48. Kartezyenden silindirik koordinatlara Bir cismin hacmi aşağıdaki gibidir: x –cos y –p 2 sx 2 + y 2d L-1L-21 - x 2L2x 2 + y 2 ln 5 Lln 6 L0 1 37. 1 p L0 L0 L0 21 - x 2 45. Kartezyenden küresel koordinatlara (a) Küresel koordinatlara dönüştürün. Sonra (b) integrali hesaplayın. 35–38 problemlerindeki integralleri hesaplayın. p 1 L0 L-21 - x 2L-sx 2 + y 2d b. Birinci bölge xy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesi p 24 - r 2 3 dz r dr du, r Ú 0 L0 L0 Lr integralini (a) integrasyon sırası dz dx dy olmak üzere Kartezyen koordinatlara ve (b) küresel koordinatlara dönüştürün. Sonra (c) integrallerden birini hesaplayın. a. Üçgensel bölge köşeleri (0, 0), (1, 0), (1, √ 3 )’te olan üçgen 35. 22 p 2 y x2 y2 4 y x 40. Hacim Üstten z = 4 – x2 silindiri, yanlardan x2 + y2 = 4 silindiri ve alttan xy-düzlemiyle sınırlı cismin hacmini bulun. 22x - x 2 24 - x2 - y 2 dz dy dx . L0 L0 L-24 - x 2 - y 2 a. Sınırını oluşturan yüzeylerin denklemlerini vererek cismi tanımlayın. b. İntegrali silindirik koordinatlara dönüştürün, ama integrali hesaplamayın. 49. Küresele karşı silindirik koordinatlar Küresel şekiller içeren üç katlı integraller, uygun hesaplama için her zaman küresel koordinatları gerektirmez. Bazı hesaplamalar silindirik koordinatlarda daha kolay yapılabilir. Örnek olarak, üstten x2 + y2 + z2 = 8 küresi 1140 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller ve alttan z = 2 düzlemi ile sınırlı bölgenin hacmini (a) silindirik koordinatlar, (b) küresel koordinatlar kullanarak hesaplayın. 50. Küresel koordinatlarda Iz bulmak Üstten r = 2 küresi ve alttan f = p@3 konisi (küresel koordinatlar) ile sınırlı sabit d = 1 yoğunluklu cismin z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. 51. ‘‘Kalın’’ bir kürenin eylemsizlik momentini bulmak a ve b yarıçaplı (a b) iki eşmerkezli küre ile sınırlı sabit d yoğunluklu bir cismin bir çap etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. 52. Bir elmanın eylemsizlik momenti Küresel koordinatlarda r = 1 – cos f yüzeyi ile çevrili d = 1 yoğunluklu katı cismin zekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun. Cisim, aşağıdaki şekilde renkli eğrinin z-ekseni etrafında döndürülmesi ile elde edilir. z De¤iflken Dönüflümleri 53. u = x – y ve y = y ise, q L0 L0 x q e -sx ƒsx - y, yd dy dx = q L0 L0 e -ssu + yd ƒsu, yd du dy. olduğunu gösterin. 54. q q 2 L- qL- q 2 e -sax + 2bxy + cy d dx dy = 1? olmasını sağlamak için a, b ve c arasında nasıl bir ilişki olmalıdır? (İpucu: (ad – bg)2 = ac – b2 olmak üzere s = ax + by ve t = gx + dy olsun. Bu durumda, ax2 + 2bxy + cy2 = s2 + t2 olur.) = 1 cos y x Bölüm 15 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar z Hacimler r 2 sin f 1. Kum tepesi: İki ve üç katlı integraller Bir kum tepesinin tabanı xy-düzleminde x2 + y = 6 parabolü ve y = x doğrusuyla sınırlı bölgeyi kaplamaktadır. (x, y) noktasının üzerindeki kumun yüksekliği x2’dir. Kumun hacmini (a) iki katlı bir integral, (b) üç katlı bir integral olarak ifade edin. Sonra (c) hacmi bulun. y 2. Yarım küre şeklilli kap içindeki su 5 cm yarıçaplı yarım küre şekilli bir kap tepesine 3 cm kalana kadar suyla doldurulmuştur. Kaptaki suyun hacmini bulun. 3. İki düzlem arasında silindirik katı bölge x2 + y2 1 katı (içi dolu) silindirinin z = 0 ve x + y + z = 2 düzlemleri arasında kalan kısmının hacmini bulun. 2 2 2 4. Küre ve paraboloid Üstten x + y + z = 2 küresi ve alttan z = x2 + y2 paraboloidiyle sınırlı bölgenin hacmini bulun. x 7. Kürede delik Bir katı (içi dolu) küreye dairesel silindirik bir delik delinmiştir. Deliğin ekseni kürenin bir çapıdır. Kalan cismin hacmi 2p 5. İki paraboloid Üstten z = 3 – x2 – y2 paraboloidi ve alttan z = 2x2 + 2y2 paraboloidi ile sınırlı bölgenin hacmini bulun. 6. Küresel koordinatlar Küresel koordinatlarda r = 2 sin f yüzeyi ile çevrili bölgenin hacmini bulun (Şekle bakın). V = 2 L0 L0 23 L1 24 - z 2 r dr dz du . dir. a. Deliğin ve kürenin yarıçaplarını bulun. b. İntegrali hesaplayın. 8. Küre ve silindir r2 + z2 9 küresinden r = 3 sin u silindiriyle kesilen malzemenin hacmini bulun. Bölüm 15 Ek ve ‹leri Al›flt›rmalar 1141 9. İki paraboloid z = x2 + y2 ve z = (x2 + y2 + 1)@2 yüzeyleriyle çevrili bölgenin hacmini bulun. kaplamaktadır. Hangi a değeri plakanın orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini minimize eder? 10. Silindir ve yüzey z = xy Birinci sekizde bir bölgede r = 1 ve r = 2 silindirleri arasında bulunan ve alttan xy-düzlemi, üstten z = xy yüzeyi ile sınırlı bölgenin hacmini bulun. 16. Üçgensel bir plakanın kutupsal eylemsizlik momenti y-ekseni ve xy-düzleminde y = 2x ve y = 4 doğrularıyla sınırlı, sabit d = 3 yoğunluklu ince üçgen bir plakanın orijin etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. ‹ntegrasyon S›ras›n› De¤ifltirmek 17. Bir volanın denge ağırlığının kütlesi ve kutupsal eylemsizlik momenti Sabit d = 1 yoğunluklu bir volanın denge ağırlığı a yarıçaplı bir daireden, merkezden b kadar uzaktaki (b a) bir kirişle kesilen küçük parça şeklindedir. Denge ağırlığının kütlesini ve volanın merkezi etrafındaki kutupsal eylemsizlik momentini bulun. 11. Aşağıdaki integrali hesaplayın q L0 e -ax - e -bx dx. x (İpucu: İki katlı bir integral oluşturmak için 18. Bir bumerangın merkezi xy-düzleminde y2 = – 4(x – 1) ve y2 = –2(x – 2) parabolleri arasındaki bumerang şekilli bölgenin merkezini bulun. b e -ax - e -bx = x La e -xy dy bağıntısını kullanın ve integrasyon sırasını değiştirerek integrali hesaplayın.) 12. a. Kutupsal koordinatlar Kutupsal koordinatlara geçerek, a 0 ve 0 b p@2 olmak üzere 2a2 - y2 a sin b Ly cot b L0 ln sx 2 + y 2 d dx dy = a 2 b aln a - 1 b, 2 Teori ve Uygulamalar 19. a ve b pozitif sayılar ve 2 2 2 2 x 2aÚ y b22xx22 bif2xb2 2 y aise max sb 2x 2, a 2y 2 d = e 2 22 2 22 2 2 2 2 2 a y bif xb x a6y a ise y . olmak üzere a olduğunu gösterin. b. Kartezyen integralin integrasyon sırasını değiştirerek yeniden yazın. 13. İki katlı bir integrali tek kata indirgemek İntegrasyon sırasını değiştirerek, aşağıdaki iki katlı integralin tek katlı bir integrale indirgenebileceğini gösterin: x u L0 L0 L0 L0 L0 y 0 2Fsx, yd dx dy 6 0x 0y sx - tde msx - td ƒstd dt . integralinin sonucunun F(x1, y1) – F(x0, y1) – F(x1, y0) + F(x0, y0) u e msx - td ƒstd dt du dy = L0 L0 L0 L0 olduğu gösterilebilir. x sx - td2 2 e msx - td ƒstd dt. 14. İki katlı bir integrali sabit sınırlar elde etmek üzere dönüştürmek Bazen, sınırları değişken olan çok katlı bir integral, sınırları sabit olan bir integrale dönüştürülebilir. İntegrasyon sırasını değiştirerek, aşağıdaki bağıntıyı gösterin. 1 L0 ƒsxd a gsx - ydƒs yd dyb dx 1 = L0 ƒs yd a 1 olduğunu gösterin. 21. ƒ(x, y)’nin x’in bir fonksiyonu ile y’nin bir fonksiyonun çarpımı ƒ(x, y) = F(x)G(y) şeklinde yazılabileceğini varsayın. Bu durumda ƒ’nin R: a x b, c y d dikdörtgeni üzerindeki integrali de 6 ƒsx, yd dA = a R b La Fsxd dxb a d Lc Gsyd dyb. (1) formülüyle bir çarpım olarak hesaplanabilir. Mantık yürütme şu şekildedir: x L0 2 2 20. x0 x x1, y0 y y1 dikdörtgeni üzerinde Aynı şekilde, x 2 2 e max sb x , a y d dy dx, integralini hesaplayın. x e msx - td ƒstd dt du = b d 1 Ly gsx - ydƒsxd dxb dy 6 ƒsx, yd dA = R 1 1 = gs ƒ x - y ƒ dƒsxdƒsyd dx dy. 2L0 L0 Lc a b FsxdGsyd dxb dy La d = b aGsyd Fsxd dxb dy Lc La d Kütle ve Momentler = 15. Kutupsal eylemsizlik momentini minimize etmek Sabit yoğunluklu ince bir plaka xy-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinde, köşeleri (0, 0), (a, 0) ve (a, 1@a)’da olan üçgen bir bölgeyi = a Lc a (ii) b La Fsxd dxbGsyd dy b La (i) (iii) d Fsxd dxb Lc Gsyd dy . (iv) 1142 Bölüm 15: Katl› ‹ntegraller a. (i)-(v) adımlarının nedenlerini açıklayın. Geçerli olduğunda, (1) denklemi zamandan tasarruf sağlar. Aşağıdaki integralleri hesaplamak için (1) denklemini kullanın. p>2 ln 2 2 1 x dx dy 2 L0 L0 L1 L-1 y 22. Duƒ, ƒ(x, y) = (x2 + y2)@2’nin u = u1i + u2j birim vektörü yönündeki doğrultu türevi olsun. e x cos y dy dx c. b. a. Ortalama değer bulmak Duƒ’nin birinci dörtte bir bölgeden x + y = 1 doğrusuyla kesilmiş üçgen bölgedeki ortalama değerini bulun. b. Ortalama değer ve merkez Genelde Duƒ’nin xy-düzlemindeki ortalama değerinin Duƒ’nin bölgenin merkezindeki değeri olduğunu gösterin. 23. Ωs1>2d’nin değeri q x-1 -t t e dt, L0 gamma fonksiyonu, faktoriyel fonksiyonunu negatif olmayan tamsayılardan diğer reel değerlere genişletir. Diferansiyel denklemler teorisinde özel yeri olan bir sayı ≠sxd = 1 t s1>2d - 1 e -t dt = ≠a b = 2 L0 L0 q q e -t 2t q 2 L0 e -y dy = dt. a. Kartezyen koordinatlarda çanak antenin tutacağı su miktarını veren üç katlı bir integral kurun, ama çözmeyin (İpucu: Koordinat sisteminizi çanak antenin “standart konumunda” ve su seviyesinin eğik olacağı şekilde yerleştirin.) (Dikkat: İntegrasyon sınırları “hoş” değildir). b. Çanak antenin içinde su bulundurmayacağı en küçük eğim nedir? 27. Sonsuz bir yarım silindir D, tek yüzü orijinden 1 birim yüksekte ve ekseni (0, 0, 1)’den ’a kadar giden ışın olan yarım silindirin içi olsun. Silindirik koordinatlar kullanarak 9 zsr 2 + z 2 d-5>2 dV. D (2) 2p . 2 olduğunu gösterin. b. (2) denkleminde y = 1t’yi alarak ≠s1>2d = 2I = 1p. olduğunu gösterin. 24. Dairesel plaka üzerinde toplam elektriksel yük R metre yarıçaplı dairesel bir plaka üzerindeki elektrik yükü dağılımı s(r, u) = kr (1 – sin u) coulomb@m2’dir (k bir sabit). s’yu plaka üzerinde integre ederek toplam yük Q’yu bulun. Bölüm 15 26. Bir çanak antendeki su Parabolik bir çanak anten 2 m genişliğinde ve 1@2 m derinliğindedir. Simetri ekseni dikeyden 30 derece eğiktir. integralini hesaplayın. sayısıdır. a. Bölüm 15.3’teki Alıştırma 37’yi yapmadıysanız, yaparak I = 25. Parabolik bir yağmur sarnıcı Bir çanak z = 0’dan z = 10 inçe kadar z = x2 + y2’nin grafiği şeklindedir. Çanağı kalibre edip, bir yağmur sarnıcı şekline dönüştürmek istiyorsunuz. Hangi yükseklikler 1 inç ve 3 inç yağmura karşılık gelir? 28. Hiperhacim 1 ba 1 dx’in sayı doğrusu üzerindeki [a, b] aralığının uzunluğu (tek boyutlu uzay), 4R 1 dA’nın xy-düzlemindeki R bölgesinin alanı (iki boyutlu uzay) ve 7D 1 dV ’nin üç boyutlu uzaydaki D bölgesinin hacmi (xyz-uzayı) olduğunu öğrendik. Devam edebilirdik: Q, 4-boyutlu uzayda bir bölgeyse (xyzw-uzayı), |Q 1 dV Q’nun “hiperhacmi” olur. Genelleştirme yeteneklerinizi ve 4 boyutlu uzayda bir Kartezyen koordinat sistemi kullanarak 3-boyutlu x2 + y2 + z2 + w2 = 1 küresi içindeki hiperhacmi bulun. Teknoloji Uygulama Projeleri Mathematica / Maple Module Şansınızı Deneyin : Üç Boyutta, Sayısal İntegrasyon İçin Monte Carlo Yöntemini deneyin Üç boyutta, sayısal integrasyon için Monte Carlo yöntemini kullanın. Mathematica / Maple Module Ortalamalar ve Momentler,Yeni Çizim Yöntemleri Keşfetmek, Kısım II Katlı integrallere ek olarak, geometrik simetriler kullanan bir formda momentler yöntemini kullanın Bölüm 16 VEKTÖR ALANLARINDA İNTEGRASYON G‹R‹fi Bu bölüm vektör alanlarında integrasyonla ilgilenir. Buradaki, mühendislerin ve fizikçilerin, akışkanın akışını, su altı iletim kablolarının tasarımını, yıldızlardaki ısı akışını ve bir uyduyu yörüngeye yerleştirmeyi açıklamada kullandıkları matematiktir. Özel olarak, bir kuvvet alanının, bir cismi alan içindeki bir yol boyunca hareket ettirmekle yapmış olduğu işi bulmakta kullanılan eğrisel integralleri tanımlıyoruz. Ayrıca, yüzey integrallerini tanımlıyoruz, böylece bir yüzeyden geçen akışkanın akış oranını bulabiliriz. Bu yeni integralleri hesaplamayı, öğrenmiş olduğumuz tek katlı, iki katlı ve üç katlı integrallere bağlayarak basitleştirmek için yol boyunca, korunmalı kuvvet alanları ve Green Teoremi gibi anahtar fikirler ve sonuçlar geliştiriyoruz. 16.1 E¤risel ‹ntegraller z tb r(t) sk (xk, yk, zk) x y ta fiEK‹L 16.1 t = a’dan t = b’ye kadar küçük yaylara bölünmüş r(t) eğrisi. Tipik bir alt yayın uzunluğu sk’dir. Bölüm 5’te, bir fonksiyonunun x-ekseninde sonlu bir [a, b] kapalı aralığı üzerindeki belirli integralini tanımladık. Belirli integralleri, ince bir çubuğun kütlesini veya x-ekseni doğrultusunda değişken bir kuvvetin yaptığı işi bulmak için kullandık. Şimdi, düzlemde veya uzayda bir eğri üzerinde bulunan ince çubukların veya tellerin kütlelerini hesaplamak veya böyle bir eğri boyunca etkiyen değişken bir kuvvetin yaptığı işi bulmak isteyebiliriz. Bu hesaplamalar için, x-ekseninde bir doğru parçası üzerinde integralden daha genel bir ‘‘eğrisel’’ integral kavramına ihtiyaç duyarız. Aslında, düzlemde veya uzayda bir C eğrisi üzerinde integral almamız gerekir. Daha genel olan bu integrallere “eğrisel integraller” denir. Tanımlarımızı uzay eğrileri için yapıyoruz. xy-düzlemindeki eğriler, uzay eğrilerinin z-koordinatı özdeş olarak sıfır olan bir özel durumudur. ƒ(x, y, z) reel-değerli bir fonksiyon olsun ve ƒ’nin tanım bölgesi içinde kalan bir r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k, a t b eğrisi üzerinde ƒ’yi integre etmek istiyelim. ƒ’nin eğri üzerindeki değerleri ƒ(g(t), h(t), k(t)) bileşke fonksiyonu ile verilir. Bu bileşkeyi t = a’dan t = b’ye kadar yay uzunluğuna göre integre edeceğiz. Başlamak için, önce eğriyi sonlu n sayıda alt yaylara böleriz (Şekil 16.1). Tipik alt yayın uzunluğu sk’dir. Her alt yayda bir (xk, yk, zk) noktası seçer ve n Sn = a ƒsxk , yk , zk d ¢sk . k=1 toplamını oluştururuz. ƒ sürekliyse ve g, h ve k fonksiyonlarının birinci mertebe türevleri sürekli ise, n arttıkça ve sk uzunlukları sıfıra yaklaştıkça, bu toplamlar bir limite ulaşırlar. Bu limite ƒ’nin eğri boyunca a’dan b’ye kadar eğrisel integrali deriz. Eğri tek bir harfle, örneğin C ile, gösteriliyorsa, integralin gösterimi LC ƒsx, y, zd ds “ƒ’ninintegral C üzerindeki integrali” “The of ƒ over C” (1) şeklinde olur. 1143 1144 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon r(t), a t b için düzgünse (v = dr@dt sürekli ve hiçbir zaman 0 değil), bt sstd = La t0 = a ile, Bölüm 13.3’teki (3) denklemi ƒ vstd ƒ dt denklemini kullanarak, (1) denklemindeki ds’yi ds = u v(t)u dt olarak ifade edebiliriz. İleri analizden bir teorem bu durumda ƒ’nin C üzerindeki integralini b LC ƒsx, y, zd ds = ƒsgstd, hstd, kstdd ƒ vstd ƒ dt. La olarak hesaplayabileceğimizi söyler. Bu son eşitliğin sağ tarafındaki integralin, Bölüm 5’te tanımladığımız ve t parametresine göre integre ettiğimiz gibi, sıradan (tek katlı) belirli bir integral olduğuna dikkat edin. Bu formül, parametrizasyon düzgün olduğu sürece, hangi parametrizasyonu kullandığımızdan bağımsız olarak, sol taraftaki eğrisel integrali doğru olarak hesaplayacaktır. Bir E¤risel ‹ntegral Nas›l Hesaplan›r Sürekli bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunu bir C eğrisi üzerinde integre etmek için: 1. C’nin düzgün bir parametrizasyonunu bulun: rstd = gstdi + hstdj + kstdk, 2. a … t … b İntegrali aşağıdaki gibi hesaplayın: b LC ƒsx, y, zd ds = La (2) ƒsgstd, hstd, kstdd ƒ vstd ƒ dt. ƒ’nin değeri sabit ve 1 ise, ƒ’nin C üzerindeki integrali C’nin uzunluğunu verir. ÖRNEK 1 z (1, 1, 1) Bir E¤risel ‹ntegral Hesaplamak ƒ(x, y, z) = x – 3y2 + z’yi orijinle (1, 1, 1) noktasını birleştiren c doğru parçası boyunca integre edin (Şekil 16.2). C y Çözüm Düşünebileceğimiz en basit parametrizasyonu seçeriz: r(t) = ti + tj + tk, x (1, 1, 0) 0t1 Bileşenlerin birinci mertebe türevleri süreklidir ve ƒ vstd ƒ = ƒ i + j + k ƒ = 212 + 12 + 12 = 23 hiçbir zaman sıfır olmaz, dolayısıyla parametrizasyon düzgündür. ƒ’nin C üzerindeki integrali fiEK‹L 16.2 Örnek 1’deki integrasyonun yolu. 1 LC ƒsx, y, zd ds = L0 ƒst, t, td A 23 B dt (2) denklemi 1 = L0 st - 3t 2 + td23 dt 1 = 23 L0 bulunur. s2t - 3t 2 d dt = 23 C t 2 - t 3 D 0 = 0. 1 16.1 E¤risel ‹ntegraller 1145 Toplanabilirlik Eğrisel integrallerin, bir C eğrisi sonlu sayıda C1, C2 , Á , Cn eğrilerinin arka arkaya eklenmesi ile oluşmuşsa, bir fonksiyonun C üzerindeki integralinin eğriyi oluşturan eğriler üzerindeki integrallerinin toplamına eşit olması gibi yararlı bir özelliği vardır: LC z ÖRNEK 2 (1, 1, 1) ƒ ds = LC1 ƒ ds + LC2 ƒ ds + Á + LCn ƒ ds. (3) Birlefltirilmifl ‹ki Yol ‹çin E¤risel ‹ntegral Şekil 16.3, orijinden (1, 1, 1)’e giden başka bir yolu, C1 ve C2 doğrularının birleşimini göstermektedir. ƒ(x, y, z) = x – 3y2 + z’yi C1 < C2 üzerinde integre edin. C2 (0, 0, 0) C1 x (1, 1, 0) fiEK‹L 16.3 Örnek 2’deki integrasyonun yolu. y C1 ve C2 için, hız vektörlerinin boylarını da kontrol ederek, düşünebileceğimiz en basit parametrizasyonu seçeriz: Çözüm C1: rstd = ti + tj, 0 … t … 1; C2: rstd = i + j + tk, ƒ v ƒ = 212 + 12 = 22 0 … t … 1; ƒ v ƒ = 20 2 + 0 2 + 12 = 1. Bu parametrizasyonlarla, LC1 Ć2 ƒsx, y, zd ds = LC1 ƒsx, y, zd ds + LC2 ƒsx, y, zd ds 1 = 1 ƒst, t, 0d22 dt + L0 L0 ƒs1, 1, tds1d dt 1 = L0 (3) denklemi (2) denklemi 1 st - 3t 2 + 0d22 dt + = 22 c 1 L0 s1 - 3 + tds1d dt 1 22 3 t2 t2 - t 3 d + c - 2t d = - . 2 2 2 2 0 0 buluruz. Örnek 1 ve 2’deki integrasyonlarla ilgili üç şeye dikkat edin. Birincisi, uygun eğrinin bileşenleri ƒ’nin formülüne yerleştirilir yerleştirilmez, integrasyon t’ye göre normal bir integrasyon halini alır. İkincisi, ƒ’nin C1 < C2 üzerindeki integrali, ƒ’nin yolun her kesimi üzerindeki integrali alınıp, sonuçların toplanması ile elde edilir. Üçüncüsü, ƒ’nin C ve C1 < C2 üzerinden integrallerinin değerleri farklıdır. Çoğu fonksiyon için, iki noktayı birleştiren bir eğri üzerindeki integral, yol değiştirilirse değişir. Ancak, bazı fonksiyonlar için değer, Bölüm 16.3’te göreceğimiz gibi, aynı kalır. Kütle ve Moment Hesaplamalar› Sarmal yaylara ve tellere uzayda düzgün eğriler boyunca dağılmış kütleler olarak bakacağız. Dağılım sürekli bir d(x, y, z) yoğunluk fonksiyonuyla (birim uzunluk başına kütle) tanımlanmaktadır. Yayın veya telin kütlesi, kütle merkezi ve momentleri Tablo 16.1’de verilen formüllerle hesaplanır. Formüller ince çubuklara da uygulanabilir. 