Løsningsforslag til Eksamen i MAT111

Transkript

1 Universitetet i Bergen Matematisk institutt Bergen, 9. desember 25. Bokmål Løsningsforslag til Eksamen i MAT Mandag 9. desember 25, kl. 9-. Dette er kun et løsningsforslag. Oppgave a) Betrakt de to komplekse tallene z = + i og w = i. Regn ut z + w og z/w. Skriv z, w og z/w på polar form. Avmerk z, w, z + w og z/w i det komplekse plan. z + w = + i + ( i) =, z w = z w w 2 = (+i)i = + i. z = z e iθ hvor z 2 = = 2 og = 2 cos θ, = 2 sin θ, så θ = π/4, og z = 2e iπ/4. w = w e iτ hvor w 2 = 2 + ( ) 2 = og = cos τ, = sin τ, så τ = π/2, og w = e iπ/2. Tegn tegningen selv! z 2e iπ/4 w = = 2e iπ/4 ( iπ/2) = 2e iπ/4. e iπ/2 b) Finn alle løsningene til ligningen z 4 = 4. 4 = 4e iπ, så de fire fjerderøttene til 4 er gitt ved z k = 4 /4 e i π+k2π 4, k =,, 2,, m.a.o. z = 2e iπ/4 = + i, z = 2e iπ/4 = + i, z 2 = 2e i5π/4 = i og z = 2e i7π/4 = i.

2 Oppgave 2 Avgjør om rekkene ), 2) og ) nedenfor konvergerer eller divergerer. ) n= n n 2 2, 2) n= n n!, ) ( + ( ) n ). n= ) Grensesammenligningstest med den harmoniske rekken n= : n lim n n 2 2 /n = lim /n 2/n 2 =. Da den harmoniske rekken er divergent er altså n n= divergent. n 2 2 2) Forholdstesten: lim n+ /(n+)! = lim n /n! =, og rekken er konvergent. n+ ) n-teleddstesten: lim + ( ) n eksisterer ikke (følgen { + ( ) n } er ved odde n og 2 ved jevne n), så rekken divergerer. Oppgave En ball har egenskapen at om du slipper den ned på et betonggulv, spretter den opp 5/6 av høyden du slapp den fra. Om ballen slippes fra meter og får sprette opp og ned i det uendelige, hva er den totale distansen ballen tilbakelegger? Ballen faller fra høyden h = (alt i meter), og spretter opp igjen 5 h. Så faller 6 den ned igjen ( 5h), og neste gang den spretter opp blir høyden 5 ( 5 h). Det fortsetter i samme mønster, og om vi lar r = 5 blir den totale distansen derfor 6 h + 2rh + 2r 2 h + 2r h + = h + eller ved innsetting + 2 5/6 Oppgave 4 Finn tangentplanet til flaten i punktet (, ). 2hr k = h + 2h r, k= = + 6 = (meter). z = f(x, y) = x ln y 2

3 Ligning for tangentplanet til z = f(x, y) i punktet (a, b): z f(a, b) = D f(a, b) (x a) + D 2 f(a, b) (y b). Her er (a, b) = (, ), f(, ) = ln =, D f(x, y) = ln y, D f(, ) =, D 2 f(x, y) = x/y, D 2 f(, ) =, så tangentplanet har formelen z = y. Oppgave 5 a) La a være et reelt tall, og betrakt differensialligningen y = a x y 2. Finn y(x) og a gitt at y() = og y(2) = 4. Separabel differensialligning med konstant løsning gitt ved y =. Denne passer ikke inn med de oppgitte verdiene. For å finne de andre løsningene deler begge sider av ligningen på y 2 og integrerer m.h.p. x: y (x) dx y(x) ax dx 2 y(x) + C a 2 x2 + C 2 (de vertikale likhetene fremkommer ved substutusjon og integrasjon), eller m.a.o. = a y(x) 2 x2 + C. Setter vi inn y() = får vi = a C, så C =. Setter vi inn y(2) = 4 får vi = ( ) a , så a = 2 4 =. 8 Altså får vi y(x) = a 2 x2 + C = 6 x2 = 6 6 x. 2 (sjekk ved derivasjon at dette er løsningen av differensialligningen). b) Løs differensialligningen y + x x 2 + y = 6x x 2 +. Førsteordens lineær differensialligning. Ved substitusjonen u = x 2 + har vi x x 2 + dx = 2 ln(x2 + ) + C,