1146 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon TABLO 16.1 Uzayda düzgün bir C e¤risi üzerinde bulunan sarmal yaylar, ince çubuklar ve tellerin kütle ve moment formülleri dsx, y, zd ds sd = d(x, y, z) = yoğunluk) LC Koordinat düzlemleri etrafındaki birinci momentler: Kütle: Mass: M = x d ds, Mxz = y d ds, Mxy = z d ds LC LC LC Kütle merkezinin koordinatları: x = Myz >M, y = Mxz >M, z = Mxy >M Eksenler ve diğer doğrular etrafındaki eylemsizlik momentleri: Myz = Ix = LC Iz = LC s y 2 + z 2 d d ds, Iy = LC sx 2 + y 2 d d ds, IL = LC sx 2 + z 2 d d ds r 2 d ds r(x, y, z) = (x, y, z) noktasından L doğrusuna olan uzaklık Bir L doğrusu etrafında jirasyon yarıçapı: ÖRNEK 3 RL = 2IL >M Kütle, Kütle Merkezi, Eylemsizlik Momenti, Jirasyon Yar›çap› Bulmak Bir yay r(t) = (cos 4t)i + (sin 4t)j + tk, 0 t 2p helisi üzerinde bulunmaktadır. Yayın yoğunluğu sabittir, d = 1. Yayın kütlesini, kütle merkezini ve z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ile jirasyon yarıçapını bulun. z 2p Çözüm Yayı çizeriz (Şekil 16.4). Bulunan simetriler yüzünden, kütle merkezi z-ekseni üzerinde (0, 0, p) noktasında bulunur. Kalan hesaplamalar için, önce u v(t) u’yi buluruz: (1, 0, 2p) kütle merkezi (0, 0, p) ƒ vstd ƒ = 2 2 dy 2 dx dz b + a b + a b dt dt B dt a = 2s -4 sin 4td2 + s4 cos 4td2 + 1 = 217 . Sonra, (2) denklemini kullanarak Tablo 16.1’deki formülleri hesaplarız: 2p M = 3 Helix Helis d ds = L0 s1d217 dt = 2p217 2p (1, 0, 0) y Iz = 3 Helix Helis = Örnek 3’teki helis şeklinde yay. L0 scos2 4t + sin2 4tds1d217 dt 2p x fiEK‹L 16.4 sx 2 + y 2 dd ds = L0 217 dt = 2p217 Rz = 2Iz >M = 22p117>s2p117d = 1. 16.1 1147 E¤risel ‹ntegraller z-ekseni etrafındaki jirasyon yarıçapının helisin etrafında döndüğü silindirin yarıçapı olduğuna dikkat edin. ÖRNEK 4 z Alt tarafı üst tarafından daha yoğun olan ince bir metal yay yz-düzleminde y2 + z2 = 1, z 0, yarım çemberinin üzerinde bulunmaktadır (Şekil 16.5). Yay üzerindeki (x, y, z) noktasında yoğunluk d(x, y, z) = 2 – z ise, yayın kütle merkezini bulun. 1 k.m. –1 1 y2 z2 1, z ⱖ 0 x Bir Yay›n Kütle Merkezini Bulmak Çözüm Yay, kütlesi z-eksenine göre simetrik dağılmış şekilde yz-düzleminde bulunduğu için x = 0 ve y = 0 olduğunu biliyoruz. z’yi bulmak için, çemberi y rstd = scos tdj + ssin tdk, 0 … t … p. olarak parametreleriz. Bu parametreleme ile fiEK‹L 16.5 Örnek 4, değişken yoğunluklu dairesel bir yayın kütle merkezinin nasıl bulunacağını gösterir. ƒ vstd ƒ = 2 2 dy 2 dx dz b + a b + a b = 2s0d2 + s -sin td2 + scos td2 = 1. dt dt B dt a bulunur. Bu durumda, Tablo 16.1’deki formüller p M = LC d ds = LC zd ds = LC s2 - zd ds = L0 s2 - sin tds1d dt = 2p - 2 p Mxy = LC zs2 - zd ds = p = s2 sin t - sin2 td dt = L0 ssin tds2 - sin td dt 8 - p 2 L0 Mxy 8 - p 8 - p# 1 = L 0.57. z = = M 2 2p - 2 4p - 4 verir. Yüzde bir hassaslıkla, z kütle merkezi (0, 0, 0.57)’dedir. ALIfiTIRMALAR 16.1 Vektör Denklemlerin Grafikleri 1–8 alıştırmalarındaki vektör denklemleri (a)-(h)’deki grafiklerle eşleştirin. a. b. z c. d. z z z (2, 2, 2) 2 –1 1 1 y x x 1 x y 1 2 y 2 x y 1148 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon e. f. z z z z 2 (0, 0, 1) (0, 0, 0) (1, 1, 1) 1 1 (1, 1, 1) y x x C2 –2 (1, 1, –1) x y C1 x (1, 1, 0) g. C3 (0, 0, 0) y y (0, 1, 1) C1 (1, 1, 1) –1 C2 h. (b) (a) z z fiEK‹L 16.6 15 ve 16 alıştırmalarındaki integrasyon yolları. 2 –2 2 16. ƒsx, y, zd = x + 1y - z 2’yi (0,0,0)’dan (1,1,1)’e (Şekil 16.6b) y 2 2 y x x 1. rstd = ti + s1 - tdj, 0 … t … 1 2. rstd = i + j + t k, -1 … t … 1 3. rstd = s2 cos tdi + s2 sin tdj, 4. rstd = ti, 0 … t … 2p 7. rstd = st 2 - 1dj + 2tk, rstd = tj + k, C3: rstd = ti + j + k, 0 … t … 1 0 … t … 1 17. ƒ(x, y, z) = (x + y + z)@(x2 + y2 + z2)’yi r(t) = ti + tj + tk, 0 a t b, eğrisi üzerinde integre edin. r(t) = (a cos t)j + (a sin t)k, 0 … t … 1 -1 … t … 1 8. rstd = s2 cos tdi + s2 sin tdk, C2: 0 … t … 1 18. ƒsx, y, zd = - 2x 2 + z 2’yi 0 … t … 2 6. rstd = t j + s2 - 2tdk, rstd = tk, ile verilen yol üzerinde integre edin. -1 … t … 1 5. rstd = ti + tj + tk, C1: 0 … t … p 0 t 2p çemberi üzerinde integre edin. Düzlem E¤rileri Üzerinde E¤risel ‹ntegraller Uzay E¤rileri Üzerinde E¤risel ‹ntegraller Hesaplamak 19–22 alıştırmalarında ƒ’yi verilen eğri üzerinde integre edin. 9. C, (0, 1, 0)’dan (1, 0, 0)’a giden x = t, y = (1 – t), z = 0 doğru parçası olmak üzere, 1C sx + yd ds’yi hesaplayın. 20. ƒ(x, y) = (x + y )@¬1 + ƒx2, C: (1, 12@2)’den (0, 0)’a kadar y = x2@2 10. C, (0, 1, 1)’den (1, 0, 1)’e giden x = t, y = (1 – t), z = 1 doğru parçası olmak üzere, 1C sx - y + z - 2d ds’yi hesaplayın. 19. ƒsx, yd = x 3>y, 2 C: y = x 2>2, 0 … x … 2 21. ƒ(x, y) = x + y, C: Birinci dörtte bir bölgede (2, 0)’dan (0, 2)’ye kadar x2 + y2 = 4 11. r(t) = 2ti + tj + (2 – 2t)k, 0 t 1, eğrisi üzerinde 1C sxy + y + zd ds’yi hesaplayın. C: Birinci dörtte bir bölgede (0, 2)’den 22. ƒ(x, y) = x2 – y, s 12, 12d’ye kadar x2 + y2 = 4 12. r(t) = (4 cos t)i + (4 sin t)j + 3tk, –2p t 2p, eğrisi üzerinde 2 2 1C 2x + y ds’yi hesaplayın. Kütle ve Momentler 13. ƒ(x, y, z) = x + y + z’nin (1, 2, 3)’ten (0, –1, 1)’e giden doğru parçası üzerindeki eğrisel integralini bulun. 14. ƒsx, y, zd = 23>sx 2 + y 2 + z 2 d’nin r(t) = ti + tj + tk, 1 t ∞, eğrisi üzerindeki eğrisel integralini bulun. 15. ƒsx, y, zd = x + 1y - z 2’yi (0,0,0)’dan (1,1,1)’e (Şekil 16.6a) C1: rstd = ti + t 2 j, C2: rstd = i + j + tk, 0 … t … 1 ile verilen yol üzerinde integre edin. 0 … t … 1 23. Bir telin kütlesi Yoğunluğu d = (3@2)t ise, r(t) = (t2 – 1)j + 2tk, 0 t 1 eğrisi üzerinde bulunan bir telin kütlesini bulun. 24. Eğrisel bir telin kütle merkezi dsx, y, zd = 15 2y + 2 yoğunluklu bir tel r(t) = (t2 – 1)j + 2tk, –1 t 1, eğrisinin üzerindedir. Kütle merkezini bulun. Sonra eğriyi ve kütle merkezini birlikte çizin. 25. Değişken yoğunluklu bir telin kütle merkezi Yoğunluğu (a) d = 3t ve (b) d = 1 ise, rstd = 22ti + 22tj + s4 - t 2 dk, 0 … t … 1, eğrisinin üzerindeki ince bir telin kütlesini bulun. 16.2 26. Değişken yoğunluklu bir telin kütle merkezi Yoğunluğu d = 3 ¬5 +ƒ t ise, r(t) = ti + 2tj + (2@3)t3@2k, 0 t 2, eğrisinin üzerindeki ince bir telin kütle merkezini bulun. 27. Bir tel kasnağın eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapı Sabit d yoğunluklu dairesel telden bir kasnak xy-düzlemindeki x2 + y2 = a2 çemberinin üzerindedir. Kasnağın z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti ve jirasyon yarıçapını bulun. 28. İnce bir çubuğun eylemsizliği ve jirasyon yarıçapı Sabit yoğunluklu ince bir çubuk yz-düzlemindeki r(t) = tj + (2 – 2t)k, 0 t 1, doğru parçasının üzerindedir. Çubuğun üç koordinat ekseni etrafındaki eylemsizlik momentleri ve jirasyon yarıçaplarını bulun. 29. Sabit yoğunluklu iki yay Sabit d yoğunluklu bir yay aşağıdaki helisin üzerindedir. r(t) = (cos t)i + (sin t)j + tk, 0 t 2p a. Iz ve Rz’yi bulun. b. Elinizde (a)’daki telin iki katı uzunluğunda ve helis üzerinde 0 t 4p aralığında bulunan sabit d yoğunluğunda başka bir yay olduğunu varsayın. Iz ve Rz’nin uzun yay için de kısa yayınkilerle aynı olmasını mı beklersiniz, yoksa farklı mı olmalıdırlar? Tahminlerinizi, uzun yay için Iz ve Rz’yi hesaplayarak kontrol edin. 30. Sabit yoğunluklu bir tel Sabit d = 1 yoğunluklu bir tel rstd = st cos tdi + st sin tdj + A 2 22>3 B t 3>2k, 0 … t … 1. eğrisi üzerindedir. z, Iz ve Rz’yi bulun. Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› 1149 32. Değişken yoğunluk ile kütle merkezi, eylemsizlik momentleri ve jirasyon yarıçapları Yoğunluğu d = 1@(t + 1) ise, rstd = ti + 2 22 3>2 t2 t j + k, 3 2 0 … t … 2, eğrisi üzerinde bulunan ince bir telin kütle merkezini ve koordinat eksenleri etrafındaki eylemsizlik momentleri ile jirasyon yarıçaplarını bulun. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI E¤risel ‹ntegralleri Say›sal Olarak Hesaplamak 33–36 alıştırmalarında, eğrisel integralleri aşağıdaki adımları gerçekleştirerek hesaplamak için bir BCS kullanın. a. r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k yolu için ds = ƒ vstd ƒ dt’yi bulun. b. ƒsgstd, hstd, kstdd ƒ vstd ƒ integrandını t parametresinin bir fonksiyonu olarak ifade edin. c. Metindeki (2) denklemini kullanarak 1C ƒ ds’yi hesaplayın. 33. ƒsx, y, zd = 21 + 30x 2 + 10y ; 0 … t … 2 34. ƒsx, y, zd = 21 + x 3 + 5y 3 ; 0 … t … 2 rstd = ti + t 2j + 3t 2k, rstd = ti + 1 2 t j + 1tk, 3 35. ƒsx, y, zd = x1y - 3z 2 ; rstd = scos 2tdi + ssin 2tdj + 5tk, 0 … t … 2p 1>4 9 36. ƒsx, y, zd = a1 + z1>3 b ; rstd = scos 2tdi + ssin 2tdj + 4 t 5>2k, 0 … t … 2p 31. Örnek 4’teki yay Örnek 4’teki yay için Ix ve Rx’i bulun. 16.2 Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› Vektörlerle temsil edilen fiziksel olayları incelerken, kapalı aralıklar üzerindeki integraller yerine vektör alanlarından geçen yollar üzerinde integraller alırız. Böyle integralleri, bir cismi bir yol boyunca değişken bir kuvvete karşı hareket ettirmek (dünyanın yerçekimi alanına karşı uzaya gönderilen bir araç) için yapılan işi bulmak veya bir cismi alan içinden geçen bir yol boyunca hareket ettirmek için vektör alanının yaptığı işi (bir parçacığın hızını arttırmak için bir hızlandırıcının yaptığı iş) bulmak için kullanırız. Ayrıca, akışkanların eğriler boyunca ve eğrilerden geçerken akış oranlarını bulmak için de eğrisel integralleri kullanırız. Vektör Alanlar› Düzlemde veya uzayda bir bölgenin, hava veya su gibi hareket eden bir akışkan ile donatıldığını varsayın. Akışkanın çok fazla sayıda partikülden oluştuğunu ve herhangi bir 1150 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon anda bir partikülün hızının v olduğunu düşünün. Bazı partiküllerin hızlarının değişik konumlarda bir resmini aynı anda çekersek, bu hızların konumdan konuma değiştiğini görmeyi bekleyebiliriz. Akışkanın her noktasına bağlanan bir hız vektörü düşünebiliriz. Böyle bir akışkan akışı bir vektör alanını örnekler. Örneğin, Şekil 16.7, bir rüzgar tünelindeki bir hava boşluğunun çevresinde akan havanın her noktasına bir hız vektörü bağlanarak elde edilen bir hız vektör alanını göstermektedir. Şekil 16.8, daralan bir kanalda hareket eden suyun akış çizgileri boyunca hız vektörlerinden oluşan başka bir vektör alanını göstermektedir. Akışkan akışları ile ilişkilendirilen vektör alanlarına ek olarak yerçekimi (Şekil 16.9), manyetik kuvvet alanları, elektrik alanları ve hatta pür matematiksel alanlar vardır. Genel olarak, düzlemde veya uzayda bir bölge üzerindeki bir vektör alanı, bölgedeki her noktaya bir vektör atayan bir fonksiyondur. Üç-boyutlu vektörlerden oluşan bir vektör alanın formülü fiEK‹L 16.7 Bir rüzgar tünelindeki bir hava boşluğunun çevresindeki bir akışın hız vektörleri. Akış çizgileri kerosen dumanıyla görünür hale getirilmiştir. F(x, y, z) = M(x, y, z)i + N(x, y, z)j + P(x, y, z)k şeklinde olabilir. Bileşen fonksiyonları M, N ve P sürekli ise alan sürekli, M, N ve P türetilebilir ise türetilebilir v.b. dir. İki-boyutlu vektörlerden oluşan bir alanının F(x, y) = M(x, y)i + N(x, y)j şeklinde bir formülü olabilir. Bir merminin hareket düzlemindeki yörüngesinin her noktasına, merminin hız vektörünü eklersek, yörünge boyunca tanımlı iki-boyutlu bir alanımız olur. Bir skaler fonksiyonun gradiyent vektörünü fonksiyonun bir seviye yüzeyinin her noktasına eklersek, yüzey üzerinde üç-boyutlu bir alanımız olur. Akan bir akışkanın her noktasına bir hız vektörü atarsak, uzayda bir bölgede tanımlanmış üç-boyutlu bir alanımız olur. Bunlar ve başka alanlar Şekil 16.10-16.15’te gösterilmektedir. Çizimlerin bazıları alanların formüllerini de vermektedir. Formülleri var olan alanları çizmek için, tanım kümesi noktalarından bir seçki aldık ve bunlara ilişik vektörleri çizdik. Vektörleri temsil eden okların, vektör alanlarının hesaplandığı noktalarda başları ile değil, uçları ile çizildiğine dikkat edin. fiEK‹L 16.8 Daralan bir kanaldaki akış çizgileri. Kanal daraldıkça su hızlanır ve hız vektörlerinin uzunluğu artar. y z 0 y x fiEK‹L 16.9 Bir yerçekimi alanında, alanın kaynaklandığı kütle merkezini gösteren vektörler 0 x fiEK‹L 16.10 Bir mermi hareketinin v(t) hız vektörleri yol boyunca bir vektör alanı oluşturur. f(x, y, z) c fiEK‹L 16.11 Bir ƒ(x, y, z) = c yüzeyi üzerindeki ƒ gradiyent vektörleri alanı. 16.2 Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› 1151 y z y x2 y2 ⱕ a2 x z x a2 x r2 0 y fiEK‹L 16.12 Uzun bir silindirik borudaki akışkan akışı. Silindirin içinde, tabanları xy-düzleminde bulunan v = (a2 – r2)k vektörlerinin uçları z = a2 – r2 paraboloidi üzerindedir. fiEK‹L 16.13 Düzlemdeki noktaların konum vektörlerinin radyal alanı F = xi + yj. Bir okun, F’nin hesaplandığı yerde, başıyla değil, ucuyla çizildiğine dikkat edin. fiEK‹L 16.14 Düzlemde F = s -yi + xjd>sx 2 + y 2 d1>2 birim vektörlerinin dairesel veya “spin” alanı. Alan orijinde tanımlı değildir. fiEK‹L 16.15 NASA’nın Seasat’ı dünya okyanuslarının üzerinden 350.000 rüzgar ölçümü almak için bir radar kullanmıştır. Oklar rüzgar yönünü gösterir; uzunlukları ve renkli bölgeler hızı belirtir. Greenland’ın güneyindeki fırtınaya dikkat edin. 1152 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Bu, gezegenlerin ve mermilerin konum vektörlerini okları uçları orijinde ve başları gezegenin ve merminin bulunduğu yerde olacak şekilde çizişimizden farklıdır. Gradiyent Alanlar TANIM Gradiyent Alanlar Diferansiyellenebilir bir ƒ(x, y, z) fonksiyonunun gradiyent alanı §ƒ = 0ƒ 0ƒ 0ƒ i + j + k. 0x 0y 0z gradiyent vektörlerinin alanıdır. ÖRNEK 1 Bir Gradiyent Alan› Bulmak ƒ(x, y, z) = xyz’nin gradiyent alanını bulun. B tb Çözüm ƒ’nin gradiyent alanı F = ƒ = yzi + xzj + yxk’dir Bölüm 16.3’te göreceğimiz gibi, gradiyent alanlarının mühendislikte, matematikte ve fizikte özel bir önemi vardır. Bir Kuvvetin Bir Uzay E¤risi Üzerinde Yapt›¤› ‹fl T F F = M(x, y, z)i + N(x, y, z)j + P(x, y, z)k vektör alanının uzayda bir bölge boyunca bir kuvveti temsil ettiğini (yerçekimi kuvveti veya bir çeşit elektromanyetik kuvvet olabilir) ve r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k, A ta fiEK‹L 16.16 Bir F kuvvetinin yaptığı iş, A’dan B’ye düzgün bir eğri üzerinde F # T skaler bileşeninin eğrisel integralidir. a tb eğrisinin bu bölgede düzgün bir eğri olduğunu varsayın. Bu durumda F’nin eğrinin birim teğet vektörü yönündeki skaler bileşeni FT’nin eğri üzerindeki integraline F’nin eğri üzerinde a’dan b’ye kadar yaptığı iş denir (Şekil 16.16). TANIM Bir Düzgün E¤ri Üzerinde ‹fl Bir F = Mi + Nj + Pk kuvvetinin düzgün bir r(t) eğrisi üzerinde t = a’dan t = b’ye kadar yaptığı iş t=b W = dir. Lt = a F # T ds. (1) (1) denklemini, Bölüm 6’da F(x) büyüklüğünde sürekli bir kuvvetin x-ekseni üzerinb deki bir aralıkta yaptığı işi veren W = 1a F(x) dx formülünü türetmek için kullandığımız mantık yürütmeyle türeteceğiz. Eğriyi kısa parçalara böler, her eğri parçası üzerindeki işe yaklaşımda bulunmak için, işin (sabit-kuvvet) (uzaklık) formülünü kullanır, bütün eğri üzerindeki işe yaklaşımda bulunmak için sonuçları toplar ve parçalar kısalırken ve sayıları 16.2 Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› 1153 artarken işi yaklaşım toplamlarının limiti olarak hesaplarız. Limit integralin ne olacağını tam olarak bulmak için, [a, b] parametre aralığını her zamanki gibi böler ve her [tk, tk + 1] alt aralığında bir ck noktası seçeriz. [a, b]’nin bölünüşü, r(tk) konum vektörünün tk’deki ucu Pk ve PkPk + 1 eğri parçasının uzunluğu sk olmak üzere, eğrinin bir bölünüşünü belirler (“oluşturur” deriz) (Şekil 16.17). ck a tk tk 1 b tb s k ta Pk 1(g(tk 1), h(tk 1), k(tk 1)) t ck Pk(g(tk), h(tk), k(tk)) fiEK‹L 16.17 [a, b]’nin her bölünüşü r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k eğrisinin bir bölünüşünü oluşturur. Fk, F’nin eğri üzerinde t = ck’ye karşılık gelen noktadaki değeriyse ve Tk eğrinin bu noktadaki teğet vektörünü gösteriyorsa, Fk Tk, F’nin t = ck’de T yönündeki skaler bileşenidir (Şekil 16.18). F’nin PkPk+1 eğri parçası boyunca yaptığı iş yaklaşık olarak Fk Pk1 t ck Pk Tk a hareket yönündeki uygulanan b a b = Fk Tk sk kuvvet bileşeni mesafe Fk . Tk fiEK‹L 16.18 Şekil 16.17’deki PkPk + 1 eğri parçasının, eğri üzerinde t = ck noktasındaki kuvvet vektörünü ve birim teğeti gösteren büyütülmüş bir görüntüsü. olur. F’nin eğri boyunca t = a’dan t = b’ye kadar yaptığı iş yaklaşık olarak n # a Fk Tk ¢sk . k=1 olur. [a, b] bölünüşünün normu sıfıra yaklaşırken, eğrinin oluşturulan bölünüşünün normu sıfıra yaklaşır ve bu toplamlar t=b Lt = a F # T ds. eğrisel integraline yaklaşır. Bu integralle hesapladığımız sayının işareti t artarken eğrini hangi yöne ilerlediğine bağlıdır. Hareket yönünü değiştirirsek, T’nin yönünü tersine çevirir ve F T ile integralinin işaretini değiştiririz. Tablo 16.2, (1) denklemindeki iş integralini yazmanın altı yolunu sunar. Farklılıklarına rağmen, Tablo 16.2’deki denklemlerin hepsi aynı şekilde hesaplanır. Tabloda, r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k = xi + yj + zk düzgün bir eğri ve dr = de onun diferansiyelidir. dr dt = dgi + dhj + dkk dt 1154 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon TABLO 16.2 ‹fl integralini yazman›n de¤iflik yollar› t=b W = Lt = a F # T ds Tanım F # dr Kapalı diferansiyel form dr dt dt dt’yi kapsayacak şekilde genişletilmiş t parametresini ve dr@dt hız vektörünü vurgular t=b = Lt = a b = F# La b = La b = La aM dg dh dk + N + P b dt dt dt dt Bileşen fonksiyonlarını vurgular aM dy dx dz + N + P b dt dt dt dt r’nin bileşenlerini kısaltır. b = La M dx + N dy + P dz dt’ler sadeleşir; en yaygın şekil. Bir ‹fl ‹ntegralini Hesaplamak Bir r(t) düzgün eğrisi boyunca iş integralini hesaplamak için, şu adımları izleyin: 1. 2. 3. ÖRNEK 2 z F’yi eğri üzerinde t’nin bir fonksiyonu olarak hesaplayın. dr@dt’yi hesaplayın. F # dr>dt ’yi t = a’dan t = b’ye kadar integre edin. De¤iflken Bir Kuvvetin Bir Uzay E¤risi Üzerinde Yapt›¤› ‹fl F = (y – x2)i + (z – y2)j + (x – z2)k’nin r(t) = ti + t2j + t3k, 0 t 1, eğrisi üzerinde (0, 0, 0)’dan (1, 1, 1)’e kadar yaptığı işi bulun (Şekil 16.19). (0, 0, 0) Çözüm Önce F’yi eğri üzerinde hesaplarız. (1, 1, 1) F = s y - x 2 di + sz - y 2 dj + sx - z 2 dk 2 = st(')'* - t 2 di + st 3 - t 4 dj + st - t 6 dk y 0 Sonra dr@dt’yi buluruz: x r(t) ti t2j t3k fiEK‹L 16.19 dr d = sti + t 2j + t 3kd = i + 2tj + 3t 2k dt dt (1, 1, 0) Örnek 2’deki eğri. Son olarak F # dr>dt ’yi bulur ve t = 0’dan t = 1’e kadar integre ederiz: F# dr = [st 3 - t 4 dj + st - t 6 dk] # si + 2tj + 3t 2kd dt = st 3 - t 4 ds2td + st - t 6 ds3t 2 d = 2t 4 - 2t 5 + 3t 3 - 3t 8, 16.2 Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› 1155 ve 1 İş = Work L0 s2t 4 - 2t 5 + 3t 3 - 3t 8 d dt 1 3 3 29 2 2 = c t5 - t6 + t4 - t9d = . 5 6 4 9 60 0 Ak›fl ‹ntegralleri ve H›z Alanlar› ‹çin Dolafl›m Bir kuvvet alanı yerine, F’nin uzayda bir bölgeden akan bir akışkanın hız alanını temsil ettiğini varsayın (bir dalga teknesi veya hidroelektrik bir jeneratörün türbin odası gibi). Bu koşullar altında, F # T’nin bölge içinde kalan bir eğri üzerindeki integrali, eğri boyunca akışkan akışını verir. TANIMLAR Ak›fl ‹ntegrali, Dolafl›m r(t), sürekli bir F hız alanının tanım bölgesinde düzgün bir eğriyse, eğri üzerinde t = a’dan t = b’ya kadar akış b Akı = Flow La F # T ds. (2) dir. Bu durumda integrale akış integrali denir. Eğri kapalı bir döngüyse, akışa eğri etrafında dolaşım denir. Akış integrallerini, iş integrallerini hesapladığımız şekilde hesaplarız. ÖRNEK 3 Bir Helis Boyunca Ak›fl Bulmak Bir akışkanın hız alanı F = xi + zj + yk’dir. r(t) = (cos t)i + (sin t)j + t k, 0 t p@2, eğrisi boyunca akışı bulun. Çözüm F’yi eğri üzerinde hesaplarız, F = xi + zj + yk = scos tdi + tj + ssin tdk sonra dr@dt’yi buluruz: dr = s -sin tdi + scos tdj + k. dt p Daha sonra F # sdr>dtd’yi t = 0’dan t = —–’ye kadar integre ederiz: 2 dr F# = scos tds -sin td + stdscos td + ssin tds1d dt = -sin t cos t + t cos t + sin t 1156 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon dolayısıyla, t=b Akış = Flow Lt = a = c ÖRNEK 4 F# dr dt = dt L0 p>2 cos2 t + t sin t d 2 0 p>2 s -sin t cos t + t cos t + sin td dt = a0 + p p 1 1 b - a + 0b = - . 2 2 2 2 Bir Çemberin Etraf›ndaki Dolafl›m› Bulmak F = (x – y)i + xj alanının r(t) = (cos t)i + (sin t)j, 0 t 2p, çemberi etrafındaki dolaşımını bulun. Çözüm Çember üzerinde, F = (x – y)i + xj = (cos t – sin t)i + (cos t)j ve dr = s -sin tdi + scos tdj. dt dir. Buradan, F# dr = -sin t cos t + sin2 t + cos2 t dt (''')'''* 1 ifadesi 2p Dolaşım = Circulation L0 = ct - F# dr dt = dt L0 2p s1 - sin t cos td dt 2p sin2 t d = 2p. 2 0 verir. Düzlemdeki Bir E¤riden Geçen Ak› Bir akışkanın xy-düzlemindeki düzgün bir C eğrisiyle çevrelenen bir bölgeye giriş veya çıkış hızını bulmak için F # n’nin C üzerinde eğrisel integralini alırız. Burada F # n, akışkanın hız alanının eğrinin dışarıyı işaret eden normal vektörü yönündeki skaler bileşenidir. Bu integralin değerine F’nin C’deki akısı denir. Akı (flux) akışın Latincesidir, ama çoğu akı hesaplamasında hiç hareket yoktur. Örneğin, F bir elektrik veya manyetik alan olsaydı, F # n’nin integraline yine alanın C’deki akısı denecekti. TANIM Düzlemde Kapal› Bir E¤ri Üzerinden Geçen Ak› C, sürekli bir F = M(x, y)i + N(x, y)j vektör alanının tanım bölgesi içinde düzgün bir eğri ise ve n de C’nin dışarıyı gösteren birim normal vektörüyse, F’nin C üzerindeki akısı aşağıdaki eğrisel integralle verilir: F’nin C’deki akısı Flux of F across C = LC F # n ds. (3) Akı ile dolaşım arasındaki farka dikkat edin. F’nin C’deki akısı, F’nin dışarıyı gösteren normalinin yönündeki skaler bileşeni F # n’nin yay uzunluğuna göre eğrisel integralidir. 16.2 z y x C T kT z Saat yönünün tersine hareket için, T k dışarıyı gösterir y k x 1157 F’nin C etrafındaki dolaşımı, F’nin birim teğet vektör yönündeki skaler bileşeni F • T’nin yay uzunluğuna göre eğrisel integralidir. Akı, F’nin normal bileşeninin integralidir; dolaşım F’nin teğetsel bileşeninin integralidir. (3) denklemindeki integrali hesaplamak için, t a’dan b’ye giderken C eğrisini tam bir kere dolaşan Saat yönünde hareket için, k T dışarıyı gösterir. k Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› x = g(t), y = h(t), atb parametrizasyonuyla işe başlarız. Dışarıyı gösteren birim normal vektör n’yi, eğrinin teğet birim vektörü T ile k vektörünün vektörel çarpımını alarak bulabiliriz. Fakat hangi sırayı seçeceğiz: T k mi, k T mi? Hangisi dışarıyı gösterir? Bu, t parametresi artarken, C’nin hangi yönde ilerlediğine bağlıdır. Hareket saat yönündeyse, k T dışarıyı gösterir; hareket saat yönünün tersineyse, T k dışarıyı gösterir (Şekil 16.20). Seçim genelde saat yönünün tersine hareketi öngören n = T k olarak yapılır. Yani, akı’nın (3) denklemi ile verilen tanımındaki yay uzunluğu integralinin değeri, C’nin hangi yönde ilerlediğine bağlı olmadığı halde, (3) denklemini hesaplamak için türetmek üzere olduğumuz denklemler saat yönünün tersine bir hareketi varsayarlar. Bileşenler cinsinden, n = T * k = a C Tk dy dy dx dx i + jb * k = i j. ds ds ds ds T olur. F = M(x, y)i + N(x, y)j ise, F # n = Msx, yd dy dx - Nsx, yd . ds ds bulunur. Dolayısıyla, LC F # n ds = LC aM dy dx M dy - N dx. - N b ds = ds ds FC halini alır. Son integrale, kapalı C eğrisi üzerindeki integralin saat yönünün tersine olduğunu hatırlatmak için yönlü bir ~ çemberi koyduk. Bu integrali hesaplamak için, M, dy, N ve dx’i t cinsinden ifade etmemiz ve t = a’dan t = b’ye kadar integralini almamız gerekir. Akıyı bulmak için n’yi ya da ds’yi bilmemiz gerekmez. fiEK‹L 16.20 xy-düzleminde t artarken saat yönünün tersine dönen düzgün bir C eğrisinin dışarıyı gösteren bir birim normal vektörünü bulmak için, n = T k alırız. Saat yönündeki hareket için n = k T alırız. Düzgün Kapalı Bir Düzlem Eğri Üzerinden Geçen Akıyı Hesaplamak (F = Mofi + akısı) sFlux F Nj’nin = Mi C’den + Njgeçen across Cd = FC M dy - N dx (4) İntegral, C’yi saat yönünün tersine tam bir kere dolaşan herhangi bir düzgün x = g(t), y = h(t), a t b, parametrizasyonuyla hesaplanabilir. ÖRNEK 5 Bir Çemberden Geçen Ak›y› Hesaplamak F = (x – y)i + xj’nin xy-düzlemindeki x2 + y2 = 1 çemberinden geçen akısını bulun. 1158 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon r(t) = (cos t)i + (sin t)j, 0 t 2p, parametrizasyonu çemberi saat yönünün tersine tam bir defa kat eder. Dolayısıyla, (4) denkleminde bu parametrizasyonu kullanabiliriz. Çözüm M = x - y = cos t - sin t, dy = dssin td = cos t dt N = x = cos t, dx = dscos td = -sin t dt, ile 2p Akı = Flux LC M dy - N dx = 2p = L0 L0 2p cos2 t dt = L0 scos2 t - sin t cos t + cos t sin td dt (4) denklemi 2p sin 2t 1 + cos 2t t d = p. dt = c + 2 2 4 0 buluruz. F’nin çemberdeki akısı p’dir. Yanıt pozitif olduğu için, eğri boyunca net akış dışarı doğrudur. İçeri doğru net bir akış negatif bir akı verirdi. ALIfiTIRMALAR 16.2 z Vektör ve Gradiyent Alanlar› 1–4 alıştırmalarında, fonksiyonların gradiyent alanlarını bulun. (0, 0, 0) 1. ƒsx, y, zd = sx 2 + y 2 + z 2 d-1>2 2 2 2. ƒsx, y, zd = ln2x + y + z C1 (1, 1, 1) 2 3. gsx, y, zd = e z - ln sx 2 + y 2 d C2 4. gsx, y, zd = xy + yz + xz C4 y C3 5. F’nin orijine doğru işaret etme ve büyüklüğü (x, y)’den orijine olan uzaklığın karesiyle ters orantılı olma özelliği bulunacak şekilde düzlemde bir vektör alanının F = M(x, y)i + N(x, y)j formülünü bulun (Alan (0, 0)’da tanımlı değildir). 6. (0, 0)’da F = 0, başka (a, b) noktalarında x2 + y2 = a2 + b2 çemberine teğet ve saat yönünü işaret etme özelliği olan, ƒ F ƒ = 2a 2 + b 2. büyüklüklü bir F vektör alanının F = M(x, y)i + N(x, y)j formülünü bulun. ‹fl 7–12 alıştırmalarında, F kuvvetinin aşağıdaki yollar üzerinde (0, 0, 0)’dan (1, 1, 1)’e kadar yaptığı işi bulun (Şekil 16.21). a. Doğru yol C1: rstd = ti + tj + tk, 2 4 b. Eğri yol C2: rstd = ti + t j + t k, 0 … t … 1 0 … t … 1 c. (0, 0, 0)’dan (1, 1, 0)’a giden ve sonra (1, 1, 0)’dan (1, 1, 1)’e giden doğru parçalarından oluşan C3 < C4 yolu. 2 7. F = 3yi + 2xj + 4zk 8. F = [1>sx + 1d]j 9. F = 1zi - 2xj + 1yk 10. F = xyi + yzj + xzk 11. F = s3x 2 - 3xdi + 3zj + k 12. F = s y + zdi + sz + xdj + sx + ydk x (1, 1, 0) fiEK‹L 16.21 yollar. (0, 0, 0)’dan (1, 1, 1)’e giden 13–16 alıştırmalarında, F’nin artan t yönünde eğri boyunca yaptığı işi bulun. 13. F = xyi + yj - yzk rstd = ti + t 2j + tk, 0 … t … 1 14. F = 2yi + 3xj + sx + ydk rstd = scos tdi + ssin tdj + st>6dk, 0 … t … 2p 15. F = zi + xj + yk rstd = ssin tdi + scos tdj + tk, 0 … t … 2p 16. F = 6zi + y2j + 12xk rstd = ssin tdi + scos tdj + st>6dk, 0 … t … 2p Düzlemde E¤risel ‹ntegraller ve Vektör Alanlar› 17. 1C xy dx + sx + yd dy’yi (–1, 1)’den (2, 4)’e kadar y = x2 eğrisi üzerinde hesaplayın. 18. 1C sx - yd dx + sx + yd dy’yi köşeleri (0, 0), (1, 0) ve (0, 1)’ de olan üçgen üzerinde saat yönünün tersine hesaplayın. 16.2 19. F = x2i – yj vektör alanı için 1C F # T ds’yi (4, 2)’den (1, –1)’e kadar x = y2 eğrisi boyunca hesaplayın. 20. F = yi – xj vektör alanı için 1C F # dr’yi (1, 0)’dan (0, 1)’e kadar saat yönünün tersine x2 + y2 = 1 çemberi üzerinde hesaplayın. 21. İş F = xyi + (y – x)j kuvveti tarafından (1, 1)’den (2, 3)’e giden doğru boyunca yapılan işi bulun. 2 2 2 22. İş ƒ(x, y) = (x + y) ’nin gradiyentinin x + y = 4 çemberi üzerinde (2, 0)’dan (2, 0)’a kadar yaptığı işi bulun. 23. Dolaşım ve Akı Aşağıdaki eğrilerin her birinde F1 = xi + yj ve 24. Bir çemberden geçen akı ve F2 = 2xi + (x – y)j 0 t 2p r(t) = (a cos t)i + (a sin t)j, çemberi üzerindeki akılarını bulun. Dolafl›m ve Ak› 25–28 alıştırmalarında, F alanının r1(t) = (a cos t)i + (a sin t)j, 0 t p, yarım dairesel yayı ve onu izleyen r2(t) = ti, –a t a, doğru parçasından oluşan yarım çembersel yol üzerindeki akı ve dolaşımını bulun. 26. F = x 2 i + y 2 j 2 2 28. F = -y i + x j 29. Akı integralleri F = (x + y)i – (x2 + y2)j hız alanının akış integralini xy-düzleminde (1, 0)’dan (–1, 0)’a kadar aşağıdaki yollardan her birinde bulun. 2 (0, 0) olan her nokta için, x2 + y2 = a. xy-düzleminde (a, b) 2 2 a + b çemberine teğet ve saat yönünün tersini gösterme özelliğine sahip, 2a 2 + b 2 büyüklüğünde bir G = P(x, y)i + Q(x,y)j alanı bulun (Alan (0, 0)’da tanımlı değildir). c. (1, 0)’dan (0, –1)’e giden doğru parçası ve onu izleyen (0, –1)’den (–1, 0)’a giden doğru parçası. 30. Bir üçgenden geçen akı Alıştırma 29’daki F alanının, köşeleri (1, 0), (0, 1) ve (–1, 0)’da bulunan üçgenden dışarı doğru olan akısını bulun. Düzlemde Alanlar› Bulmak ve Çizmek 31. Spin alanı x2 + y2 = 4 çemberi boyunca çeşitli temsil noktalarında yatay ve dikey bileşenleriyle birlikte y 2x + y 2 i + 35. Orijine yönlenmiş birim vektörler xy-düzlemindeki her (0, 0) noktasında, F orijini gösteren bir birim vektör ol(x, y) mak üzere bir F = M(x, y)i + N(x, y)j alanı bulun (Alan (0, 0)’da tanımlı değildir). 36. İki ‘‘Merkezi’’ alan xy-düzlemindeki her (x, y) (0, 0) noktasında, F orijini gösteren bir birim vektör ve ƒ F ƒ , (a) (x, y)’den orijine olan uzaklık, (b) (x, y)’den orijine olan uzaklık ile ters orantılı olmak üzere bir F = M(x, y)i + N(x, y)j alanı bulun (Alan (0, 0)’da tanımlı değildir). Uzayda Ak›fl ‹ntegralleri 37–40 alıştırmalarında, F uzayda bir bölgede akan bir akışkanın hız alanıdır. Verilen eğri boyunca artan t yönünde akışı bulun. 37. F = -4xyi + 8yj + 2k rstd = ti + t2j + k, 2 x 2x 2 + y 2 spin alanını çizin (Şekil 16.14’e bakın.) 0 … t … 2 2 38. F = x i + yzj + y k 0 … t … 1 39. F = sx - zdi + xk b. (1, 0)’dan (–1, 0)’a giden doğru parçası 2 33. Bir teğet vektörler alanı rstd = 3tj + 4tk, a. x + y = 1 çemberinin üst yarısı F = - radyal alanını çizin (Şekil 16.13’e bakın). b. G, Şekil 16.14’teki F spin alanı ile nasıl ilişkilidir? alanlarının 2 F = xi + yj (0, 0) olan her nokta için, x2 + y2 = a. xy-düzleminde (a, b) 2 2 a + b çemberine teğet ve saat yönünü gösterme özelliğine sahip bir G = P(x, y)i + Q(x,y)j alanı bulun. b. r(t) = (cos t)i + (4 sin t)j, 0 t 2p elipsi 27. F = -yi + xj 32. Radyal alanı x2 + y2 = 1 çemberi boyunca çeşitli temsil noktalarındaki yatay ve dikey bileşenleriyle birlikte 34. Bir teğet vektörler alanı a. r(t) = (cos t)i + (sin t)j, 0 t 2p çemberi 25. F = xi + yj 1159 b. G, Şekil 16.14’teki F spin alanı ile nasıl ilişkilidir? F2 = –yi + xj alanlarının akı ve dolaşımını bulun. F1 = 2xi – 3yj Vektör Alanlar›, ‹fl, Dolafl›m ve Ak› j rstd = scos tdi + ssin tdk, 0 … t … p 40. F = -yi + xj + 2k rstd = s -2 cos tdi + s2 sin tdj + 2tk, 0 … t … 2p 41. Dolaşım Artan t yönünde ilerleyen aşağıdaki üç eğriden oluşan kapalı yol boyunca F = 2xi + 2zj + 2yk’nın dolaşımını bulun: C1: rstd = scos tdi + ssin tdj + tk, C2: rstd = j + sp>2ds1 - tdk, C3: rstd = ti + s1 - tdj, 0 … t … p>2 0 … t … 1 0 … t … 1 1160 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon z ⎛0, 1, ␲ ⎛ ⎝ 2⎝ iş integralinin değeri ile t-ekseni, ƒ’nin grafiği, t = a ve t = b doğruları ile sınırlı bölgenin alanı arasında bir ilişki var mıdır? Yanıtınızı açıklayın. C2 46. Sabit büyüklüklü bir radyal kuvvetin yaptığı iş Bir parçacık düzgün y = ƒ(x) eğrisi üzerinde (a, ƒ(a))’dan (b, ƒ(b))’ye ilerlemektedir. Parçacığı hareket ettiren kuvvetin büyüklüğü sabit k’dir ve her zaman orijinden uzağı göstermektedir. Kuvvetin yaptığı işin C1 (0, 1, 0) (1, 0, 0) C3 y x 42. Sıfır dolaşım C, 2x + 3y – z = 0 düzleminin x2 + y2 = 12 silindiriyle kesiştiği elips olsun. İki eğrisel integrali de doğrudan hesaplamadan, F = xi + yj + zk alanının C eğrisi etrafındaki dolaşımın iki yönde de sıfır olduğunu gösterin. 43. Bir eğri boyunca akış F = xyi + yj – yzk alanı uzayda bir akışın hız alanıdır. y = x2 silindiri ile z = x düzleminin kesişim eğrisi üzerinde (0, 0, 0)’dan (1, 1, 1)’e kadar akışı bulun (İpucu: Parametre olarak t = x kullanın). LC F # T ds = k C sb 2 + sƒsbdd2 d1>2 - sa 2 + sƒsadd2 d1>2 D . olduğunu gösterin. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Say›sal Olarak ‹fl Bulmak 47–52 alıştırmalarında, bir BCS kullanarak F kuvvetinin verilen yolda yaptığı işi bulmak için aşağıdaki adımları izleyin. z a. r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k yolu için dr’yi bulun. b. Yol boyunca F kuvvetini hesaplayın. zx (1, 1, 1) F # dr.’yi hesaplayın. LC 47. F = xy 6 i + 3xsxy 5 + 2dj; 0 … t … 2p c. y y x2 x 44. Bir gradiyent alanın akışı F = (xy z ) alanının verilen eğrilerdeki akışını bulun. 2 3 a. Alıştırma 42’deki C üzerinde, yukarıdan bakıldığında saat yönünde bir defa b. (1, 1, 1)’den (2, 1, –1)’e giden doğru parçası üzerinde Teori ve Örnekler 45. İş ve alan a t b için ƒ(t)’nin diferansiyellenebilir ve pozitif olduğunu varsayın. C, r(t) = ti + ƒ(t)j, a t b, yolu ve F = yi olsun. LC 16.3 rstd = s2 cos tdi + ssin tdj, 3 2 i + j; 1 + x2 1 + y2 0 … t … p rstd = scos tdi + ssin tdj, 48. F = 49. F = s y + yz cos xyzdi + sx 2 + xz cos xyzdj + sz + xy cos xyzdk; rstd = (2 cos t)i + (3 sin t)j + k, 0 … t … 2p 50. F = 2xyi - y 2j + ze x k; 1 … t … 4 rstd = -ti + 1tj + 3tk, 51. F = s2y + sin xdi + sz 2 + s1>3dcos ydj + x 4 k; rstd = ssin tdi + scos tdj + ssin 2tdk, -p>2 … t … p>2 1 52. F = sx 2ydi + x 3j + xyk; rstd = scos tdi + ssin tdj + 3 2 s2 sin t - 1dk, 0 … t … 2p F # dr Yoldan Ba¤›ms›zl›k, Potansiyel Fonksiyonlar ve Korunmal› Alanlar Yerçekimi ve elektrik alanlarında, bir kütleyi veya bir yükü bir noktadan diğerine taşımak için gereken iş miktarı, arada hangi yolun izlendiğine değil sadece cismin ilk ve son konumlarına bağlıdır. Bu bölüm iş integrallerinin yoldan bağımsızlığı kavramını tartışmakta ve iş integrallerinin yoldan bağımsız olduğu alanların önemli özelliklerini tanımlamaktadır. 