4 så om vi setter ρ(x) = e 2 ln(x2 +) = (x 2 + ) /2 får vi Følgelig har vi ρ(x) y(x) = d dx (ρ(x) y(x)) = ρ(x) y (x) + ρ (x) y(x) = (x 2 + ) /2 ( y (x) + = (x 2 + ) /2 6x x 2 + = 6x x 2 + x x 2 + y(x) 6x x 2 + dx = 2 (x2 + ) /2 + C = 2(x 2 + ) /2 så ( y(x) = 2(x 2 + ) /2 + C ) C = 2 + (x 2 + ) /2 (x 2 + ). /2 Eventuelt kan vi løse oppgaven som en separabel differensialligning: y = x (2 y). x 2 + Uansett metode bør du sjekke ved innsetting at løsningen du finner passer inn i differensialligningen: y + x y = C2x + 2 x + xc = 6x. x (x 2 +) 5/2 x 2 + (x 2 +) 5/2 x 2 + Oppgave 6 La R være området begrenset av x-aksen, y-aksen, kurven y = e x2 og linjen x =. Regn ut volumet av omdreiningslegemet som fremkommer ved å dreie R om y-aksen. ) Bruker sylinderskallmetoden ( ytterst 2πrf(r) dr der f(r) er høyden til legemet innerst ved radius r fra omdreiningsaksen): V = 2πxe x2 dx = πe u du = π[e u ] = π( e ), hvor vi har benyttet substitusjonen u = x 2. Hvis du vil regne ut volumet ved skivemetoden må du dele problemet i to. Fra y = til y = e er legemet begrenset av x =, mens fra y = e er legemet begrenset av x = ln y (fås ved å løse y = e x2 ) V = π 2 e + π( ln y) 2 dy = π(e e = π(e [y ln y y] e ) = π( e ). e ln y dy) 4

5 Oppgave 7 Vis ulikhetene ln(n!) = for N 7. Avgjør om rekken konvergerer. N ln k > k= N n=2 ln x dx = N ln(n) N + > N ln((n 2 )!) Summen N k= ln k kan representeres som summen av arealene til rektangler med bredde og høyde ln k der k løper fra til N. Integralet er arealet under kurven y = ln x mellom x = og x = N. Siden ln er voksende (og ln = ) vil arealene under rektanglene representere øvre Riemannsum, og er derfor større enn integralet, se figuren til høyre. N ln x dx = [x ln x x]n = N ln N N ( ln x ) = N ln N N +. Vi skal vise at N ln N N+ > N for N 7. Funksjonen f(x) = x ln x 2x+ er voksende for x e (fordi f (x) = ln x ), så det er nok å observere at f(7) = 7 ln >. Da ln(n!) > N for N 7 er / ln((n 2 )!) < /n 2 for n 7, så sammenligningstesten sier at siden p-rekken n= /n2 konvergerer, så konvergerer også rekken n=2 / ln((n2 )!). Oppgave 8 La a = 2 og a n+ = a n 2 + a n, n. Vis ved induksjon at a n > 2 for alle n. Vis at følgen {a n } n er avtagende og konvergent. Hva konvergerer {a n } n mot? Betrakt påstanden P (n) : a n > 2. Ser at P () er sann da a = 2 > 2. Vil vise at dersom P (k) er sann, så er også P (k + ) sann, for alle k. 5

6 Betrakt funksjonen g(x) = x +. Vi har at 2 x g (x) = er negativ om x < 2 2 x 2 og positiv om x > 2. Derfor har vi at x > 2 medfører at g(x) > g( 2) = 2. Setter vi x = a k > 2 får vi altså a k+ = g(a k ) > 2. Betrakt påstanden Q(n) : a n+ a n <. Vi har at a =.5 < a = 2 så Q() er sann. Anta Q(k) er sann, vil vise Q(k + ) sann, for alle k. Vi skal altså vise at a k+2 a k+ = g(a k+ ) g(a k ) <, men det er sant da y = g(x) er voksende for x 2 og vi har antatt at 2 < a k+ < a k. Siden følgen er avtagende og begrenset er følgen konvergent ved kompletthet av de reelle tall. La L = lim a n. Får da L = lim a n = lim a n+ = lim g(a n ) = g(l) siden g er kontinuerlig. Løser vi L = g(l) = L/2 + /L med hensyn på L får vi L 2 = 2, og siden L 2 så får vi L = 2. 6