16.3 Yoldan Ba¤›ms›zl›k, Potansiyel Fonksiyonlar› ve Korunmal› Alanlar 1161 Yoldan Ba¤›ms›zl›k A ve B uzayda açık bir D bölgesinde iki nokta ise, bir parçacığı D üzerinde tanımlanan bir F kuvvetiyle A’dan B’ye götürmek için yapılan 1 F # dr işi genellikle hangi yolun izlendiğine bağlıdır. Ancak, bazı özel alanlar için, integralin değeri A’dan B’ye giden bütün yollar için aynıdır. TANIM Yoldan Ba¤›ms›zl›k, Korunmal› Alanlar F, uzayda açık bir D bölgesi üzerinde tanımlı bir alan olsun ve D’deki herhangi B iki A ve B noktası için, A’dan B’ye ilerlemekle yapılan 1A F # dr işinin A’dan B’ye giden bütün yollar üzerinde aynı olduğunu varsayın. Bu durumda 1 F # dr integrali D içinde yoldan bağımsızdır ve F alanı D üzerinde korunmalıdır. Korunmalı kelimesi fizikten gelir ve enerji korunumunun geçerli olduğu (ki geçerlidir, korunmalı alanlarda) alanları belirtmek için kullanılır. Pratikte normal olarak karşılaşılan diferansiyellenebilme koşulları altında, bir F alanı ancak ve yalnız skaler bir ƒ fonksiyonunun gradiyent alanı ise; yani, ancak ve yalnız ƒ için F = ƒ ise korunmalıdır. Bu durumda ƒ fonksiyonunun özel bir adı vardır. TANIM Potansiyel Fonksiyon F, D’de tanımlı bir alan ise ve D üzerindeki bir ƒ skaler fonksiyonu için, F = ƒ ise, ƒ fonksiyonuna F’nin potansiyel fonksiyonu denir. Bir elektrik potansiyeli, gradiyent alanı bir elektrik alan olan skaler bir fonksiyondur. Bir yerçekimi potansiyeli, gradiyent alanı bir yerçekimi alanı olan skaler bir fonksiyondur. Göreceğimiz gibi, bir F alanı için bir ƒ potansiyel fonksiyonu bulursak, F’nin tanım bölgesinde, A ve B arasındaki bütün yollar üzerinde iş integrallerini B LA B F # dr = LA §ƒ # dr = ƒsBd - ƒsAd. (1) ile hesaplayabiliriz. Çok değişkenli fonksiyonlar için ƒ’yi tek değişkenli fonksiyonların türevi ƒ gibi düşünürseniz, (1) denkleminin Analizin Temel Teoreminin b ƒ¿sxd dx = ƒsbd - ƒsad. La formülünün vektör analizindeki benzeri olduğunu görürsünüz. Korunmalı alanların, ilerlerken göreceğimiz önemli özellikleri vardır. Örneğin, F’nin D üzerinde korunmalı olduğunu söylemek, F’nin D içinde her kapalı yol üzerindeki integralinin sıfır olduğunu söylemeye eşdeğerdir. Doğal olarak, (1) denkleminin geçerli olması için, eğriler, alanlar ve tanım bölgeleri üzerinde belirli koşulların sağlanması gerekir. Bu koşulları aşağıda tartışıyoruz. Bu Noktadan ‹leriye Varsay›mlar: Ba¤lant›l›l›k ve Basit Ba¤lant›l›l›k Bütün eğrilerin parçalı olarak düzgün, yani Bölüm 13.1’de gösterildiği gibi, arka arkaya eklenmiş düzgün eğrilerden meydana gelmiş olduğunu varsayacağız. Ayrıca F’nin bileşenlerinin birinci mertebe kısmi türevlerinin var ve sürekli olduğunu da kabul edeceğiz. 1162 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon F = ƒ olduğunda, bu süreklilik koşulu ƒ potansiyel fonksiyonunun karışık ikinci mertebe türevlerinin eşit olmasını garantiler. Bu sonucu, F’nin korunmalı alanlarını çalışırken çıkaracağız. D’nin uzayda açık bir bölge olduğunu varsayacağız. Bu, D içindeki her noktanın, tümüyle D içinde kalan bir topun merkezi olabilmesi anlamına gelir. D’nin bağlantılı olduğunu varsayacağız, ki bu bir açık bölgede her noktanın diğer her noktaya bölge içinde kalan düzgün bir eğriyle bağlanabileceği anlamına gelir. Son olarak, D’nin basit bağlantılı olduğunu varsayacağız, ki bu da D içindeki her kapalı döngünün D’yi hiç terk etmeden bir noktaya büzülebileceği anlamına gelir (Örneğin, içinden bir doğru çıkarılmış bir uzaydan ibaret olan D bölgesi basit bağlantılı olamaz. Doğrunun etrafındaki bir döngüyü D’yi terk etmeden bir noktaya büzmenin bir yolu bulunmayacaktır). Bağlantılılık ve basit bağlantılılık aynı şey değildir ve biri diğerini gerektirmez. Bağlantılı bölgeleri ‘‘tek parça’’ olarak, basit bağlantılı bölgeleri de ‘‘döngülerin içinden geçen delikleri’’ olmayan bölgeler olarak düşünün. Uzayın kendisi hem bağlantılı hem de basit bağlantılıdır. Bu bölümdeki bazı sonuçlar, bu koşulların sağlanmadığı bir bölgeye uygulanırlarsa sağlanmayabilirler. Örneğin, bu bölümde daha sonra verilecek olan korunmalı alanlar için bileşen testi, basit bağlantılı olmayan bölgelerde geçerli değildir. Korunmal› Alanlarda E¤risel ‹ntegraller Aşağıdaki sonuç korunmalı bir alanda bir eğrisel integrali hesaplamanın uygun bir yolunu verir. Sonuç, integralin değerinin sadece uç noktalara bağlı olduğunu ve onları birleştiren belirli yola bağlı olmadığını belirtir. TEOREM 1 1. E¤risel ‹ntegrallerin Temel Teoremi F = Mi + Nj + Pk, uzayın açık, bağlantılı bir D bölgesinde bileşenleri sürekli olan bir vektör alanı olsun. Bu durumda, ancak ve yalnız D içindeki bütün A B ve B noktaları için 1A F # dr’nin değeri A ve B’yi D içinde birleştiren yoldan bağımsız ise, 0ƒ 0ƒ 0ƒ i + j + k 0x 0y 0z olacak şekilde diferansiyellenebilir bir ƒ fonksiyonu vardır. İntegral A’dan B’ye giden yoldan bağımsızsa, değeri F = §ƒ = 2. B LA F # dr = ƒsBd - ƒsAd. olur. F = ƒ’nin, integralin Yoldan Ba¤›ms›zl›¤›n› Gerektirmesinin ‹spat› A ile B’nin D içinde iki nokta ve C: r(t) = g(t)i + h(t)j + k(t)k, a t b’nin de D içinde A ile B’yi birleştiren düzgün bir eğri olduğunu varsayın. Eğri boyunca ƒ, t’nin diferansiyellenebilir bir fonksiyonudur ve dƒ 0ƒ dx 0ƒ dy 0ƒ dz x = gstd, y = hstd, z = kstd = + + ile Zincir Kuralı 0x 0y 0z dt dt dt dt = §ƒ # a olur. dy dx dz dr dr i + j + kb = §ƒ # = F# . dt dt dt dt dt F = §ƒ olduğundan 16.3 Yoldan Ba¤›ms›zl›k, Potansiyel Fonksiyonlar› ve Korunmal› Alanlar 1163 Bu nedenle, t=b LC F # dr = F# Lt = a b dƒ dr dt = dt dt La dt b = ƒsgstd, hstd, kstdd d = ƒsBd - ƒsAd. a bulunur. Böylece, iş integralinin değeri sadece ƒ’nin A ve B’deki değerlerine bağlıdır, aralarındaki yola değil. Bu 2. kısmın yanında, 1. kısımdaki gerektirmeyi de ispatlar. Daha teknik olan yeterlik kısmının ispatını burada vermeyeceğiz. ÖRNEK 1 Korunmal› Bir Alan›n Yapt›¤› ‹fli Bulmak A(–1, 3, 9) noktasını B(1, 6, –4)’e bağlayan herhangi bir C eğrisi üzerinde F = yzi + xzj + xyk = §sxyzd korunmalı alanının yaptığı işi bulun. Çözüm ƒ(x, y, z) = xyz ile B LA B F # dr = LA §ƒ # dr F = §ƒ = ƒsBd - ƒsAd Temel Teorem, Kısım 2 = xyz ƒ s1,6, -4d - xyz ƒ s-1,3,9d = s1ds6ds -4d - s -1ds3ds9d = –24 + 27 = 3 buluruz. TEOREM 2 Korunmal› Alanlar›n Kapal›-Döngü Özelli¤i Aşağıdaki ifadeler eşdeğerdir: B C1 C1 A D’deki her kapalı döngü üzerinde 1 F # dr = 0’dır. 2. D’de F alanı korunmalıdır. B –C2 C2 1. A fiEK‹L 16.22 A’dan B’ye giden iki yolumuz varsa, biri tersine çevrilerek bir döngü oluşturulabilir. (1) Q (2)’nin ispat› D içindeki herhangi iki A ve B noktası için F # dr’nin integralinin A’dan B’ye kadar herhangi iki C1 ve C2 üzerindeki değerinin aynı olduğunu göstermek istiyoruz. C2’nin yönünü tersine çevirerek B’den A’ya giden bir –C2 yolu oluştururuz (Şekil 16.22). C1 ve –C2 kapalı bir C eğrisi oluşturur ve LC1 F # dr - LC2 F # dr = LC1 F # dr + L-C2 F # dr = LC F # dr = 0. olur. Yani C1 ve C2 üzerinden integraller aynı değeri verir. Eğrisel integralin tanımının, bir eğri boyunca yön değiştirmenin, integralin işaretinin değiştiğini gösterdiğine dikkat edin. 1164 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon B C2 B –C2 (2) Q (1)’in ispat› F # dr ’nin integralinin herhangi bir C kapalı döngü üzerindeki integralinin sıfır olduğunu göstermek istiyoruz. C üzerinde iki A ve B noktası seçer ve bunları C’yi iki parçaya bölmek için kullanırız: A’dan B’ye C1 ve onu izleyen B’den yine A’ya C2 (Şekil 16.23). Bu durumda B C1 A C1 A FC F # dr = LC1 F # dr + LC2 F # dr = LA B F # dr - LA F # dr = 0. olur. Aşağıdaki diyagram Teorem 1 ve 2’nin sonuçlarını özetler. Teorem 1 fiEK‹L 16.23 A ve B bir döngü üzerinde bulunuyorsa, döngünün bir parçasını tersine çevirerek, A’dan B’ye giden iki yol yapılabilir. F = §ƒ on D D’de F = ƒ 3 Teorem 2 F conservative D’de F korunmalıdır on D 3 F # dr = 0 FC D’deki herhangi over any closed bir kapalı path in Dyolda Eğrisel integralleri korunmalı alanlarda hesaplamanın ne kadar uygun olduğunu gördüğümüze göre, geriye iki soru kalır: 1. 2. Verilen bir F alanının korunmalı olduğunu nasıl anlarız? F gerçekten korunmalıysa, ƒ potansiyel fonksiyonunu nasıl buluruz (ki F = ƒ olsun)? Korunmal› Alanlar ‹çin Potansiyel Bulmak Korunmalı olmanın testi aşağıdadır. F’nin bölgesinin bağlantılı ve basit bağlantılı olduğu kabulümüzü aklınızda tutun. Korunmalı Alanlar İçin Bileşen Testi F = M(x, y, z)i + N(x, y, z)j + P(x, y, z)k, bileşenlerinin birinci mertebe kısmi türevleri sürekli olan bir alan olsun. Bu durumda, ancak ve yalnız 0N 0P = , 0y 0z 0P 0M = , 0z 0x and ve 0N 0M = . 0x 0y (2) ise, F korunmalıdır. ‹spat F korunmal› ise, (2) denklemlerinin geçerli oldu¤unu ispat edin F = Mi + Nj + Pk = 0ƒ 0ƒ 0ƒ i + j + k. 0x 0y 0z olacak şekilde bir ƒ potansiyel fonksiyonu vardır. Böylece 0 2ƒ 0P 0 0ƒ = a b = 0y 0y 0z 0y 0z = 0 2ƒ 0z 0y = 0N 0 0ƒ a b = . 0z 0y 0z Süreklilik, karışık kısmi türevlerin eşitliğini gerektirir. olur. (2) denklemlerindeki diğer iki eşitlik de benzer şekilde ispatlanır. İspatın ikinci yarısı, yani (2) denklemlerinin F’nin korunmalı olmasını gerektirmesi Bölüm 16.7’de işlenecek olan Stokes Teoreminin bir sonucudur ve bölgemizin basit bağlantılı olduğu kabulümüzü gerektirmektedir. 16.3 Yoldan Ba¤›ms›zl›k, Potansiyel Fonksiyonlar› ve Korunmal› Alanlar 1165 F’nin korunmalı olduğunu biliyorsak, genellikle F için bir potansiyel fonksiyonu bulmak isteriz. Bu ƒ = F veya 0ƒ 0ƒ 0ƒ i + j + k = Mi + Nj + Pk 0x 0y 0z denkleminden ƒ’yi çözmeyi gerektirir. Bunu 0ƒ = M, 0x 0ƒ = N, 0y 0ƒ = P, 0z denklemlerini aşağıdaki örnekte olduğu gibi integre ederek yaparız. ÖRNEK 2 Bir Potansiyel Fonksiyon Bulmak x F = (e cos y + yz)i + (xz – ex sin y)j + (xy + z)k’nin korunmalı olduğunu gösterin ve bir potansiyel fonksiyonu bulun. Çözüm (2) Denklemlerindeki testleri M = e x cos y + yz, N = xz - e x sin y, P = xy + z denklemlerine uygular ve 0N 0P = x = , 0y 0z 0M 0P = y = , 0z 0x 0N 0M = -e x sin y + z = . 0x 0y buluruz. Bu eşitlikler birlikte, ƒ = F olacak şekilde bir ƒ fonksiyonunun var olduğunu söyler. ƒ’yi 0ƒ = e x cos y + yz, 0x 0ƒ = xz - e x sin y, 0y 0ƒ = xy + z. 0z (3) denklemlerini çözerek buluruz. İlk denklemi, y ve z’yi sabit tutup, x’e göre integre ederek ƒ(x, y, z) = ex cos y + xyz + g(y, z) elde ederiz. İntegrasyon sabitini y ve z’nin bir fonksiyonu olarak yazarız, çünkü y ve z değişirse değeri değişebilir. Sonra bu denklemden ∂ƒ@∂y’yi hesaplar ve bunu (3) denklemlerindeki ∂ƒ@∂y ifadesiyle karşılaştırırız. Bu -e x sin y + xz + 0g = xz - e x sin y, 0y verir, böylece ∂g@∂y = 0 olur. Dolayısıyla, g sadece z’nin bir fonksiyonudur: ƒ(x, y, z) = ex cos y + xyz + h(z) Şimdi bu denklemden ∂ƒ@∂z’yi hesaplar ve bunu (3) denklemlerindeki ∂ƒ@∂z ifadesiyle karşılaştırırız. Bu dh dh = xy + z, veya = z, xy + or dz dz verir, dolayısıyla z2 hszd = + C. 2 olur. 1166 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Böylece z2 + C. 2 olur. C’nin her değeri için bir tane olmak üzere, F için sonsuz sayıda potansiyel fonksiyonlar bulduk. ƒsx, y, zd = e x cos y + xyz + ÖRNEK 3 Bir Alan›n Korunmal› Olmad›¤›n› Göstermek F = (2x – 3)i – zj + (cos z)k’nin korunmalı olmadığını gösterin. Çözüm (2) Denklemlerindeki bileşen testini uygular ve hemen 0N 0P 0 0 = scos zd = 0, = s -zd = -1. 0y 0y 0z 0z buluruz. Bu ikisi eşit değildir, dolayısıyla F korunmalı değildir. Daha fazla teste gerek yoktur. Tam Diferansiyel Formlar Bir sonraki bölümde ve daha sonra göreceğimiz gibi, genellikle iş ve dolaşım integrallerini Bölüm 16.2’de sözü edilen B M dx + N dy + P dz LA “diferansiyel” formunda ifade etmek uygundur. M dx + N dy + P dz bir ƒ fonksiyonunun diferansiyeliyse, bu tip integralleri hesaplaması oldukça kolaydır. Çünkü bu durumda, B LA B 0ƒ M dx + N dy + P dz = LA 0x dx + 0ƒ 0ƒ dy + dz 0y 0z B §ƒ # dr LA = ƒsBd - ƒsAd. = Teorem 1 olur. Yani, tek değişkenli diferansiyellenebilir fonksiyonlarda olduğu gibi, B LA df = ƒsBd - ƒsAd, bulunur. TANIMLAR Tam Diferansiyel Form M(x, y, z)dx + N(x, y, z)dy + P(x, y, z)dz formuna diferansiyel form denir. Uzaydaki bir D bölgesinde bir (skaler) ƒ fonksiyonu için, M dx + N dy + P dz = 0ƒ 0ƒ 0f dx + dy + dz = dƒ 0x 0y 0z ise, diferansiyel forma D’de tam diferansiyel form denir. D üzerinde M dx + N dy + P dz = dƒ ise, F = Mi + Nj + Pk alanı ƒ’nin D üzerindeki gradiyent alanıdır. Tersine, F = ƒ ise, M dx + N dy + P dz formu tamdır. Dolayısıyla, formun tamlığı testi F’nin korunmalı olup olmadığı testiyle aynıdır. Yoldan Ba¤›ms›zl›k, Potansiyel Fonksiyonlar› ve Korunmal› Alanlar 1167 M dx + N dy + P dz’nin Tamlık Testi Ancak ve yalnız 0N 0P = , 0y 0z 0M 0P = , 0z 0x 0N 0M = . 0x 0y ve and ise, M dx + N dy + P dz diferansiyel formu tamdır. Bu, F = Mi + Nj + Pk’nin korunmalı olduğunu söylemeye eşdeğerdir. ÖRNEK 4 Bir Diferansiyel Formun Tam Oldu¤unu Göstermek y dx + x dy + 4 dz’nin tam olduğunu gösterin ve (1, 1, 1)’den (2, 3, –1)’e kadar giden doğru parçası üzerinde s2,3, -1d Ls1,1,1d y dx + x dy + 4 dz integralini hesaplayın. Çözüm M = y, N = x, P = 4 alır ve Tamlık Testini uygularız: 0N 0N 0M 0P 0M 0P = 0 = , = 0 = , = 1 = . 0y 0z 0z 0x 0x 0y Bu eşitlikler bize y dx + x dy + 4 dz’nin tam olduğunu söyler, dolayısıyla bir ƒ fonksiyonu için y dx + x dy + 4 dz = dƒ olur ve integralin değeri ƒ(2, 3, –1) – ƒ(1, 1, 1) bulunur. ƒ’yi bir sabit ile birlikte 0ƒ = y, 0x 0ƒ = x, 0y 0ƒ = 4. 0z denklemlerini integre ederek buluruz. Birinci denklemden ƒ(x, y, z) = xy + g(y, z) elde ederiz. İkinci denklem 0ƒ 0g = x + = x, 0y 0y veya or 0g = 0. 0y verir. Bu nedenle g sadece z’nin bir fonksiyonudur ve ƒ(x, y, z) = xy + h(z) olur. (4) denklemlerinin üçüncüsü 0ƒ dh = 0 + = 4, 0z dz veya or hszd = 4z + C. olduğunu söyler. Dolayısıyla, ƒ(x, y, z) = xy + 4z + C olur. İntegralin değeri ƒ(2, 3, –1) – ƒ(1, 1, 1) = 2 + C – (5 + C) = –3 bulunur. (4) 1168 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon ALIfiTIRMALAR 16.3 s1,p>2,2d Korunmal› Alanlar› Test Etmek 18. 1–6 alıştırmalarındaki alanların hangileri korunmalı, hangileri değildir? Ls0,2,1d s1,2,3d 19. 1. F = yzi + xzj + xyk Ls1,1,1d s2,1,1d 2. F = s y sin zdi + sx sin zdj + sxy cos zdk 20. 3. F = yi + sx + zdj - yk Ls1,2,1d s2,2,2d 4. F = -yi + xj 21. 5. F = sz + ydi + zj + s y + xdk Ls1,1,1d s2,2,2d 6. F = se x cos ydi - se x sin ydj + zk 22. 1 1 2 cos y dx + a y - 2x sin yb dy + z dz z2 3x 2 dx + y dy + 2z ln y dz x2 s2x ln y - yzd dx + a y - xz b dy - xy dz y x 1 1 y dx + a z - y 2 b dy - z 2 dz 2x dx + 2y dy + 2z dz x2 + y2 + z2 Ls-1, -1, -1d 23. Örnek 4’ü tekrarlamak Örnek 4’teki Potansiyel Fonksiyonlar› Bulmak 7–12 alıştırmalarında, F alanı için bir ƒ potansiyel fonksiyonu bulun. s2,3, -1d 7. F = 2xi + 3yj + 4zk Ls1,1,1d y dx + x dy + 4 dz 8. F = s y + zdi + sx + zdj + sx + ydk 9. F = e y + 2zsi + xj + 2xkd 10. F = s y sin zdi + sx sin zdj + sxy cos zdk 11. F = sln x + sec2sx + yddi + asec2sx + yd + 12. F = y 2 2 1 + x y i + a y 2 y + z2 bj + z k y2 + z2 x z + bj + 1 + x2 y2 21 - y2 z2 y 1 a + z bk 2 2 21 - y z integralini (1, 1, 1)’den (2, 3, –1)’e giden doğru parçasının parametrik denklemlerini bulup, doğru üzerinde F = yi + xj + 4k’nin eğrisel integralini hesaplayarak bulun. F korunmalı olduğu için, integral yoldan bağımsızdır. 24. (0, 0, 0)’ı (0, 3, 4)’e bağlayan C doğru parçası üzerinde LC Teori, Uygulama ve Örnekler Bağımsız yol 25 ve 26 alıştırmalarındaki integrallerin değerlerinin A’dan B’ye gidilen yola bağlı olmadığını gösterin. B E¤risel ‹ntegralleri Hesaplamak 25. 13–17 alıştırmalarında, integrallerdeki diferansiyel formların tam olduklarını gösterin. Sonra integralleri hesaplayın. 26. Ls0,0,0d Ls1,1,2d Ls0,0,0d yz dx + xz dy + xy dz 2xy dx + sx 2 - z 2 d dy - 2yz dz s3,3,1d 16. Ls0,0,0d 2x dx - y 2 dy - 4 dz 1 + z2 s0,1,1d 17. 3 Ls1,0,0d B x dx + y dy + z dz 1 - x2 2x bj 27. F = y i + a y2 s1,2,3d 15. z 2 dx + 2y dy + 2xz dz 2x dx + 2y dy + 2z dz s3,5,0d 14. LA LA 2x 2 + y 2 + z 2 27 ve 28 alıştırmalarında, F için bir potansiyel fonksiyon bulun. s2,3, -6d 13. x 2 dx + yz dy + s y 2>2d dz’yi hesaplayın. sin y cos x dx + cos y sin x dy + dz R uzayının tamamında tanımlı olmadıkları halde, 18–22 alıştırmalarına karşı gelen bölgeler basit bağlantılıdır. Alanların korunmalı olduklarını göstermek için bileşen testi kullanılabilir. Her bir alan için bir potansiyel fonksiyon bulun ve integralleri Örnek 4’teki gibi hesaplayın. ex 28. F = se x lnydi + a y + sin zbj + s y cos zdk 29. Farklı yollar üzerinde iş F = (x2 + y)i + (y2 + x)j + zezk’nin aşağıdaki yollarda (1, 0, 0)’dan (1, 0, 1)’e kadar yaptığı işi bulun. a. x = 1, y = 0, 0 z 1, doğru parçası b. r(t) = (cos t)i + (sin t)j + (t@2p)k, 0 t 2p, helisi c. (1, 0, 0)’dan (0, 0, 0)’a kadar x-ekseni ve ardından (0, 0, 0)’dan (1, 0, 1)’e kadar z = x2, y = 0 parabolü 30. Farklı yollar üzerinde iş F = eyzi + (xzeyz + z cos y)j + (xyeyz + sin y)k’nin aşağıdaki yollarda (1, 0, 1)’den (1, p@2, 0)’a kadar yaptığı işi bulun. 16.4 a. x = 1, y = pt@2, z = 1 – t, 0 t 1 doğru parçası b. (1, 0, 1)’den orijine giden doğru parçası ve ardından orijinden (1, p@2, 0)’a giden doğru parçası c. (1, 0, 1)’den (1, 0, 0)’a giden doğru parçası, ardından (1, 0, 0)’dan orijine kadar x-ekseni ve ardından orijinden (1, p@2, 0)’a kadar y = px2@2, z = 0 parabolü. 34. Bir eğrisel integralin gradiyenti tör alanı ve Düzlemde Green Teoremi 1169 F = ƒ’nin korunmalı bir veksx,y,zd gsx, y, zd = Ls0,0,0d F # dr. olduğunu varsayın. g = F olduğunu gösterin. 31. Bir iş integralini iki şekilde hesaplamak F = (x y ) ve C de xy-düzleminde (–1, 1)’den (1, 1)’e, önce (–1, 1)’den (0, 0)’a ardından (0, 0)’dan (1, 1)’ e giden doğru parçalarından oluşan yol olsun. 1C F # dr’yi iki şekilde hesaplayın: 35. En az iş yolu Bir F kuvvet alanının bir parçacığı iki yer arasında hareket ettirirken en az iş yapacağı yolu bulmanız istenmektedir. Yaptığınız çabuk bir hesap F’nin korunmalı olduğunu gösterir. Nasıl yanıt verirsiniz? Yanıtınızı açıklayın. a. C’yi oluşturan doğru parçalarının parametrizasyonlarını bulun ve integrali hesaplayın. 36. Açıklayıcı bir deney Deneyle, bir F kuvvet alanının bir cismi A’dan B’ye kadar C1 yolu boyunca götürmekle cismi A’dan B’ye C2 yolundan götürmekle yapacağı işin yarısını yaptığını buluyorsunuz. F hakkında ne sonuca varırsınız? Yanıtınızı açıklayın. 3 2 b. ƒ(x, y) = x3y2’nin F’nin potansiyel fonksiyonu olmasını kullanın. 32. Farklı yollar boyunca integral 1C 2x cos y dx - x 2 sin y dy’yi xy-düzleminde aşağıda verilen C yolları boyunca hesaplayın. a. (1, 0)’dan (0, 1)’e kadar y = (x – 1)2 parabolü b. (–1, p)’den (1, 0)’a giden doğru parçası c. (–1, 0)’dan (1, 0)’a kadar x-ekseni d. Saat yönünün tersinde (1, 0)’dan yeniden (1, 0)’a kadar r(t) = (cos3 t)i + (sin3 t)j, 0 t 2p, astroidi 33. a. Tam diferansiyel form Aşağıdaki diferansiyel form tamsa, a, b ve c arasındaki ilişki nedir? say 2 + 2czxd dx + ysbx + czd dy + say 2 + cx 2 d dz b. Gradiyent Alan Hangi b ve c değerlerinde 2 F = s y + 2czxdi + ysbx + czdj + s y 2 + cx 2 dk bir gradiyent alan olur? 16.4 37. Sabit kuvvetin işi Sabit F = ai + bj + ck kuvvet alanı ile bir par1 çacığı A’dan B’ye götürmekle yapılan işin W = F # AB. olduğunu gösterin. 38. Yer çekimi alanı a. Aşağıdaki yerçekimi alanı için bir potansiyel fonksiyonu bulun. F = -GmM xi + yj + zk 2 sx + y 2 + z 2 d3>2 (G,and m ve M sabit) sG, m, M are constantsd. b. P1 ve P2 orijinden s1 ve s2 uzaklıkta noktalar olsun. (a)’daki yerçekimi alanının bir parçacığı P1’den P2’ye kadar hareket ettirmek için yapması gereken işin 1 1 GmM a s2 - s1 b. olduğunu gösterin. Düzlemde Green Teoremi b Bölüm 16.2, Tablo 16.2’den her 1C M dx + N dy eğrisel integralinin bir 1a F # T ds. akış integrali olarak yazılabileceğini biliyoruz. İntegral yoldan bağımsız ise yani F alanı korunmalı ise (temel varsayımların sağlandığı bir bölge üzerinde), alanın bir potansiyel fonksiyonundan integrali kolayca hesaplayabiliriz. Bu bölümde, korunmalı olmayan fakat xydüzleminde bir akış integrali veya kapalı bir eğri üzerinde akı integrali ise bir vektör alanının integralinin nasıl hesaplanacağı üzerinde duracağız. Bunu yapmanın yolu, eğrisel integrali eğrinin çevrelediği bölge üzerindeki bir iki katlı integrale dönüştüren ve Green Teoremi olarak bilinen sonuçtur. Akışkan akışlarının hız alanları cinsinden konuşacağız, çünkü akışkan akışlarını resmetmesi kolaydır. Ancak, Green Teoreminin belirli matematiksel koşulları sağlayan herhangi bir vektör alanına uygulanabileceğini unutmamanızı hatırlatırız. Geçerliliği alanın belirli bir fiziksel yorumu olup olmamasına bağlı değildir. 1170 (x, y y) Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon x (x x, y y) y y A (x, y) x (x x, y) fiEK‹L 16.24 Bir vektör alanının bir (x, y) noktasındaki diverjansını (akı yoğunluğunu) tanımlamak için dikdörtgen. Diverjans Green Teoremi için iki yeni fikre ihtiyacımız vardır. Birincisi, bazen fizikçilerin ve mühendislerin vektör alanının akı yoğunluğu dedikleri, bir vektör alınının bir noktadaki diverjansı fikridir. Bunu aşağıdaki gibi elde ederiz. F(x, y) = M(x, y)i + N(x, y)j’nin düzlemdeki bir akışkan akışının hız alanı olduğunu ve M ile N’nin birinci mertebe kısmi türevlerinin bir R bölgesinin her noktasında sürekli olduklarını varsayın. (x, y) noktası R’de bir nokta ve A da, bir köşesi (x, y)’de bulunan ve tümüyle, içiyle birlikte, R’de bulunan bir dikdörtgen olsun (Şekil 16.24). Koordinat eksenlerine paralel olan dikdörtgenin kenarlarının uzunlukları x ve y’dir. Akışkanın dikdörtgeni alt kenardan terk etme hızı yaklaşık olarak Fsx, yd # s -jd ¢x = -Nsx, yd¢x. olur. Bu, (x, y)’deki hızın dışarı giden normal yönündeki skaler bileşeni kere doğru parçasının uzunluğudur. Örneğin hız metre bölü saniye ise, çıkış hızı metre bölü saniye kere metrekare bölü saniye olacaktır. Akışkanın diğer üç kenarı, dışarıyı gösteren normalleri yönünde geçiş hızları benzer şekilde hesaplanabilir. Buna göre, Çıkış Oranları :Üst: Alt: Sağ: Sol: Fsx, y + ¢yd # j ¢x = Nsx, y + ¢yd¢x Fsx, yd # s -jd ¢x = -Nsx, yd¢x Fsx + ¢x, yd # i ¢y = Msx + ¢x, yd¢y Fsx, yd # s -id ¢y = -Msx, yd¢y. elde ederiz. Karşılıklı çiftleri birleştirmek TopÜst andvebottom: alt: sNsx, y + ¢yd - Nsx, ydd¢x L a Sağand ve left: sol: Right sMsx + ¢x, yd - Msx, ydd¢y L a 0N ¢yb ¢x 0y 0M ¢xb ¢y. 0x verir. Bu son iki denklemi toplamak sınırındaki akı L a 0M + 0N b ¢x¢y. FluxDikdörtgen across rectangle boundary 0x 0y verir. Şimdi bunu xy ile bölerek dikdörtgen için birim alan başına toplam akıyı veya akı yoğunluğunu buluruz: Dikdörtgen sınırındaki akı Flux across rectangle boundary ——————————— L a 0M + 0N b. 0x 0y rectangle area Dikdörtgen alanı Son olarak, x ve y’yi sıfıra götürerek, F’nin (x, y) noktasındaki akı yoğunluğu dediğimiz şeyi tanımlarız. Matematikte, akı yoğunluğuna F’nin diverjansı deriz. Sembolü, div F’dir ve “F’nin diverjansı” veya “div F” olarak okunur. TANIM Diverjans (Ak› Yo¤unlu¤unu) Bir F = Mi + Nj vektör alanının (x, y) noktasındaki akı yoğunluğu veya diverjansı div F = dir. 0N 0M + . 0x 0y (1) 16.4 Kaynak: div F (x0, y0) 0 (x0, y0) noktasında genleşen bir gaz Düzlemde Green Teoremi 1171 Sezgisel olarak, bir gaz bir (x0, y0) noktasında genleşiyorsa, akış çizgileri o noktada ıraksayacaktır (isim buradan gelir, İngilizce’de diverjans [divergence] ıraksayan demektir) ve gaz (x0, y0) çevresindeki küçük bir dikdörtgenden dışarı akacağı için, F’nin (x0, y0)’daki diverjansı pozitif olacaktır. Gaz, genleşmek yerine sıkışıyorsa, diverjans negatif olacaktır (Şekil 16.25’e bakın). ÖRNEK 1 Diverjans Bulmak 2 F(x, y) = (x – y)i + (xy – y2)j’nin diverjansını bulun. Çukur: Çözüm (x0, y0) noktasında sıkışan bir gaz (1) Denklemindeki formülü kullanırız: div F (x0, y0) 0 div F = 0N 0M 0 2 0 (xy – y22) + = sx - yd + sxy - y d 0x 0y 0x 0y = 2x + x - 2y = 3x - 2y. Bir Eksen Etraf›nda Dönmek: Rotasyonelin k-Bilefleni fiEK‹L 16.25 Bir gaz bir (x0, y0) noktasında genişliyorsa, akış doğrularının diverjansı pozitiftir; gaz sıkışıyorsa diverjans negatiftir. Green Teoremi için gerek duyduğumuz ikinci fikir, düzlemsel bir bölgede akan bir akışkan içindeki bir noktada bir çarkın nasıl döndüğünün ölçülmesi ile ilgilidir. Bu fikir, farklı noktalarda bölgeye dik olarak yerleştirilen eksenler etrafında akışkanın nasıl döndüğü hakkında bazı sezgiler verir. Fizikçiler bazen buna bir F vektör alanının bir noktadaki dolaşım yoğunluğu derler. Bunu elde etmek için Fsx, yd = Msx, ydi + Nsx, ydj vektör alanına ve A dikdörtgenine döneriz. Dikdörtgen Şekil 16.26’da yeniden çizilmiştir. F alanının A’nın sınırındaki saat yönünün tersine dolaşımı kenarlardaki akış hızlarının toplamıdır. Alt kenar için, akış hızı yaklaşık olarak, Fsx, yd # i ¢x = Msx, yd¢x. olur. Bu, F(x, y) hızının i teğet vektörü yönündeki skaler bileşeni kere doğru parçasının uzunluğudur. Diğer kenarlardaki saat yönünün tersine akış hızları benzer şekilde hesaplanabilir. Buna göre, (x, y y) x (x x, y y) Üst: Top: Fsx, y + ¢yd # s -id ¢x = -Msx, y + ¢yd¢x Alt: Bottom: Fsx, yd # i ¢x = Msx, yd¢x Sağ: Right: Fsx + ¢x, yd # j ¢y = Nsx + ¢x, yd¢y Sol: Left: Fsx, yd # s -jd ¢y = -Nsx, yd¢y. elde ederiz. Karşılıklı çiftleri toplamak Üst ve alt: y A (x, y) -sMsx, y + ¢yd - Msx, ydd¢x L - a y x (x x, y) fiEK‹L 16.26 Bir vektör alanının bir (x, y) noktasındaki rotasyoneli (dolaşım yoğunluğunu) tanımlamak için dikdörtgen (curl = rotasyonel , dönerek hareket etmek) 0M ¢yb ¢x 0y Sağ ve sol: sNsx + ¢x, yd - Nsx, ydd¢y L a 0N ¢xb ¢y. 0x verir. Bu son iki denklemi toplamak ve xy ile bölmek dikdörtgen için bir dolaşım yoğunluğu tahmini verir: Dikdörtgenaround sınırındaki akı Circulation rectangle ——————————— L 0N - 0M . 0x 0y rectangle area Dikdörtgen alanı 1172 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Son olarak, x ve y’yi sıfıra götürerek, F’nin (x, y) noktasındaki dolaşım yoğunluğu dediğimiz şeyi tanımlarız. Düzlem için dolaşım yoğunluğunun pozitif yönü, dikey eksen etrafında, (dikey) birim vektör k’nın ucundan aşağıya xy-düzlemine bakıldığında, saat yönünün tersine dönmedir (Şekil 16.27). Dolaşım değeri aslında bölüm 16.27’de tanımlayacağımız, bir F vektör alanının rotasyoneli denen, daha genel bir dolaşım vektörünün k-bileşenidir. Green Teoremi için sadece bu k-bileşenine ihtiyacımız vardır. Dikey eksen k (x0, y0) Rot F (x0, y0) . k 0 Saat yönünün tersinde dolaşım TANIM Rotasyonelin k-Bilefleni (Dolafl›m Yo¤unlu¤u) Bir F = Mi + Nj vektör alanının bir (x, y) noktasındaki rotasyonelinin (dolaşım yoğunluğu) k-bileşeni Dikey eksen (rot Fd F) # k = 0N - 0M . scurl 0x 0y k (2) skaleridir. xy-düzlemindeki bir bölge civarında ince bir tabaka üzerinde su hareket ediyorsa, bir (x0, y0) noktasındaki dolaşımın, veya rotasyonelin k-bileşeni, (x0, y0)’a, ekseni düzleme dik olarak (yani k’ya paralel), küçük bir çark konulursa, çarkın ne hızla ve hangi yönde döneceğini ölçer (Şekil 16.27). (x0, y0) Rot F (x0, y0) . k 0 Saat yönünde dolaşım ÖRNEK 2 Rotasyonelin k-Bileflenini Bulmak Aşağıdaki vektör alanının rotasyonelinin k-bileşenini bulun. fiEK‹L 16.27 Sıkıştırılamaz bir akışkanın bir düzlem bölge üzerindeki akışında, rotasyonelin k-bileşeni akışkanın bir noktadaki dönme hızını ölçer. Dönmenin saat yönünün tersine olduğu noktalarda rotasyonel pozitif, dönmenin saat yönünde olduğu noktalarda negatiftir. Fsx, yd = sx2 - ydi + sxy - y2 dj. Çözüm (2) Denklemindeki formülü kullanırız: scurl (rot Fd # F) k = 0N 0 2 0M 0 sxy - y2 d sx - yd = y + 1. = 0x 0y 0x 0y Green Teoreminin ‹ki Formu Basit Basit Basit olmayan fiEK‹L 16.28 Green Teoremini ispatlarken, iki çeşit kapalı eğri kullanırız, basit ve basit olmayan. Basit eğriler kendilerini kesmezler. Bir çember basittir, ama bir 8 şekli basit değildir. Bir formuyla Green Teoremi, uygun koşullar altında bir vektör alanının düzlemdeki basit kapalı bir eğri üzerinden dışarıya doğru akısının (Şekil 16.28), alanın diverjansının eğrinin çevrelediği bölgedeki iki katlı integraline eşit olduğunu söyler. Bölüm 16.2’deki (3) ve (4) denklemlerindeki akı formüllerini hatırlayın. TEOREM 3 Green Teoremi (Ak›-Diverjans veya Normal Form) Bir F = Mi + Nj alanının basit kapalı bir C eğrisi üzerinden dışarıya doğru akısı div F’nin C’nin çevrelediği R bölgesindeki iki katlı integraline eşittir. F F # n ds = C Dışarıya doğru akı F C M dy - N dx = 6 a 0N 0M + b dx dy 0x 0y R Diverjans integrali (3) 16.4 Düzlemde Green Teoremi 1173 Başka bir formuyla Green Teoremi, bir vektör alanının basit kapalı bir eğri etrafındaki saat yönünün tersine dolaşımının, alanın rotasyonelinin k-bileşeninin eğrinin çevrelediği bölgedeki iki katlı integrali olduğunu söyler. Bölüm 16.2’de dolaşım tanımı için (2) Denklemini hatırlayın. TEOREM 4 Green Teoremi (Dolafl›m–Rotasyonel veya Te¤et Form) Bir F = Mi + Nj alanının düzlemde basit kapalı bir C eğrisi etrafındaki saat yönünün tersine dolaşımı, F’nin rotasyonelinin C eğrisinin çevrelediği R bölgesindeki iki katlı integraline eşittir: F F # T ds = C F M dx + N dy = C 6 a 0N 0M b dx dy 0x 0y (4) R Saat yönünün tersi dolaşımı Rot integrali Green Teoreminin iki formu eşdeğerdir. (3) Denklemini G1 = Ni – Mj alanına uygulamak (4) Denklemini verir ve (4) Denklemini G2 = –Ni + Mj alanına uygulamak (3) Denklemini verir. Matematiksel Varsay›mlar Green Teoreminin geçerli olması için iki çeşit varsayıma ihtiyacımız vardır. İlk olarak, integrallerinin varlığını garantilemek için, M ve N üzerine koşullar koymamız gerekir. Genel varsayımlar, C ve R’yi içeren bir açık bölgenin her noktasında M, N ve birinci mertebe kısmi türevlerinin sürekli olduklarıdır. İkinci olarak, C eğrisi üzerinde geometrik koşullar bulunmalıdır. Basit, kapalı olmalı ve M ve N’yi integre edebileceğimiz parçalardan oluşmalıdır. Genel varsayımlar C’nin parçalı olarak düzgün olduğudur. Ancak, burada Green Teoremi için vereceğimiz ispat R’nin şekli hakkında varsayımlar da içerir. Daha ileri kitaplarda daha az koşullu ispatlar bulabilirsiniz. Önce birkaç örneğe bakalım. ÖRNEK 3 Green Teoremini Desteklemek Green teoreminin iki şeklini de Fsx, yd = sx - ydi + xj alanı ve C: rstd = scos tdi + ssin tdj, 0 … t … 2p. birim çemberiyle çevrili R bölgesi için doğrulayın. Çözüm Önce şunları biliyoruz: M = cos t - sin t, N = cos t, 0M = 1, 0x 0M = -1, 0y dx = dscos td = -sin t dt, dy = dssin td = cos t dt, 0N = 1, 0x 0N = 00. 0y 1174 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon (3) Denkleminin iki tarafı: t = 2p F M dy - N dx = C scos t - sin tdscos t dtd - scos tds -sin t dtd Lt = 0 2p = cos2 t dt = p L0 0N 0M + b dx dy = s1 + 0d dx dy 0x 0y 6 6 a R R = dx dy = birim area inside the unit çemberin alanıcircle = p = p. 6 R ve (4) Denkleminin iki tarafı: t = 2p F M dx + N dy = C scos t - sin tds -sin t dtd + scos tdscos t dtd Lt = 0 2p = s -sin t cos t + 1d dt = 2p L0 a 0N 0M s1 - s -1dd dx dy = 2 dx dy = 2p. b dx dy = 0x dy 6 6 6 R R R dir. Green Teoremiyle E¤risel ‹ntegralleri Hesaplamak Farklı eğrileri art arda ekleyerek kapalı bir C eğrisi oluşturursak, bir eğrisel integrali C üzerinde hesaplama işlemi oldukça uzun olabilir, çünkü hesaplanması zor bir çok integral içerir. Ancak, C Green Teoreminin uygulanabileceği bir R bölgesini çevreliyorsa, Green Teoremini kullanarak C üzerindeki eğrisel integral R üzerinde iki katlı bir integrale dönüştürülebilir. ÖRNEK 4 Green Teoremini Kullanarak Bir E¤risel ‹ntegral Hesaplamak C, birinci dörtte bir bölgeden x = 1 ve y = 1 doğrularıyla kesilmiş kare olmak üzere, F xy dy - y 2 dx, C integralini hesaplayın. Çözüm Eğrisel integrali kare üzerinde iki katlı bir integrale dönüştürmek için Green Teoreminin iki formunu da kullanabiliriz. 1. Normal Form Denklemi (3) ile: M = xy, N = y2 ve C ile R’yi karenin sınırı ve içi olarak almak 1 F xy dy - y2 dx = C 6 R 1 = verir. sy + 2yd dx dy = L0 c3xy d x=1 3y dx dy 1 dy = x=0 L0 L0 1 L0 1 3y dy = 3 2 3 y d = . 2 2 0 16.4 2. Düzlemde Green Teoremi 1175 Teğet Form Denklemi (4) ile: M = – y2 ve N = xy almak aynı sonucu verir: F - y 2 dx + xy dy = C ÖRNEK 5 6 s y - s -2ydd dx dy = 3 . 2 R D›flar› Ak›y› Bulmak F(x, y) = xi + y2j alanının dışarı doğru akısını x = karede hesaplayın. 1 ve y = 1 doğrularıyla sınırlanan Çözüm Akıyı bir eğrisel integralle hesaplamak her biri karenin bir kenarı için olmak üzere dört integrasyon gerektirecektir. Green Teoremiyle, eğrisel integrali tek bir iki katlı integrale dönüştürebiliriz. M = x, N = y2, C kare ve R karenin içi olmak üzere, Akı = Flux F F # n ds = C = F M dy - N dx C a 0N 0M + b dx dy 0x 0y 6 Green Teoremi R 1 = L-1L-1 1 = 1 L-1 1 s1 + 2yd dx dy = L-1 cx + 2xy d s2 + 4yd dy = c2y + 2y 2 d x=1 dy x = -1 1 = 4. -1 buluruz. Green Teoreminin Özel Bölgeler ‹çin ‹spat› C, xy-düzleminde eksenlere paralel doğruların iki noktadan fazla yerde kesmedikleri düzgün basit, kapalı bir eğri olsun. R de C’nin çevrelediği bölge olsun ve M, N ve birinci mertebe kısmi türevlerinin C ve R’yi içeren açık bir bölgenin her noktasında sürekli olduklarını varsayın. Green Teoreminin dolaşım–rotasyonel şeklini, y P2(x, f2(x)) F C2: y f2(x) M dx + N dy = C 6 a 0N 0M b dx dy. 0x 0y (5) R ispatlamak istiyoruz. Şekil 16.29 yönlü iki parçadan oluşmuş C’yi göstermektedir: R C1: 0 a x b x ƒ2sxd Lƒ1sxd fiEK‹L 16.29 C sınır eğrsi y = ƒ1(x)’in grafiği C1 ve y = ƒ2(x)’in grafiği C2’den oluşmuştur. a … x … b, C2: y = ƒ2sxd, b Ú x Ú a. a ile b arasındaki herhangi bir x için ∂M@∂y’yi y = ƒ1(x)’ten y = ƒ2(x)’e kadar y’ye göre integre edip P1(x, f1(x)) C1: y f1(x) y = ƒ1sxd, elde ederiz. y = ƒ sxd 2 0M dy = Msx, yd d = Msx, ƒ2sxdd - Msx, ƒ1sxdd. 0y y = ƒ1sxd 1176 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Sonra bunu a’dan b’ye kadar x’e göre integre edebiliriz: b ƒ2sxd La Lƒ1sxd b 0M dy dx = [Msx, ƒ2sxdd - Msx, ƒ1sxdd] dx 0y La a b = - Lb Msx, ƒ2sxdd dx - = - LC2 M dx - = - F M dx. M dx = 6 LC1 La Msx, ƒ1sxdd dx M dx C Dolayısıyla, y F C'1: x g1(y) d C y Q2(g2(y), y) Q1(g1(y), y) R a- 0M b dx dy. 0y (6) R olur. (6) Denklemi, (5) Denklemi için gerekli olan sonucun yarısıdır. Diğer yarısını ∂N@∂x’i Şekil 16.30’da görüldüğü gibi önce x’e, sonra da y’ye göre integre ederek bulabiliriz. Bu şekil, Şekil 16.29’daki C eğrisinin yönlü C1 : x = g1(y), d y c ve C2 : x = g2(y), c y d eğrilerine bölünmüş olarak göstermektedir. İki katlı integralin sonucu C'2: x g2(y) c F x 0 N dy = C 0N dx dy. 6 0x (7) R olur. (6) ve (7) Denklemlerini toplamak (5) Denklemini verir. Bu ispatı tamamlar. fiEK‹L 16.30 C sınır eğrisi x = g1(y)’nin grafiği C1 ve x = g2(y)’nin grafiği C2 ’den oluşmuştur. ‹spat› Baflka Bölgelere Geniflletmek Şimdi yapmış olduğumuz tartışma Şekil 16.31’deki dikdörtgene doğrudan uygulanamaz, çünkü x = a, x = b, y = c ve y = d bölgenin sınırlarını iki noktadan fazla yerden keser. Ancak, C sınırını dört tane y C3: y d d C4 xa y = c, a … x … b, C2: x = b, c … y … d C3: y = d, b Ú x Ú a, C4: x = a, d Ú y Ú c, yönlü doğru parçasına bölersek, tartışmayı aşağıdaki şekilde değiştirebiliriz. (7) Denkleminin ispatındaki gibi ilerleyerek, C2 xb R C1: d c b d 0N dx dy = sNsb, yd - Nsa, ydd dy Lc La 0x Lc C1: y c d 0 a b x fiEK‹L 16.31 Green Teoremini bir dikdörtgende ispatlamak için, sınırı dört yönlü doğru parçasına böleriz. buluruz. c = Lc Nsb, yd dy + = LC2 N dy + LC4 Ld N dy. Nsa, yd dy (8) 16.4 y Düzlemde Green Teoremi 1177 C1 ve C3 boyunca y sabit olduğu için, C3, 1C1 N dy = 1C3 N dy = 0, ’dır, dolayısıyla eşitliği değiştirmeden (8) Denkleminin sağ tarafına 1C1 N dy = 1C3 N dy ekleyebiliriz. Bunu yaparsak, C d R b 0N dx dy = N dy. Lc La 0x F (9) C x 0 elde ederiz. Benzer şekilde, (a) b d 0M dy dx = - M dx. La Lc 0y F y (10) C b C olduğunu gösterebiliriz. (9) Denkleminden (10) Denklemini çıkarırsak, yine R a F M dx + N dy = C 0 a x b fiEK‹L 16.32 Green Teoreminin geçerli olduğu başka bölgeler. R LC1 M dx + N dy = LC2 M dx + N dy = R2 C2 –b C2 –a C1 C1 0 a C1 0N 0M b dx dy. 0x 0y 6 R2 R1 a a verir. Bu iki denklemi topladığımızda, C1 için y-ekseni boyunca b’den a’ya kadar eğrisel integral, aynı doğru üzerinde olan C2 için ters yöndeki integrali sadeleştirir. Buradan, C eğrisi x-ekseninin –b’den –a’ya ve a’dan b’ye kadar olan doğru parçaları ile iki yarım çemberden oluşan eğri ve R’de C’nin içindeki bölge olmak üzere, b C1 0N 0M b dx dy 0x 0y 6 a R1 y C2 0N 0M b dx dy. 0x 0y 6 buluruz. Şekil 16.32’deki gibi bölgelerle de aynı kolaylıkla uğraşılabilir. (5) Denklemi hala geçerlidir. Ayrıca, R1 ve R2 bölgelerini ve sınırlarını birleştirerek görebileceğimiz gibi, Şekil 16.33’teki nal şekilli R bölgesine de uygulanabilir. C1, R1 ve C2, R2’ye Green Teoremi uygulamak (b) C2 a b fiEK‹L 16.33 R1 ve R2’yi birleştiren bir R bölgesi. F x M dx + N dy = C 0N 0M b dx dy, 0x 0y 6 a R bulunur. Farklı sınırlar üzerindeki eğrisel integralleri toplayıp tek bir sınır üzerinde bir integral elde etme işlemi sonlu sayıdaki bölgelere de genişletilebilir. Şekil 16.34a’da birinci dörtte bir bölgedeki R1 bölgesinin saat yönünün tersine yönlendirilmiş sınırı C1 olsun. Aynı şekilde, diğer üç dörttebir bölge için Ci, i = 2, 3, 4 Ri bölgesinin sınırı olsun. Green teoreminden F M dx + N dy = Ci 6 a 0N 0M b dx dy. 0x 0y (11) Ri elde edilir. i = 1, 2, 3, 4 için (11) Denklemlerini toplar ve F sM dx + N dyd + r=b elde ederiz (Şekil 16.34b). I r=a sM dx + N dyd = 6 hRi a 0N 0M b dx dy. 0x 0y (12) 1178 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon y C2 C2 C1 C2 C1 C1 R2 C2 C3 R1 0 a C3 ÖRNEK 6 C1 C4 C4 R3 b Bir Halka fiekli ‹çin Green Teoremini Gerçeklemek x -y M = R4 C4 C3 C3 (12) Denklemi (∂N@∂x) – (∂M@∂y)’nin dairesel R halkası üzerindeki integralinin, ilerlerken R’yi solumuzda tutacak yönde R’nin tüm sınırı üzerinde M dx + N dy’nin eğrisel integraline eşit olduğunu söyler (Şekil 16.34b). 2 x + y 2 , N = x . x + y2 2 ise, R: h x + y 1, 0 h 1, dairesel halkasının üzerinde Green Teoreminin dolaşım şeklini (4 Denklemi) doğrulayın (Şekil 16.35). 2 C4 2 2 (a) R’nin sınırı, t artarken saat yönünün tersine dönen Çözüm y R’nin sınırı C1: x = cos t, y = sin t, 0 … t … 2p, çemberi ve u artarken saat yönünde dönen Ch: R a 0 b x x = h cos u, y = -h sin u, 0 … u … 2p, çemberinden oluşur. M ve N fonksiyonları ile birinci mertebe kısmi türevleri R üzerinde süreklidir. Üstelik, sx2 + y2 ds -1d + ys2yd 0M = 0y sx2 + y2 d2 y2 - x2 (b) = fiEK‹L 16.34 Dairesel R bölgesi dört küçük bölgeyi birleştirir. Kutupsal koordinatlarda, iç çember için r = a, dış çember için r = b ve bölgenin kendisi için a r b’dir. sx 2 + y 2 d2 = 0N , 0x dir. Dolayısıyla 6 a R 0N 0M b dx dy = 0 dx dy = 0. 0x 0y 6 R bulunur. M dx + N dy’nin R’nin sınırı üzerindeki integrali y 3 C1 C Ch h x dy - y dx F 2 x + y 2 C1 x dy - y dx + I x2 + y2 Ch 2p R 0 M dx + N dy = = 1 x 2p scos2 t + sin2 td dt - L0 L0 h 2scos2 u + sin2 ud du h2 = 2p – 2p = 0 olur. fiEK‹L 16.35 Görüldüğü gibi Green Teoremi sınırlar boyunca integral alınarak dairesel R bölgesine uygulanabilir (Örnek 6). Örnek 6’daki M ve N fonksiyonları (0, 0)’da süreksizdirler, dolayısıyla Green Teoremini C1 çemberi ve içindeki bölgeye uygulayamayız. Orijini dışlamamız gerekir. Bunu Ch’nin içindeki noktaları dışlayarak yaparız. Örnek 6’daki C1 çemberi yerine Ch’yi çevreleyen bir elips veya herhangi bir basit kapalı K eğrisi kullanabiliriz (Şekil 16.36). Sonuç yine F K olur. sM dx + N dyd + I Ch sM dx + N dyd = a 0N 0M b dy dx = 0, 0x 0y 6 R 16.4 y Düzlemde Green Teoremi 1179 Bu da, bu şekildeki herhangi bir K eğrisi için, şaşırtıcı F sM dx + N dyd = 2p K u sonucunu verir. Bu sonucu kutupsal koordinatlara dönerek açıklayabiliriz. x 0 Ch K x = r cos u, y = r sin u, dx = -r sin u du + cos u dr, dy = r cos u du + sin u dr, ile, x dy - y dx fiEK‹L 16.36 Ch çemberi ve K eğrisiyle sınırlı bölge. x2 + y2 = r 2scos2 u + sin2 ud du = du, r2 elde ederiz ve K’yi bir kere saat yönünün tersine dolaşırsak u, 2p kadar artar. ALIfiTIRMALAR 16.4 Green Teoremini Gerçeklemek 1–4 alıştırmalarında, F = Mi + Nj alanı için (3) ve (4) denklemlerinin iki tarafını da hesaplayarak Green Teoremini gerçekleyin. Her durumda integrasyon bölgelerini R: x2 + y2 a2 dairesi ve onu sınırlayan C: r = (a cos t)i + (a sin t)j, 0 t 2p, çemberi olarak alın. 1. F = -yi + xj 2. F = yi 3. F = 2xi - 3yj 4. F = -x2yi + xy2j Saat Yönünün Tersine Dolafl›m ve D›flar› Do¤ru Ak› 5–10 alıştırmalarında F’nin C eğrisi üzerinde saat yönünün tersine dolaşımını ve dışarı doğru akısını Green Teoremiyle bulun. 5. F = sx - ydi + sy - xdj C: x = 0, x = 1, y = 0, y = 1 ile sınırlı kare. 6. F = sx 2 + 4ydi + sx + y 2 dj 12. Birinci bölgeden x = p@2 ve y = p@2 doğrularıyla kesilen kare üzerinde F = (–sin y)i + (x cos y)j alanının saat yönünün tersine dolaşımını ve dışarı doğru akısını bulun. 13. r = a(1 + cos u), a F = a3xy - x bi + se x + tan-1 ydj 1 + y2 alanının dışarıya doğru akısını bulun. 14. Üstten y = 3 – x2 eğrisi ve alttan y = x4 + 1 eğrisi ile sınırlanan bölgenin sınırı üzerinde F = (y + ex ln y)i + (ex@y)j alanının saat yönünün tersine dolaşımını bulun. ‹fl 15 ve 16 alıştırmalarında, bir parçacığı verilen eğri üzerinde saat yönünün tersine bir tur döndüren F tarafından yapılan işi bulun. 15. F = 2xy 3i + 4x 2y 2j C: x = 0, x = 1, y = 0, y = 1 ile sınırlı kare. C: Birinci bölgede x-ekseni, x = 1 doğrusu ve y = x3 eğrisiyle çevrelenen “üçgensel” bölgenin sınırı. 7. F = s y 2 - x 2 di + sx 2 + y 2 dj C: y = 0, x = 3 ve y = x ile sınırlı üçgen. 16. F = s4x - 2ydi + s2x - 4ydj 8. F = sx + ydi - sx 2 + y 2 dj C: y = 0, x = 1 ve y = x ile sınırlı üçgen. 9. F = sx + e x sin ydi + sx + e x cos ydj C: r2 = cos 2u fiyongunun sağ döngüsü y 10. F = atan-1 x bi + ln sx 2 + y 2 dj C: Kutupsal koordinatlarda 1 r 2, 0 u p eşitsizlikleriyle tanımlı bölgenin sınırı. 0, kardioidi üzerinde C: sx - 2d2 + s y - 2d2 = 4 çemberi Düzlemde E¤risel ‹ntegralleri Hesaplamak 17–20 alıştırmalarındaki integralleri Green Teoremini uygulayarak hesaplayın. 17. F s y2 dx + x2 dyd C C: x = 0, x + y = 1, y = 0 ile sınırlı üçgen 2 11. Birinci bölgede, y = x ve y = x eğrileriyle sınırlı bölgenin sınırı üzerinde F = xyi + y2j alanının saat yönünün tersine dolaşımını ve dışarı doğru akısını bulun. 18. F C s3y dx + 2x dyd C: 0 x p, 0 y sin x’in sınırı 1180 19. F Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Teori ve Örnekler s6y + xd dx + s y + 2xd dy 25. C, Green Teoreminin geçerli olduğu bir bölgenin sınırı olsun. Aşağıdakileri Green Teoremini kullanarak hesaplayın. C C: (x – 2)2 + (y – 3)2 = 4 çemberi 20. F s2x + y 2 d dx + s2xy + 3yd dy a. F ƒsxd dx + gsyd dy F ky dx + hx dy C C C: Düzlemde Green Teoreminin geçerli olduğu herhangi bir basit kapalı eğri b. (k and ve hhbirer sabit) sk constantsd. C 26. Sadece alana bağlı integral Herhangi bir kare üzerinde Green Teoremiyle Alan Hesaplamak Düzlemde herhangi bir basit kapalı C eğrisi ve onun çevrelediği R bölgesi Green Teoreminin hipotezlerini sağlıyorsa, R’nin alanı aşağıdaki formülle verilir: Green Teoremi Alan Formülü xy 2 dx + sx 2y + 2xd dy F C integralinin değerinin karenin sadece karenin alanına bağlı olduğunu, düzlemdeki konumuna bağlı olmadığını gösterin. 27. 1 R’nin Area alanı of R = x dy - y dx 2F (13) F 4x 3y dx + x 4 dy? C C integralinde özel olan şey nedir? Yanıtınızı açıklayın. Bunun nedeni, (3) denkleminin, tersine döndürüldüğünde, R’nin Areaalanı of R = 6 dy dx = R = 28. a 1 1 + b dy dx 2 6 2 R F - y 3 dy + x 3 dx? C integralinde özel olan şey nedir? Yanıtınızı açıklayın. 1 1 x dy - y dx . 2 2 F 29. Bir eğrisel integral olarak alan R, düzlemde parçalı olarak düzgün, basit bir kapalı C eğrisiyle sınırlı bölge ise, C vermesidir. Green Teoremi alan formülünü kullanarak (13 Denklemi) 21–24 alıştırmalarındaki eğrilerle çevrelenen bölgelerin alanlarını bulun. 21. r(t) = (a cos t)i + (a sin t)j, 0 t 2p, çemberi 22. r(t) = (a cos t)i + (b sin t)j, 0 t 2p, elipsi 23. r(t) = (cos3 t)i + (sin3 t)j, 0 t 2p, astroidi 24. rstd = t 2i + sst 3>3d - tdj, bakın). - 23 … t … 23 eğrisi (Şekle R’nin Areaalanı of R = x dy = - olduğunu gösterin. F y dx. C 30. Bir eğrisel integral olarak belirli integral Negatif olmayan bir y = ƒ(x) fonksiyonunun birinci türevinin [a, b]’de sürekli olduğunu varsayın. C’de xy-düzleminde alttan x-ekseni, üstten ƒ’nin grafiği ve yanlardan x = a ve x = b doğrularıyla çevrili bölgenin sınırı olsun. b La y t0 1 F C ƒsxd dx = - F y dx. C olduğunu gösterin. 31. Alan ve ağırlık merkezi A, xy-düzleminde parçalı olarak düzgün, basit bir kapalı C eğrisiyle sınırlı bölgenin alanı ve x de R’nin ağırlık merkezinin x-koordinatı olsun. t0 0 t ;兹3 1 2 4 x 1 1 x 2 dy = xy dx = x 2 dy - xy dx = Ax. 2 F 3 F F C C C olduğunu gösterin. 32. Eylemsizlik momenti Iy Alıştırma 31’deki bölgenin y-ekseni etrafındaki eylemsizlik momenti olsun. 1 1 x 3 dy = x 2y dx = x 3 dy - x 2y dx = Iy . 3 F 4 F F –1 t0 C C olduğunu gösterin. C 16.4 33. Green Teoremi ve Laplace denklemi Gerekli bütün türevlerin var ve sürekli olduğunu varsayarak, ƒ(x, y) 0 2ƒ 0x 2 0 2ƒ + 0y 2 Düzlemde Green Teoremi 1181 b. K, düzlemde (0, 0)’dan geçmeyen herhangi bir düzgün, basit, kapalı eğri olsun. Green Teoremini kullanarak = 0, F §ƒ # n ds K Laplace denklemini sağlıyorsa, Green Teoreminin uygulanabildiği bütün kapalı C eğrileri için 0ƒ 0ƒ dx dy = 0 0y 0x F C olduğunu gösterin (Tersi de doğrudur: Eğrisel integral her zaman sıfırsa, ƒ Laplace denklemini sağlar). 34. İşi maksimize etmek Düzlemde, saat yönünün tersine yönlenmiş bütün düzgün, basit, kapalı eğriler arasından, üzerinde 1 1 F = a x 2y + y 3 bi + xj 4 3 integralinin, (0, 0)’ın K’nin içinde bulunup bulunmadığına bağlı olarak iki olası değeri olduğunu gösterin. 36. Bendixson kriteri Düzlemsel bir akışkan akışının akış çizgileri akışkanın parçacıkları tarafından çizilen düzgün eğrilerdir. Akışkanın hız alanının F = M(x, y)i + N(x, y)j vektörleri akış çizgilerinin teğet vektörleridir. Akış, basit bağlantılı bir R bölgesinde (içinde delik veya eksik nokta yok) gerçekleşiyorsa ve R içinde Mx + Ny 0 ise, R’deki akış çizgilerinin hiçbirinin kapalı olmadığını gösterin. Başka bir deyişle, akışkanın hiçbir parçacığının R’de kapalı bir yörüngesi yoktur. Mx + Ny 0 kriterine kapalı yörüngelerin yokluğu için Bendixson kriteri denir. 37. Green Teoreminin özel durumunun ispatını tamamlamak için (7) denklemini türetin. kuvvetinin yaptığı işin en büyük olduğu eğriyi bulun (İpucu: (rot F) • k nerede pozitiftir?) 38. Green Teoreminin genişletilmesinin tartışmasını tamamlamak için (10) denklemini türetin. 35. Delikler içeren bölgeler Green Teoremi, sınır eğrileri düzgün, basit ve kapalı olduğu ve sınırın her bileşeni üzerinde integral alırken R’yi hep solumuzda tutacak bir yön seçtiğimiz sürece, içinde sonlu sayıda delik bulunduran bir R bölgesinde geçerlidir (Şekil 16.37). 39. Korunmalı alanların Rot bileşeni Korunmalı iki boyutlu bir vektör alanının rotasyoneli için herhangi bir şey söylenebilir mi? Yanıtınızın nedenlerini açıklayın. 40. Korunmalı alanların dolaşımı Green Teoremi korunmalı bir alanın dolaşımı hakkında bir şey söyler mi? Bu bildiğiniz herhangi bir şeyle uyuşur mu? Yanıtınızı açıklayın. B‹LG‹SAYAR ARAfiTIRMALARI Dolafl›m Bulmak 41–44 alıştırmalarında, bir BCS ve Green Teoremini kullanarak, bir F alanının basit kapalı bir C eğrisi etrafında saat yönünün tersine dolaşımını bulun. Aşağıdaki BCS adımlarını gerçekleştirin: a. xy-düzleminde C’yi çizin. b. Green Teoreminin rotasyonel formu için s0N>0xd - s0M>0yd integrandını belirleyin. fiEK‹L 16.37 Green Teoremi, birden fazla deliği olan bölgelerde de geçerlidir (Alıştırma 35). c. (a) şıkkındaki çiziminizden integrasyon sınırlarını (iki katlı integral) belirleyin ve dolaşım için rotasyonel integralini hesaplayın. C: x2 + 4y2 = 4 elipsi y2 x2 42. F = s2x 3 - y 3 di + sx 3 + y 3 dj, C: + = 1 elipsi 4 9 41. F = s2x - ydi + sx + 3ydj, 43. F = x -1e yi + se y ln x + 2xdj, a. ƒ(x, y) = ln (x2 + y2) ve C’de x2 + y2 = a2 çemberi olsun. C: y = 1 + x4 (alttan) ve y = 2 (üstten) ile tanımlı bölgenin sınırı 44. F = xe y i + 4x 2 ln y j, F §ƒ # n ds. C akı integralini hesaplayın. C: Köşeleri (0, 0), (2, 0) ve (0, 4)’te olan üçgen. 1182 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon 16.5 Yüzey Alan› ve Yüzey ‹ntegralleri f(x, y, z) c yüzeyi S Bir fonksiyonun düzlemde düz bir bölgede integralinin nasıl alınacağını biliyoruz, ama ya fonksiyon eğri bir yüzey üzerinde tanımlıysa? Yüzey integrali denilen bu şeyleri hesaplamak için bunları yüzeyin altındaki koordinat düzleminde, bir bölge üzerinde iki katlı bir integral olarak yeniden yazarız (Şekil 16.38). Yüzey integralleri, bir zardan geçen sıvı akışını veya inmekte olan bir paraşüte yukarı doğru etkiyen kuvvet gibi büyüklükleri hesaplamak için kullanılır. Yüzey Alan› R S’nin bir koordinat düzlemi üzerine dikey izdüşümü veya “gölgesi”. fiEK‹L 16.38 Yakında göreceğimiz gibi, bir g(x, y, z) fonksiyonunun uzaydaki bir S yüzeyi üzerindeki integrali S’nin bir koordinat düzlemi üzerine dik izdüşümü veya “gölge”si üzerinde iki katlı bir integral hesaplanarak bulunabilir. f(x, y, z) c Tk(xk, yk, zk) ΔPk Δsk Şekil 16.39 altındaki düzlemde bulunan “gölge” bölge R’nin üzerindeki bir S yüzeyini göstermektedir. Yüzey, ƒ(x, y, z) = c denklemiyle tanımlanır. Yüzey düzgün (ƒ S üzerinde sürekli ve hiç bir zaman yok olmuyorsa) ise, alanını R üzerinde iki katlı bir integral olarak tanımlayabilir ve hesaplayabiliriz. Yüzeyin, gölgesi, R, üzerine izdüşümünün bire-bir olduğunu varsayıyoruz. Yani, R’deki her nokta ƒ(x, y, z) = c eşitliğini sağlayan bir tek (x, y, z) noktasına karşılık gelir. S’nin alanını tanımlamanın ilk adımı, R üzerinde bir integral tanımlıyor olsaydık yapacak olduğumuz gibi, R bölgesini küçük Ak dikdörtgenlerine bölmektir. Her Ak’nin yukarısında yüzeyin bir sk parçası bulunur. Bu sk parçasına, bu parçanın bir Tk(xk, yk, zk) noktasındaki teğet düzlemin bir parçası olan Pk paralelkenarı ile yaklaşımda bulunabiliriz. Teğet düzlemdeki bu paralelkenar doğrudan Ak üzerine iz düşer. Daha açık olmak gerekirse, Şekil 16.39’da gösterildiği gibi, Ak’nin arka köşesi Ck’nin tam üzerinde bulunan Tk(xk, yk, zk) noktasını seçeriz. Teğet düzlem R’ye paralelse, Pk, Ak’ye eş olacaktır. Aksi halde, alanı Ak’nin alanından büyük olan bir paralelkenar olacaktır. Şekil 16.40, sk ve Pk’nin büyütülmüş bir görüntüsünü vermekte ve Tk’deki ƒ(xk, yk, zk) gradiyent vektörünü ve R’ye normal olan bir p birim vektörünü göstermektedir. Şekil ayrıca, ƒ ile p arasındaki gk açısını da göstermektedir. Şekildeki diğer vektörler, uk ve vk, teğet düzlemdeki Pk parçasının kenarlarında bulunurlar. Böylece, hem uk vk, hem de ƒ teğet düzleme normaldir. Şimdi, ileri vektör geometri konularından, uk ve vk tarafından belirlenen bir paralelkenarın, normali p olan herhangi bir düzlemdeki izdüşümünün alanının ƒ suk * vk d # p ƒ ’nin olduğu bilgisine ihtiyacımız var. Bizim durumumuzda, bu S ƒ suk * vk d # p ƒ = Ak R ifadesine dönüşür. Takip eden türetmedeki notasyonu basitleştirmek için küçük dikdörtgensel bölgenin alanını Ak ile göstereceğiz. Benzer şekilde, bu küçük bölgenin yukarısındaki teğet düzlem parçasının alanını da Pk ile göstereceğiz. Şimdi, ƒ uk * vk ƒ ’nin kendisi Pk’nin alanıdır (vektörel çarpımların standart sonucu), dolayısıyla bu son denklem Ck ΔAk fiEK‹L 16.39 Bir S yüzeyi ve onun altındaki düzlem üzerine dikey izdüşümü. R’yi S’nin düzlem üzerindeki gölgesi olarak düşünebilirsiniz. Teğet düzlem Pk, Ak’nın üzerindeki yüzey parçası sk’ye yaklaşımda bulunur. veya, gk cossangle (uk between vk ile p arasındaki açı)pd ƒ = ¢Ak u * v and ƒ cos ƒu * v ƒ ƒpƒ k k ('''''''')''''''''* ¢Pk 1 ƒ cos gk ƒ ile aynı çünkü §ƒ ve uk * vk ’nin her ikisi de teğet düzleme normaldir. k k ('')'* ()* 0 olduğu sürece, ¢Pk ƒ cos gk ƒ = ¢Ak veya ¢Pk = haline gelir. ¢Ak , ƒ cos gk ƒ 16.5 Yü zey Alan› ve Yüzey ‹ntegralleri 1183 ƒ vektörü iz düşüm düzlemine paralel olmadığı ve ƒ • p 0 olduğu sürece, cos gk 0 olacaktır. Pk parçaları, bir araya gelerek S’yi oluşturan sk yüzey parçalarına yaklaşımda bulundukları için, f(xk, yk, zk) gk p Tk vk ¢Ak a ¢Pk = a ƒ cos gk ƒ uk ΔPk (1) toplamı S’nin alanı demek istediğimiz şeye bir yaklaşım gibi görünmektedir. Ayrıca R’nin bölünüşünü iyileştirirsek, yaklaşım daha da iyi olacak gibi görünmektedir. Aslında, (1) Denkleminin sağındaki toplamlar Δsk 1 dA. cos gƒ ƒ 6 (2) R Ck p iki katlı integralinin yaklaşım toplamlarıdır. Bu nedenle S’nin alanını, var olduğu taktirde, bu intgralin değeri olarak tanımlarız. Herhangi bir ƒ(x, y, z) = c yüzeyi için, ƒ §ƒ # p ƒ = ƒ §ƒ ƒ ƒ p ƒ ƒ cos g ƒ , olur ve ΔAk fiEK‹L 16.40 Bir önceki şeklin büyütülmüş görüntüsü. uk * vk vektörü (burada görünmemektedir) ƒ vektörüne paraleldir, çünkü iki vektör de Pk’nin düzlemine normaldir. ƒ §ƒ ƒ 1 = . ƒ cos g ƒ ƒ §ƒ # p ƒ bulunur. Bu (2) Denklemiyle birleşerek, alan için pratik bir formül verir. Yüzey Alanı Formülü ƒ(x, y, z) = c yüzeyinin kapalı ve sınırlı bir R düzlem bölgesi üzerindeki alanı, p, R’ye normal bir birim vektör ve §ƒ # p Z 0 olmak üzere Yüzey alanı Surface area = ƒ §ƒ ƒ # dA, 6 ƒ §ƒ p ƒ (3) R ile verilir. Böylece, alan, ƒ’nin büyüklüğünün, ƒ’nin R’ye normal olan skaler bileşeninin büyüklüğüyle bölümünün, R üzerindeki iki katlı integralidir. (3) Denklemine R boyunca §ƒ # p Z 0 ve ƒ’nin sürekli olduğu varsayımlarıyla ulaştık. Ancak, integral var olduğunda değerini, ƒ(x, y, z) = c yüzeyinin R’nin yukarısındaki parçasının alanı olarak tanımlarız (İz düşümün bire-bir varsayıldığını hatırlayın). Alıştırmalarda (11 Denklemine bakın), yüzeyin z = ƒ(x, y) ile tanımlanması halinde (3) Denkleminin nasıl sadeleştiğini gösteriyoruz. ÖRNEK 1 2 Yüzey Alan› Bulmak 2 x + y – z = 0 paraboloidinin altından, z = 4 düzlemiyle kesilen yüzeyin alanını bulun. Çözüm S yüzeyini ve altındaki R bölgesini (xy-düzlemi içinde) çizeriz (Şekil 16.41). S yüzeyi ƒ(x, y, z) = x2 + y2 – z = 0 seviye yüzeyinin bir parçası ve R, xy-düzlemindeki x2 + y2 4 dairesidir. R’nin düzlemine normal bir birim vektör elde etmek için, p = k alabiliriz. 1184 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon z Yüzeydeki herhangi bir (x, y, z) noktasında, ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 - z §ƒ = 2xi + 2yj - k 4 ƒ §ƒ ƒ = 2s2xd2 + s2yd2 + s -1d2 S = 24x 2 + 4y 2 + 1 z x2 y2 ƒ §ƒ # p ƒ = ƒ §ƒ # k ƒ = ƒ -1 ƒ = 1. buluruz. R bölgesinde, dA = dx dy’dir. Buradan R 0 Yüzey alanı Surface area = y x2 y2 4 ƒ §ƒ ƒ # p ƒ dA §ƒ 6 ƒ (3) Denklemi R x = 24x 2 + 4y 2 + 1 dx dy 6 fiEK‹L 16.41 Bu parabolik yüzeyin alanı Örnek 1’de hesaplanmaktadır. x2 + y2 … 4 2p = = = 2 L0 L0 24r 2 + 1 r dr du Kutupsal koordinatlar 2p c 2p p 1 s173>2 - 1d du = A 17217 - 1 B . 12 6 L0 L0 2 1 s4r 2 + 1d3>2 d du 12 0 bulunur. ÖRNEK 2 z x2 y2 z2 2 S R 1 x2 y2 1 0 Yüzey Alan› Bulmak x2 + y2 + z2 = 2, z 0, yarım küresinden x2 + y2 = 1 silindiriyle kesilen kapağın alanını bulun (Şekil 16.42). S kapağı ƒ(x, y, z) = x2 + y2 + z2 = 2 seviye yüzeyinin bir parçasıdır. xy-düzlemindeki R: x2 + y2 1 dairesine bire bir iz düşer. p = k vektörü R’nin düzlemine normaldir. Yüzey üzerinde herhangi bir noktada, Çözüm ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 1 y §ƒ = 2xi + 2yj + 2zk x fiEK‹L 16.42 Yarım küreden silindir tarafından kesilen kapağın dikey izdüşümü xy-düzlemindeki R: x2 + y2 1 dairesi üzerinedir (Örnek 2). ƒ §ƒ ƒ = 22x 2 + y 2 + z 2 = 222 Çünkü S’nin noktalarında x2 + y2 + z2 = 2 dir. ƒ §ƒ # p ƒ = ƒ §ƒ # k ƒ = ƒ 2z ƒ = 2z . olur. Bu nedenle, Yüzey alanı Surface area = ƒ §ƒ ƒ 222 dA # dA = 6 2z dA = 226 z . 6 ƒ §ƒ p ƒ R R R bulunur. z ile ne yapılacaktır? z küre üzerindeki bir noktanın koordinatı olduğu için, x ve y cinsinden z = 22 - x 2 - y 2. şeklinde ifade edebiliriz. (4) 16.5 Yü zey Alan› ve Yüzey ‹ntegralleri 1185 Bu dönüşüm ile (4) Denklemini hesaplamaya devam ederiz: Yüzey alanı Surface area = 22 6 dA z = 22 R dA 6 x2 + y2 … 1 2p 22 - x 2 - y 2 1 r dr du = 22 L0 L0 22 - r 2 2p = 22 L0 2p = 22 L0 c-s2 - r 2 d1>2 d Kutupsal koordinatlar r=1 du r=0 A 22 - 1 B du = 2p A 2 - 22 B . Yüzey ‹ntegralleri f(x, y, z) c (xk, yk, zk) ΔPk Δsk S R ΔAk fiEK‹L 16.43 Bir yüzey üzerinde bir elektrik yükünün nasıl dağıldığını biliyorsak, uygun bir değiştirilmiş yüzey integraliyle toplam yükü bulabiliriz. Şimdi, yüzey alanını hesaplamak için geliştirdiğimiz fikirleri kullanarak, bir fonksiyonu bir yüzey üzerinde nasıl integre edeceğimizi göstereceğiz. Örneğin, elimizde, Şekil 16.43’te gösterildiği gibi, bir ƒ(x, y, z) = c yüzeyi üzerine dağılmış bir elektrik yükü bulunduğunu ve g(x, y, z) fonksiyonunun S üzerindeki her noktada birim alan başına yükü (yük yoğunluğu) verdiğini varsayalım. Bu durumda, S üzerindeki toplam yükü bir integral olarak aşağıdaki şekilde hesaplayabiliriz. Yüzeyin altında kalan zemin düzlemdeki gölge bölge R’yi, S’nin yüzey alanını tanımlıyor olsaydık yapacak olduğumuz gibi, küçük dikdörtgenlere böleriz. Böylece, her Ak’nin tam yukarısında, teğet düzlemin bir paralelkenar şekilli bir parçası, Pk, ile yaklaşımda bulunacağımız bir sk yüzey parçası bulunur. (Şekil 16.43’e bakın.) Bu noktaya kadar kuruluş yüzey alanının tanımı gibi ilerler, ama burada ek bir adım atıyoruz: g’yi (xk, yk, zk)’de hesaplar ve sk yüzey parçası üzerindeki toplam yüke g(xk, yk, zk)Pk çarpımıyla yaklaşımda bulunuruz. Bunun mantığı, R’nin bölünüşü yeterince çok dikdörtgenden oluşuyorsa, g’nin değerinin sk boyunca neredeyse sabit olacağı ve Pk’nin de neredeyse sk ile aynı olacağıdır. Artık S üzerindeki toplam yüke ¢Ak Toplam yük L a g sxk , yk , zk d ¢Pk = a g sxk , yk , zk d Total charge . cos gk ƒ ƒ toplamıyla yaklaşımda bulunulabilir. S’yi tanımlayan ƒ fonksiyonu ve birinci mertebe kısmi türevleri sürekli ve g, S üzerinde sürekliyse, son denklemin sağındaki toplamlar, R’nin bölünüşü her zamanki gibi iyileştirilirken, 6 R gsx, y, zd ƒ §ƒ ƒ dA gsx, y, zd dA = ƒ cos g ƒ ƒ §ƒ # p ƒ 6 (5) R limitne yaklaşır. Bu limite g’nin S yüzeyi üzerindeki integrali denir ve R’de iki katlı bir integral olarak hesaplanır. İntegralin değeri S yüzeyindeki toplam yüktür. Bekleyebileceğiniz gibi, (5) denklemindeki bu formül, integral var olduğu sürece, S yüzeyi üzerinde herhangi bir g fonksiyonunun integralini tanımlar. 1186 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Yüzey ‹ntegrali TANIM R, ƒ(x, y, z) = c ile tanımlanan S yüzeyinin gölge bölgesi ve g de S’nin noktalarında tanımlanmış sürekli bir fonksiyon ise, g’nin S üzerindeki integrali, p R’ye normal bir birim vektör ve §ƒ # p Z 0 olmak üzere, 6 gsx, y, zd ƒ §ƒ ƒ dA, ƒ §ƒ # p ƒ (6) R integralidir. İntegralin kendisine yüzey integrali denir. (6) Denklemindeki integral farklı uygulamalarda farklı anlamlar taşır. g’nin değeri 1 ise, integral S’nin alanını verir. g bir malzemenin S ile modellenen ince kabuğunun kütle yoğunluğuysa, integral kabuğun kütlesini verir. (6) Denklemindeki integrali s ƒ §ƒ ƒ > ƒ §ƒ # p ƒ d dA.) için ds yazarak kısaltabiliriz: Yüzey Alanı Diferansiyeli ve Yüzey İntegrallerinin Diferansiyel Şekli ds = ƒ §ƒ ƒ dA ƒ §ƒ # p ƒ 6 g ds (7) S yüzey alanı diferansiyeli yüzey integrallerinin diferansiyel şekli Yüzey integralleri diğer iki katlı integraller gibi davranırlar: iki fonksiyonun toplamının integralinin fonksiyonların integrallerinin toplamı olması gibi. Tanım bölgelerinin toplanabilirliği 6 g ds = S g ds + S1 6 g ds + Á + S2 6 g ds. Sn şeklini alır. Ana fikir şudur; S düzgün eğrilerle sonlu sayıda üst üste binmeyen düzgün parçalara bölünürse (yani, S parçalı olarak düzgündür), S üzerindeki integral parçalar üzerindeki integrallerin toplamıdır. Böylece, bir kübün yüzeyi üzerinde bir integral kübün yüzeyleri üzerinde integrallerin toplamıdır. Birbirine eklenmiş plakalardan oluşan bir kablumbağa kabuğu üzerindeki integrali, her plakayı tek tek integre edip, sonuçları toplayarak alırız. z ÖRNEK 3 A yüzü 1 6 Bir Yüzey Üzerinde ‹ntegrasyon g(x, y, z) = xyz’yi birinci sekizde bir bölgeden x = 1, y = 1, z = 1 düzlemleriyle kesilen küp üzerinde integre edin (Şekil 16.44). 0 1 y 1 C yüzü x Çözüm xyz’yi altı yüz üzerinde integre eder ve sonuçları toplarız. Koordinat düzlemlerinde bulunan yüzlerde xyz = 0 olduğu için, kübün yüzeyi üzerinde integral B yüzü fiEK‹L 16.44 Örnek 3’teki küp. 6 Küp Cube surface yüzeyi haline indirgenir. xyz ds = 6 Side A A yüzü xyz ds + 6 Side B B yüzü xyz ds + 6 Side C C yüzü xyz ds. 16.5 Yü zey Alan› ve Yüzey ‹ntegralleri 1187 A yüzü, xy-düzlemindeki Rxy : 0 x 1, 0 y 1 kare bölgesine iz düşen ƒ(x, y, z) = z = 1 yüzeyidir. Bu yüzey ve bölge için, p = k, §ƒ = k, ƒ §ƒ # p ƒ = ƒ k # k ƒ = 1 ƒ §ƒ ƒ = 1, ƒ §ƒ ƒ 1 dA = dx dy = dx dy 1 ƒ §ƒ # p ƒ ds = xyz = xys1d = xy ve 1 n 6 Pozitif Yön xyz ds = Side A A yüzü 6 Rxy fiEK‹L 16.45 Uzaydaki düzgün kapalı yüzeyler yönlendirilebilirler. Dışarı doğru birim normal vektör her noktada pozitif yönü tanımlar. c a L0 L0 1 xy dx dy = 1 y L0 2 dy = 1 . 4 buluruz. Simetri, xyz’nin B ve C yüzleri üzerindeki integralinin de 1@4 olduğunu söyler ve 6 d xy dx dy = b Başlangıç Bitiş db ac fiEK‹L 16.46 Bir Möbius şeridi yapmak için, dikdörtgen bir abcd kağıt parçası alın, bc ucunu bir kere döndürün ve a’yı c ile ve b’yi d ile eşleştirecek şekilde uçları birleştirin. Möbius şeridi, yönlendirilemeyen veya tek yüzlü bir yüzeydir. elde ederiz. xyz ds = 3 1 1 1 + + = . 4 4 4 4 Cube Küp surface yüzeyi Yönlendirme Düzgün bir S yüzeyi üzerinde, konumla sürekli olarak değişen bir n birim normal vektör alanı tanımlanabiliyorsa, S’ye yönlendirilebilir veya iki yüzlü (iki taraflı) deriz. Yönlendirilebilir bir yüzeyin herhangi bir parçası veya bir bölümü de yönlendirilebilirdir. Küreler ve uzaydaki diğer düzgün kapalı yüzeyler (cisimleri çevreleyen düzgün yüzeyler) yönlendirilebilirdir. Genel olarak, kapalı bir yüzeyde n’yi dışarı doğru seçeriz. n seçildikten sonra, yüzeyi yönlendirdiğimizi söyler ve normal alanıyla birlikte yüzeye yönlendirilmiş yüzey deriz. Herhangi bir noktadaki n vektörüne o noktadaki pozitif yön denir (Şekil 16.45). Şekil 16.46’daki Möbius şeridi yönlendirilemez. Sürekli bir birim normal alan oluşturmaya nereden başlarsanız başlayın (şekilde bir raptiye olarak gösterilmektedir), vektörü yüzey boyunca gösterildiği gibi sürekli olarak ilerletmek onu başlangıç noktasına başladığı yönün aksi yönünde döndürecektir. Bu noktadaki vektör iki yöne de bakamaz ve yine de alan sürekliyse böyle olması gerekir. Böyle alanların var olmadığı sonucuna varırız. Ak› ‹çin Yüzey ‹ntegrali F’nin yönlendirilmiş bir S yüzeyi üzerinde tanımlı bir fonksiyon ve n’nin de yüzeyde seçilmiş birim normal alan olduğunu varsayın. F # n ’nin S üzerindeki integraline F’nin S üzerinde pozitif yöndeki akı’sı deriz. Yani, akı F’nin n yönündeki skaler bileşeninin S üzerindeki integralidir. TANIM Ak› Üç boyutlu bir F vektör alanının, yönlendirilmiş bir S yüzeyinden n yönündeki akısı şu formülle verilir: Akı = Flux 6 S F # n ds. (8) 1188 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Tanım, iki boyutlu bir F alanının düzlemdeki bir C eğrisi üzerindeki akısının eşdeğeridir. Düzlemde (Bölüm 16.2), akı F’nin eğriye normal skaler bileşeninin integralidir: 3 F # n ds, C F, üç boyutlu bir akışkan akışının hız alanıysa, F’nin S’deki akısı akışkanın S’den verilen yönde geçtiği net hızdır. Bu tip akışları Bölüm 16.7’de daha fazla inceleyeceğiz. S bir g(x, y, z) = c seviye yüzeyinin bir parçasıysa, n, hangisinin istenilen yönü verdiğine bağlı olarak n = ; §g , ƒ §g ƒ (9) alanlarından biri olarak alınabilir. Buna karşılık gelen akı Flux Akı = 6 F # n ds S = 6 aF # ; §g ƒ §g ƒ b # p ƒ dA §g §g ƒ ƒ ƒ (9) ve (7) denklemleri (8) R = 6 F# ; §g dA. ƒ §g # p ƒ (10) R olur. ÖRNEK 4 Ak› Bulmak F = yzj + z2k’nin y2 + z2 = 1, z 0, silindirinden x = 0 ve x = 1 düzlemleriyle kesilen S yüzeyinde dışarı doğru akısını bulun. S üzerinde dışarı doğru normal alan (Şekil 16.47) g(x, y, z) = y2 + z2’nin gradiyentinden §g 2yj + 2zk 2yj + 2zk n = + = = yj + zk. = ƒ §g ƒ 24y 2 + 4z 2 221 Çözüm z y2 z2 1 n olarak bulunur. p = k ile, ds = 1 Rxy y (1, –1, 0) (1, 1, 0) elde ederiz. S üzerinde z 0 olduğu için, mutlak değer işaretlerini kaldırırız. F # n’nin yüzey üzerindeki değeri x fiEK‹L 16.47 Bir vektör alanının bu yüzey üzerinden dışarı doğru akısının hesaplanması. Rxy gölge bölgesinin alanı 2’dir (Örnek 4). ƒ §g ƒ 2 1 dA = dA = z dA. ƒ §g # k ƒ ƒ 2z ƒ F # n = syzj + z2 kd # s yj + zkd = y 2z + z 3 = zs y 2 + z 2 d S’de y2 + z2 = 1 z olur. Bu nedenle, F’nin S’deki dışarı doğru akısı 6 S olarak bulunur. F # n ds = 6 S 1 szd a z dAb = 6 Rxy alan(Rxyxyd) = 2. 2 dA = areasR 16.5 Yü zey Alan› ve Yüzey ‹ntegralleri 1189 ‹nce Kabuklar›n Moment ve Kütleleri Çanaklar, metal davullar ve kubbeler gibi malzemelerin ince kabukları yüzeylerle modellenir. Moment ve kütleleri Tablo 16.3’teki formüllerle hesaplanır. TABLO 16.3 Çok ince kabuklar›n kütle ve moment formülleri y, z)’deki sdsx, y, zd = (x, density at sx,birim y, zd,alan başına kütle olarak yoğunluk S Koordinat düzlemleri etrafındaki birinci momentler: Kütle: M = Myz = 6 6 dsx, y, zd ds x d ds, Mxz = S 6 y d ds, Mxy = S 6 z d ds S Kütle merkezinin koordinatları: x = Myz >M, y = Mxz >M, z = Mxy >M Eylemsizlik momentleri: Ix = 6 s y 2 + z 2 d d ds, Iy = S Iz = 6 sx 2 + z 2 d d ds, S 6 2 2 sx + y d d ds, IL = S r(x, y, z) 6 r 2d ds, S (x, y, z) noktasından L doğrusuna uzaklık Bir L doğrusu etrafındaki jirasyon yarıçapı: RL = 2IL >M ÖRNEK 5 Kütle Merkezi Bulmak a yarıçaplı ve sabit d yoğunluklu ince yarı küresel bir kabuğun kütle merkezini bulun. Çözüm Kabuğu ƒsx, y, zd = x 2 + y 2 + z 2 = a 2, z ⎛0, 0, a ⎛ ⎝ 2⎝ z Ú 0 yarım küresiyle modelleriz (Şekil 16.48). Yüzeyin z-ekseni etrafındaki simetrisi x = y = 0. 0 olduğunu söyler. Geriye sadece z = Mxy >M. formülünden z’yi bulmak kalır. x2 y2 z2 a2 Kabuğun kütlesi şöyle bulunur: k.m. S M = 6 S a R a x y 22 d ds = d ds = sddsarea Sd = 2pa d.d (S’ninofalanı) 2pa 6 S Mxy integralini hesaplamak için, p = k alır ve x2 y2 a2 2a ƒ §ƒ ƒ = ƒ 2xi + 2yj + 2zk ƒ = 22x 2 + y 2 + z 2 = 2a ƒ §ƒ # p ƒ = ƒ §ƒ # k ƒ = ƒ 2z ƒ = 2z fiEK‹L 16.48 Sabit yoğunluklu ince bir yarım küresel kabuğun kütle merkezi simetri ekseni üzerinde tabandan tepeye olan uzaklığın yarısındadır (Örnek 5). ds = buluruz. ƒ §ƒ ƒ a dA = z dA. ƒ §ƒ # p ƒ 1190 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Bu durumda, Mxy = 6 S z = zd ds = d 6 a z z dA = da 6 R dA = daspa2 d = dpa3 R Mxy a pa 3d = . = M 2 2pa 2d buluruz. Kabuğun kütle merkezi (0, 0, a@2) noktasıdır. ALIfiTIRMALAR 16.5 Yüzey Alan› 2 2 1. x + y – z = 0 paraboloidinden z = 2 düzlemiyle kesilen yüzeyin alanını bulun. 14. g(x, y, z) = y + z’yi birinci sekizde bir bölgede, koordinat eksenleri ve x = 2 ile y + z = 1 düzlemleriyle sınırlı takozun yüzeyi üzerinde integre edin. 2. x2 + y2 – z = 0 paraboloidinden z =2 ve z = 6 düzlemleri ile kesilen şeridin alanını bulun. 15. g(x, y, z) = xyz’yi birinci sekizde bir bölgeden x = a, y = b ve z = c düzlemleriyle kesilen dikdörtgenler prizmasının yüzeyinde integre edin. 3. x + 2y + 2z = 5 düzleminden duvarları x = y2 ve x = 2 – y2 olan silindirle kesilen bölgenin alanını bulun. 16. g(x, y, z) = xyz’yi x = a, y = b ve z = cismin yüzeyi üzerinde integre edin. 4. x2 – 2z = 0 yüzeyinin, xy-düzleminde x = √ 3, y = 0 ve y = x doğrularıyla sınırlı üçgenin üzerinde bulunan kısmının alanını bulun. 17. g(x, y, z) = x + y + z’yi 2x + 2y + z = 2 düzleminin birinci sekizde bir bölgedeki kısmı üzerinde integre edin. 5. x2 – 2y – 2z = 0 yüzeyinin, xy-düzleminde x = 2, y = 0 ve y = 3x doğrularıyla sınırlı üçgenin üzerinde bulunan kısmının alanını bulun. 6. x2 + y2 + z2 = 2 küresinden z = 2x 2 + y 2. konisiyle kesilen kapağın alanını bulun. 7. z = cx (c sabittir) düzleminden x2 + y2 = 1 silindiriyle kesilen elipsin alanını bulun. 8. x2 + z2 = 1 silindirinin x = 1@2 ve y = kalan üst parçasının alanını bulun. 1@2 düzlemleri arasında 9. x = 4 – y2 – z2 paraboloidinin, yz-düzlemindeki 1 y2 + z2 4 halkasının üzerinde kalan kısmının alanını bulun. 2 2 10. x + y + z = 2 paraboloidinden y = 0 düzlemiyle kesilen yüzeyin alanını bulun. 11. x 2 - 2 ln x + 215y - z = 0 yüzeyinin xy-düzlemindeki R: 1 x 2, 0 y 1 karesi üzerindeki kısmının alanını bulun. 12. 2x + 2y – 3z = 0 yüzeyinin, xy-düzlemindeki R: 0 x 1, 0 y 1 karesi üzerindeki kısmının alanını bulun. 3@2 3@2 Yüzey ‹ntegralleri 13. g(x, y, z) = x + y + z’yi birinci sekizde bir bölgeden x = a, y = a, z = a düzlemleriyle kesilen küp yüzeyi üzerinde integre edin. c düzlemleriyle sınırlı 18. gsx, y, zd = x2y 2 + 4 ’ü y2 + 4z = 16 parabolik silindirinden x = 0, x = 1 ve z = 0 düzlemleriyle kesilen yüzey üzerinde integre edin. Bir Yüzeydeki Ak› 19 ve 20 alıştırmalarında, F alanının verilen yüzey üzerinden belirtilen yöndeki akısını bulun. 19. Fsx, y, zd = -i + 2j + 3k S: z = 0, 0 x 2, 0 y 3 dikdörtgen yüzeyi, yön k 2 20. Fsx, y, zd = yx i - 2j + xzk S: y = 0, –1 x 2, 2 z 7 dikdörtgen yüzeyi, yön –j 21–26 alıştırmalarında, F alanının x2 + y2 + z2 = a2 küresinin birinci sekizde bir bölgedeki kısmında orijinden uzaklaşan yönde olan akısını bulun. 21. Fsx, y, zd = zk 22. Fsx, y, zd = -yi + xj 23. Fsx, y, zd = yi - xj + k 24. Fsx, y, zd = zxi + zyj + z2k 25. Fsx, y, zd = xi + yj + zk xi + yj + zk 26. Fsx, y, zd = 2x 2 + y 2 + z 2 16.5 27. F(x, y, z) = z2i + xj – 3zk alanının z = 4 – y2 silindirinden x = 0, x = 1 ve z = 0 düzlemiyle kesilen yüzeyden dışarı doğru akısını bulun. Yü zey Alan› ve Yüzey ‹ntegralleri 1191 z 28. F(x, y, z) = 4xi + 4yj + 2k alanının z = x2 + y2 paraboloidinin dibinden z = 1 düzlemiyle kesilen yüzeyden dışarı doğru (z-ekseninden uzağa) akısını bulun. 29. S, y = ex silindirinin, yz-düzlemine (x-eksenine paralel olarak) izdüşümü Ryz: 1 y 2, 0 z 1 dikdörtgeni olan, birinci sekizde bir bölgedeki kısmı olsun (Şekle bakın). n de, S yüzeyinin yz-düzleminden uzaklaşan birim normali olsun. F(x, y, z) = –2i + 2yj + zk alanının S üzerinde n yönündeki akısını bulun. 4x2 4y2 z2 0 zⱖ0 y z x 1 2 x2 y2 2x veya r 2 cos u Ryz 37. Küresel kabuklar a. a yarıçaplı ve sabit d yoğunluklu ince küresel bir kabuğun bir çapı etrafındaki eylemsizlik momentini bulun (Bir yarım küresel kabukla çalışın ve sonucun iki katını alın). 1 x y ex S 2 y 30. S, y = ln x silindirinin, xz-düzlemine (y-eksenine paralel olarak) izdüşümü Rxz: 1 x e, 0 z 1 dikdörtgeni olan, birinci sekizde bir bölgedeki kısmı olsun. n de, S’ye normal ve xz-düzleminden uzaklaşan birim vektör olsun. F = 2yj + zk’nin S üzerinde n yönündeki akısını bulun. b. Paralel Eksen Teoremini (Alıştırmalar 15.5) ve (a) şıkkındaki sonucu kullanarak kabuğa teğet bir doğruya göre eylemsizlik momentini bulun. 38. a. Dondurmalı ve dondurmasız koniler Taban yarıçapı a ve yüksekliği h olan bir koninin yan yüzeyinin (koni yüzeyi eksi taban yüzeyi) merkezini bulun. b. Pappus formülünü (Alıştırmalar 15.5) ve (a) şıkkındaki sonucu kullanarak bir koninin bütün yüzeyinin (yan artı taban) merkezini bulun. 31. F = 2xyi + 2yzj + 2xzk alanının birinci sekizde bir bölgeden x = a, y = a, z = a düzlemleriyle kesilen küpün yüzeyinden dışarı doğru akısını bulun. c. a yarıçaplı ve h yükseklikli bir koni bir dondurma külahına benzeyen bir yüzey oluşturacak şekilde bir yarım küreyle bileştiriliyor. Pappus formülünü ve (a) şıkkı ile Örnek 5’in sonuçlarını kullanarak S’nin merkezini bulun. Merkezi, yarım küre ve koninin paylaştıkları yüzeye yerkleştirmek için koni ne kadar yüksek olmalıdır? 32. F = xzi + yzj + k alanının x2 + y2 + z2 25 küresinden z = 3 düzlemiyle kesilen üst kapağın yüzeyindeki dışarı doğru akısını bulun. Momentler ve Kütleler 33. Merkez x2 + y2 + z2 = a2 küresinin birinci sekizde bir bölgedeki kısmının merkezini bulun. 34. Merkez y2 + z2 = 9, z 0 silindirinden x = 0 ve x = 3 düzlemleriyle kesilen yüzeyin merkezini bulun (Örnek 4’teki yüzeye benzer). Yüzey Alan› ‹çin Özel Formüller S, xy-düzlemindeki bir Rxy bölgesinde birinci mertebe kısmi türevleri sürekli olan bir z = ƒ(x, y) fonksiyonuyla tanımlanan bir yüzeyse (Şekil 16.49), S aynı zamanda F(x, y, z) = ƒ(x, y) – z fonksiyonunun, F(x, y, z) = 0 seviye yüzeyidir. Rxy’nin birim vektörünü p = k olarak almak 35. Sabit yoğunluklu ince kabuk x2 + y2 – z2 = 0 konisinden z = 1 ve z = 2 düzlemleriyle kesilen sabit d yoğunluklu ince bir kabuğun kütle merkezini ve z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentiyle jirasyon yarıçapını bulun. 36. Sabit yoğunluklu konik yüzey 4x2 + 4y2 – z2 = 0, z 0 konisinden x2 + y2 = 2x dairesel silindiri ile kesilen sabit d yoğunluklu ince kabuğun z-ekseni etrafındaki eylemsizlik momentini bulun (Şekle bakın). 2 2 ƒ §F ƒ = ƒ ƒx i + ƒy j - k ƒ = 2ƒ x + ƒ y + 1 ƒ §F # p ƒ = ƒ sƒx i + ƒy j - kd # k ƒ = ƒ -1 ƒ = 1 ve ƒ §F ƒ dA = 2ƒx 2 + ƒ y2 + 1 dx dy, 6 ƒ §F # p ƒ 6 Rxy verir. Rxy (11) 1192 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon Benzer şekilde, yz-düzlemindeki bir Ryz bölgesinin üzerindeki düzgün bir x = ƒ(y, z) yüzeyinin alanı A = 6 2ƒy2 + ƒz 2 + 1 dy dz, z f(x, y) yüzeyi (12) S Ryz ve xz-düzlemindeki bir Rxz bölgesinin üzerindeki düzgün bir y = ƒ(x, z) yüzeyinin alanı A = 6 2ƒ x2 + ƒ z 2 + 1 dx dz. (13) Rxz olur. (11)–(13) denklemlerini kullanarak 39–44 alıştırmalarındaki yüzeylerin alanlarını bulun. 39. z = x2 + y2 paraboloidinin altından z = 3 düzlemiyle kesilen yüzey. fiEK‹L 16.49 Bir z = ƒ(x, y) yüzeyi için, (3) Denklemindeki alan formülü 40. x = 1 – y2 – z2 paraboloidinin “burnundan” yz-düzlemiyle kesilen yüzey. 41. z = 2x 2 + y 2 konisinin xy-düzlemindeki x2 + y2 = 1 çemberi ile 9x2 + 4y2 = 36 elipsinin arasında kalan bölgenin üzerindeki kısmı (İpucu: Bölgenin alanını bulmak için geometri formülleri kullanın). A = 2ƒ x2 + ƒ y2 + 1 dx dy. Rxy halini alır. 42. 2x + 6y + 3z = 6 düzleminden birinci sekizde bir bölgenin sınır düzlemleriyle kesilen üçgen. Alanı, her alan formülü için bir kere olmak üzere, üç yoldan hesaplayın 16.6 6 43. y = (2@3)z3@2 silindirinden x = 1 ve y = 16@3 düzlemleriyle kesilen birinci sekizde bir bölgedeki yüzey. 44. y + z = 4 düzleminin, xz-düzleminin birinci dörtte bir bölgesinden x = 4 – z2 parabolüyle kesilen bölgenin üzerindeki kısmı. Parametrize Yüzeyler Düzlemde eğrileri üç farklı şekilde tanımladık: Açık şekil: Kapalı şekil: Parametrik vektör şekil: y = ƒ(x) F(x, y) = 0 r(t) = ƒ(t)i + g(t)j, atb Uzayda yüzeyler için benzer tanımlarımız vardır: Açık şekil: Kapalı şekil: z = ƒ(x, y) F(x, y, z) = 0 Ayrıca bir yüzey üzerindeki bir noktanın konumunu iki değişkenli bir vektör fonksiyon olarak veren bir parametrik şekil daha vardır. Bu bölüm yüzey alanı ve yüzey integralleri araştırmamızı parametrik olarak tanımlanan yüzeylere genişletir. Yüzeylerin Parametrizasyonu rsu, yd = ƒsu, ydi + gsu, ydj + hsu, ydk (1) uy-düzleminde bulunan bir R bölgesinde tanımlı ve R’nin içinde bire-bir olan sürekli bir vektör fonksiyon olsun (Şekil 16.50). r’nin görüntü bölgesine, r tarafından tanımlanan veya çizilen S yüzeyi deriz. (1) Denklemi R bölgesi ile birlikte yüzeyin bir parametrizasyonunu oluşturur. u ve y değişkenleri parametreler ve R parametre bölgesidir. 16.6 u sabit (u, y) y sabit Parametrize Yüzeyler 1193 Tartışmamızı basitleştirmek için, R’yi a u b, c y d şeklinde eşitsizliklerle tanımlanan dikdörtgenler olarak alacağız. R’nin içinde r’nin bire-bir olması koşulu S’nin kendisini kesmemesini garantiler. (1) Denkleminin y = g(u, y), z = h(u, y) x = ƒ(u, y), parametrik denklemlerinin vektör eşdeğeri olduğuna dikkat edin. R u 0 ÖRNEK 1 Bir Koniyi Parametrelemek Aşağıdaki koninin bir parametrizasyonunu bulun. Parametrizasyon z = 2x 2 + y 2, 0 … z … 1. z Çözüm Burada, silindirik koordinatlar gerek duyduğumuz her şeyi sağlar. Koni üzerinde tipik bir (x, y, z) noktası (Şekil 16.51) 0 r 1 ve 0 u 2p olmak üzere x = r cos u, y = r sin u ve z = 2x 2 + y 2 = r, ile tanımlanır. (1) Denkleminde u = r ve y = u almak y eğrisi sabit S P rsr, ud = sr cos udi + sr sin udj + rk, u eğrisi sabit x r(u, y) f(u, y)i g(u, y)j h(u, y)k, Yüzey noktasının konum vektörü fiEK‹L 16.50 Bir R bölgesi üzerinde tanımlı, iki değişkenli bir vector fonksiyonu olarak ifade edilmiş parametrize bir S yüzeyi. 2 2 Bir Küreyi Parametrelemek 2 x + y + z = a2 küresinin bir parametrizasyonunu bulun. Çözüm Küresel koordinatlar gerek duyduklarımızı verir. Küre üzerindeki bir (x, y, z) noktası (Şekil 16.52) x = a sin f cos u, y = a sin f sin u ve z = a cos f, 0 f p, 0 u 2p ile tanımlanır. (1) Denkleminde u = f ve y = u almak r(f, u) Koni: z 兹x2 y2 r ÖRNEK 3 (x, y, z) (r cos u, r sin u, r) u r x 0 u 2p parametrizasyonunu verir. 1 r(r, u) (r cos u)i (r sin u)j rk (a sin f cos u)i + (a sin f sin u)j + (a cos f)k 0 f p, z 0 … u … 2p. parametrizasyonunu verir. ÖRNEK 2 y 0 … r … 1, Bir Silindiri Parametrelemek Aşağıdaki silindirin bir parametrizasyonunu bulun. x2 + (y – 3)2 = 9, 0 z 5 Çözüm Silindirik koordinatlarda, bir (x, y, z) noktası x = r cos u, y = r sin u ve z = z ile tanımlanır. x2 + (y – 3)2 = 9 silindiri üzerindeki noktalar için (Şekil 16.53) denklem, xydüzleminde silindir tabanının kutupsal denklemi ile aynıdır: x 2 + s y 2 - 6y + 9d = 9 y fiEK‹L 16.51 Örnek 1’deki koni silindirik koordinatlar kullanılarak parametrelenebilir. r 2 - 6r sin u = 0 veya r = 6 sin u, 0up olur. Bu nedenle silindir üzerindeki tipik bir nokta x = r cos u = 6 sin u cos u = 3 sin 2u y = r sin u = 6 sin2 u z şeklindedir. z 1194 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon (1) Denkleminde u = u ve y = z almak z r(u, z) = (3 sin 2u)i + (6 sin2 u)j + zk, (x, y, z) (a sin f cos u, a sin f sin u, a cos f) 0 u p, 0z5 a u b, cyd parametrizasyonunu verir. a Yüzey Alan› f a u Amacımız r(u, y) = ƒ(u, y)i + g(u, y)j + h(u, y)k, r(f, u) y x parametrizasyonu ile tanımlanan eğrisel bir S yüzeyinin alanını hesaplamak için iki katlı bir integral bulmaktır. Başlamak üzere olduğumuz kuruluş için S’nin düzgün olmasına gerek duyarız. Düzgünlüğün tanımı r’nin u ve y’ye göre kısmi türevlerini içerir: fiEK‹L 16.52 Örnek 2’deki küre, küresel koordinatlar kullanılarak parametrelenebilir. z Silindir: x2 (y 3)2 9 veya r 6 sin u ru = 0ƒ 0g 0h 0r = i + j + k 0u 0u 0u 0u ry = 0ƒ 0g 0h 0r = i + j + k. 0y 0y 0y 0y Düzgün parametrize yüzey TANIM Parametrize bir r(u, y) = ƒ(u, y)i + g(u, y)j + h(u, y)k yüzeyi, parametre aralığında ru ve ry sürekli ve ru ry hiçbir zaman sıfır olmuyorsa, düzgündür. z r(u, z) x u r 6 sin u (x, y, z) (3 sin 2u, 6 sin2u, z) y Düzgünlüğün tanımındaki ru ry vektörel çarpımının hiçbir zaman sıfır olmaması şartı, ru ve ry vektörlerinin sıfır olmamaları ve hiçbir zaman aynı doğru üzerinde olmamaları demektir, dolayısıyla her zaman yüzeyin bir teğet düzlemini tanımlarlar. Şimdi kenarları u = u0, u = u0 + u, y = y0 ve y = y0 + y doğruları üzerinde olmak üzere R’de bir Auy dikdörtgeni düşünün (Şekil 16.54). Auy’nin her kenarı S yüzeyi üzerinde bir eğri üzerine tasvir edilir ve bu dört eğri birlikte “eğrisel alan elemanı” σuy’yi oluştururlar. Şeklin gösterimiyle, y = y0 kenarı bir C1 eğrisine, u = u0 kenarı bir C2 eğrisine gider ve ortak köşeleri (u0, y0) da P0’a gider. fiEK‹L 16.53 Örnek 3’teki silindir, silindirik koordinatlar kullanılarak parametrelenebilir. z C1: y y0 P0 C2: u u0 Parametrizasyon S d Δsuy y0 Δy ΔAu y0 R c 0 y y0 Δy u u0 Δu x a u0 u0 Δu b u y fiEK‹L 16.54 uy-düzlemindeki dikdörtgen bir Auy alan elemanı S üzerinde eğri bir σuy alan elemanına gider. 16.6 ru ry z P0 ru C1: y y0 ry C2: u u0 Δsuy ƒ ¢uru * ¢yry ƒ = ƒ ru * ry ƒ ¢u ¢y. fiEK‹L 16.55 Yüzey alan elemanı suy’nin büyütülmüş bir görüntüsü. a a ƒ ru * ry ƒ ¢u ¢y. P0 u Δuru Δyry C1 y Δsuy (2) R bölgesinin uy-düzleminde Auy dikdörtgen bölgeleri ile bölünüşü S yüzeyinin suy yüzey alan elemanlarıyla bölünüşünü verir. Her suy yüzey elemanının alanına (2) denklemindeki paralelkenarla yaklaşımda bulunuruz ve S’nin alanına bir yaklaşım elde etmek için bu alanları toplarız: z x 1195 Şekil 16.55, suy’nin büyütülmüş bir görüntüsünü verir. ru(u0, y0) vektörü C1’e P0’da teğettir. Benzer şekilde, ry(u0, y0) C2’ye P0’da teğettir. ru ry vektörel çarpımı yüzeye P0’da normaldir (İşte burada S nin düzgün olduğu varsayımını kullanmaya başladık. ru ry 0 olduğundan emin olmak istiyoruz). Şimdi yüzey elemanı suy’ye kenarları uru ve yry vektörleriyle belirlenen teğet düzlemdeki paralelkenarla yaklaşımda bulunuruz (Şekil 16.56). Bu paralelkenarın alanı şöyledir: y x Parametrize Yüzeyler C2 fiEK‹L 16.56 uru ve yry vektörleriyle belirlenen paralelkenar suy yüzey alan elemanına yaklaşımda bulunur. (3) y u ve y bağımsız olarak sıfıra giderken, ru ve ry’nin sürekliliği (3) Denklemindeki d b toplamın iki katlı 1c 1a ƒ ru * ry ƒ du dy. integraline yaklaşmasını garantiler. Bu iki katlı integral S yüzeyinin alanını tanımlar ve daha genel olmasına rağmen alanın daha önceki tanımları ile uyuşur. TANIM Düzgün Bir Yüzeyin Alan› rsu, yd = ƒsu, ydi + gsu, ydj + hsu, ydk, a … u … b, c … y … d düzgün yüzeyinin alanı d A = b Lc La ƒ ru * ry ƒ du dy. (4) ile verilir. Bölüm 16.5’te olduğu gibi, (4) Denklemindeki integrali, ƒ ru * ry ƒ du dy. yerine ds yazarak kısaltabiliriz. Yüzey Alanı Diferansiyeli ve Yüzey Alanı İçin Diferansiyel Formül ds = ƒ ru * ry ƒ du dy 6 ds (5) S Yüzey alan diferansiyeli ÖRNEK 4 Yüzey alan için diferansiyel formül Yüzey Alan› Bulmak (Koni) Örnek 1’deki koninin yüzey alanını bulun (Şekil 16.51). Çözüm Örnek 1’de rsr, ud = sr cos udi + sr sin udj + rk, parametrizasyonunu bulmuştuk. 0 … r … 1, 0 … u … 2p. 1196 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon (4) Denklemini uygulamak için, önce rr ru’ yı bulmamız gerekir: i 3 rr * ru = cos u -r sin u j sin u r cos u k 13 0 = -sr cos udi - sr sin udj + sr cos2 u + r sin2 udk. ('''')''''* r Yani, ƒ rr * ru ƒ = 2r 2 cos2 u + r 2 sin2 u + r 2 = 22r 2 = 22r. olur. Koninin alanı 2p A = 1 ƒ rr * ru ƒ dr du L0 L0 2p u = r, y = u ile (4) Denklemi 1 2p = 22 r dr du = ÖRNEK 5 Yüzey Alan› Bulmak (Küre) L0 L0 olarak bulunur. L0 22 22 birim kare du = s2pd = p22 units squared. 2 2 a yarıçaplı bir kürenin yüzey alanını bulun. Çözüm Örnek 2’deki parametrizasyonu kullanırız: rf ru için, rsf, ud = sa sin f cos udi + sa sin f sin udj + sa cos fdk, 0 f p, 0 u 2p i rf * ru = 3 a cos f cos u -a sin f sin u j a cos f sin u a sin f cos u k - a sin f 3 0 = sa 2 sin2 f cos udi + sa 2 sin2 f sin udj + sa 2 sin f cos fdk. buluruz. Böylece, 0 f p için, sin f 0 olduğundan, ƒ rf * ru ƒ = 2a 4 sin4 f cos2 u + a 4 sin4 f sin2 u + a 4 sin2 f cos2 f = 2a 4 sin4 f + a 4 sin2 f cos2 f = 2a 4 sin2 f ssin2 f + cos2 fd = a 2 2sin2 f = a 2 sin f, elde edilir. Dolayısıyla kürenin alanı p 2p A = L0 L0 2p = L0 a 2 sin f df du p c-a 2 cos f d du = 0 2p L0 2a 2 du = 4pa 2 units squared. olur. Bu, kürenin iyi bilinen alanı ile uyuşur. Yüzey ‹ntegralleri Parametrize bir yüzeyin alanını hesaplama formülünü bulduğumuza göre, artık bir fonksiyonu parametrize formu kullanarak yüzey üzerinde integre edebiliriz. 16.6 Parametrize Yüzeyler 1197 TANIM Parametrik Yüzey ‹ntegrali Düzgün S yüzeyi r(u, y) = ƒ(u, y)i + g(u, y)j + h(u, y)k, a u b, c y d, ile parametrik olarak tanımlanmış ise ve G(x, y, z) de S üzerinde tanımlı sürekli bir fonksiyon ise, G’nin S üzerindeki integrali d 6 Gsx, y, zd ds = S b Lc La Gsƒsu, yd, gsu, yd, hsu, ydd ƒ ru * ry ƒ du dy. olarak verilir. ÖRNEK 6 Parametrik Olarak Tan›mlanm›fl Bir Yüzey Üzerinde ‹ntegrasyon G(x, y, z) = x2’yi z = 2x 2 + y 2, 0 … z … 1. konisi üzerinde integre edin. Örnek 1 ve 4’teki işlere devam ederek, ƒ rr * ru ƒ = 22r ve Çözüm 2p 6 x 2 ds = S 1 L0 L0 A r 2 cos2 u B A 22r B dr du 2p = 22 L0 L0 = x = r cos u 1 r 3 cos2 u dr du 2p 22 2p 22 u p22 1 . cos2 u du = c + sin 2u d = 4 L0 4 2 4 4 0 buluruz. z ÖRNEK 7 (1, 0, 4) Ak› Bulmak F = yzi + xj – z2k’nin y = x2, 0 x 1, 0 z 4, parabolik silindirinden dışarı doğru akısını bulun (Şekil 16.57). 4 y x2 Yüzey üzerinde, x = x, y = x2 ve z = z’dir, dolayısıyla otomatik olarak r(x, z) = xi + x2j + zk, 0 x 1, 0 z 4, parametrizasyonunu elde ederiz. Teğet vektörlerin vektörel çarpımı Çözüm n 1 i rx * rz = 3 1 0 y 1 x j 2x 0 k 0 3 = 2xi - j. 1 olur. Yüzeyden dışarıya doğru birim normal fiEK‹L 16.57 Parabolik bir silindirin yüzeyi üzerindeki akıyı bulmak (Örnek 7). n = 2xi - j rx * rz = . r * r ƒ x zƒ 24x 2 + 1 dir. Yüzey üzerinde, y = x2’dir, dolayısıyla vektör alanı F = yzi + xj – z2k = x2zi + xj – z2k haline gelir. Böylece 1 ssx 2zds2xd + sxds -1d + s -z 2 ds0dd 24x 2 + 1 2x 3z - x . = 24x 2 + 1 F#n = bulunur. 1198 Bölüm 16: Vektör Alanlar›nda ‹ntegrasyon F’nin yüzeyden dışarıya akısı 4 6 F # n ds = S 1 1 L0 L0 4 = ƒ rx * rz ƒ dx dz L0 L0 24x 2 + 1 4 = 2x 3z - x 2x 3z - x 24x + 1 2 24x 2 + 1 dx dz 1 L0 L0 1 1 c x 4z - x 2 d dz dz 2 2 x=0 L0 4 4 = x=1 4 s2x 3z - xd dx dz = 1 1 sz - 1d dz = sz - 1d2 d 2 4 0 L0 1 1 s9d - s1d = 2. 4 4 = olarak bulunur. z ÖRNEK 8 Bir Kütle Merkezi Bulmak z = 2x + y 2 konisinden z = 1 ve z = 2 düzlemleriyle kesilen sabit d yoğunluklu ince kabuğun kütle merkezini bulun (Şekil 16.58). 2 2 z 兹x2 y2 Yüzeyin z-ekseni etrafındaki simetrisi ™x = ™y = 0 olduğunu söyler. ™z = Mxy@M’yi bulacağız. Örnek 1 ve 4’teki gibi çalışarak, Çözüm 1 rsr, ud = r cos ui + r sin uj + rk, x y fiEK‹L 16.58 z = 2x 2 + y 2 konisinin z = 1 ve z = 2 düzlemleri ile kesilmesiyle elde edilen kesik koni (Örnek 8). 0 … u … 2p, 1 … r … 2, ve ƒ rr * ru ƒ = 22r. buluruz. Dolayısıyla, 2p M = 6 d ds = L0 L1 S 2p = d22 L0 = d22 c c 2 2 r2 d du = d22 2 1 L0 6 L0 L1 S 2p = d22 1 b du 2 2p L0 2 dr22r dr du 2 L0 L1 z = a2 - 2p dz ds = = d22 2p 3u d = 3pd22 2 0 2p Mxy = d22r dr du 2p r 2 dr du = d22 7 14 du = pd22 3 3 Mxy 14pd22 14 = = . M 9 3 A 3pd22 B olur. Kabuğun kütle merkezi (0, 0, 14/9) noktasıdır. L0 c 2 r3 d du 3 1 16.6 1199 Parametrize Yüzeyler ALIfiTIRMALAR 16.6 Yüzeylerin Parametrizasyonlar›n› Bulmak kitabın arkasındakilerle aynı olmayabilir. Ancak değerleri aynı olmalıdır). 1–16 alıştırmalarında, yüzeyin bir parametrizasyonunu bulun (Bunu yapmanın birçok doğru yolu vardır, o yüzden yanıtlarınız kitabın arkasındakilerle aynı olmayabilir). 17. Silindir içinde düzlem y + 2z = 2 düzleminin, x2 + y2 = 1 silindirinin içindeki kısmı 1. z = x 2 + y 2, z … 4 paraboloidi 2. z = 9 - x 2 - y 2, z Ú 0 paraboloidi 3. Kesik koni z = 2x 2 + y 2>2 konisinin birinci sekizde bir bölgede, z = 0 ve z = 3 düzlemleri arasında kalan kısmı 4. Kesik koni z = 2 2x 2 + y 2 konisinin z = 2 ve z = 4 düzlemleri arasında kalan kısmı z = 2x 2 + y 2 5. Küresel kapak x2 + y2 + z2 = 9 küresinden konisiyle kesilen kapak 6. Küresel kapak x2 + y2 + z2 = 4 küresinin birinci sekizde bir bölgede xy-düzlemi ile z = 2x 2 + y 2 konisi arasında kalan kısmı 7. Küresel şerit x2 + y2 + z2 = 3 küresinin z = 23>2 ve z = - 23>2 düzlemleri arasında kalan kısmı 8. Küresel kapak x2 + y2 + z2 = 8 küresinden z = –2 düzlemiyle kesilen üst parça 9. Düzlemler arasında parabolik silindir z = 4 – y2 parabolik silindirinden x = 0, x = 2 ve z = 0 düzlemleriyle kesilen yüzey 2 10. Düzlemler arasında parabolik silindir y = x parabolik silindirinden z = 0, z = 3 ve y = 2 düzlemleriyle kesilen yüzey 11. Dairesel silindirik şerit y2 + z2 = 9 silindirinin x = 0 ve x = 3 düzlemleri arasında kalan kısmı 12. Dairesel silindirik şerit x2 + z2 = 4 silindirinin y = –2 ve y = 2 düzlemleri arasında kalan xy-düzleminin üzerindeki kısmı 13. Silindir içinde düzlem 2 2 2 2 x + y + z = 1 düzleminin a. x + y = 9 silindirinin içindeki kısmı b. y + z = 9 silindirinin içindeki kısmı 14. Silindir içinde düzlem x – y + 2z = 2 düzleminin a. x2 + z2 =3 silindirinin içindeki kısmı b. y2 + z2 = 2 silindirinin içindeki kısmı 15. Dairesel silindirik şerit (x – 2)2 + z2 = 4 silindirinin y = 0 ve y = 3 düzlemleri arasında kalan kısmı 16. Dairesel silindirik şerit y2 + (z – 5)2 = 25 silindirinin x = 0 ve x = 10 düzlemleri arasında kalan kısmı Parametrize Yüzeylerin Alanlar› 17–26 alıştırmalarında, yüzeyin alanını iki katlı bir integral olarak ifade etmek için bir parametrizasyon kullanın. Sonra integrali hesaplayın (İntegralleri kurmanın birçok doğru yolu vardır, o yüzden yanıtlarınız 18. Silindir içinde düzlem z = –x düzleminin, x2 + y2 = 4 silindirinin içindeki kısmı 19. Kesik koni z = 22x 2 + y 2 konisinin z = 2 ve z = 6 düzlemleri arasında kalan kısmı 20. Kesik koni z = 2x 2 + y 2>3 konisinin z = 1 v

Thomas Calculus Ders Kitabı

Products

Support

Thomas Calculus Ders Kitabı

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib