LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF5045 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER

Like dokumenter
TMA4215 Numerisk matematikk

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag. Side 1 av 6. Faglig kontakt under eksamen: Navn: Brynjulf Owren (93518)

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

MA2501 Numeriske metoder

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

TMA4210 Numerisk løsning av part. diff.lign. med differansemetoder Vår 2005

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Numerisk løsning av ODL

Eksamensoppgave i MA2501 Numeriske metoder

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

TMA4135 Matematikk 4D Høst 2014

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I MATEMATIKK 4N/D (TMA4125 TMA4130 TMA4135) Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

EKSAMEN I EMNE SIF5072 STOKASTISKE PROSESSER Lørdag 16. august 2003 Tid: 09:00 14:00

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) 1 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) = 1 s 2 1 s s 2 e s.

EKSAMEN I FAG TMA4220 NUMERISK LØSNING AV PARTIELLE DIFFERENSIALLIGNINGER VED HJELP AV ELEMENTMETODEN

EKSAMEN I FAG SIF5050 NUMERISK LØSNING AV PARTIELLE DIFFERENSIALLIGNINGER VED HJELP AV ELEMENTMETODEN

Numerisk løsning av PDL

L(t 2 ) = 2 s 3, 2. (1. Skifteteorem) (s 2) 3. s 2. (Konvolusjonsteoremet) s 2. L 1 ( Z. = t, L 1 ( s 2 e 2s) = (t 2)u(t 2). + 1

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

Løsningsforslag eksamen i TMA4123/25 Matematikk 4M/N

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4265 Stokastiske prosesser

Eksamensoppgave i TMA4122,TMA4123,TMA4125,TMA4130 Matematikk 4N/M

LØSNING FOR EKSAMEN I FAG 75316, NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER, VÅR u t = u xx, < x <, t > 0 < x <

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

Eksamensoppgave i TMA4130/35 Matematikk 4N/4D

x(x 1)(x 2) p(x) = 3,0 1( 1 1)( 1 2) Newtons interpolasjonsformel: Tabellen over dividerte differenser er gitt ved

SIE30AR Ulineær bevegelsestyring - Servoteknikk Løsningsforslag til øving 11: Passivitet

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I BERGEN

TMA4265 Stokastiske prosesser ST2101 Stokastisk simulering og modellering

Viktig informasjon. Taylorrekker

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

Kap. 5: Numeriske løsningsmetoder

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, VÅR 09

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

EKSAMEN I TMA4180 OPTIMERINGSTEORI

EKSAMEN I NUMERISK MATEMATIKK (TMA4215)

EKSAMEN I NUMERISK MATEMATIKK(TMA4215) Lørdag 20. desember 2003 Tid: 09:00 14:00, Sensur:

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

UNIVERSITETET I OSLO

SIF5072 Stokastiske prosesser Side 2 av 7 Gitt at en pasient er symptomfri ved tidspunkt t, hva er sannsynligheten for at han er symptomfri i hele per

1. Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A = 2 1 A =

Viktig informasjon. Taylorrekker

Fasit eksamen i MAT102 4/6 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Eksamen i TMA4180 Optimeringsteori Løsningsforslag.

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

EKSAMEN I ST2101 STOKASTISK MODELLERING OG SIMULERING Onsdag 1. juni 2005 Tid: 09:00 14:00

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4265 Stokastiske prosesser

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

TMA4123M regnet oppgavene 2 7, mens TMA4125N regnet oppgavene 1 6. s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s.

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

Dato: Tirsdag 28. november 2006 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: Kun standard enkel kalkulator, HP 30S

UNIVERSITETET I BERGEN

=cos. =cos 6 + i sin 5π 6 = =cos 2 + i sin 3π 2 = i.

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

UNIVERSITETET I BERGEN

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

Eksamen i fag FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Tid:

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MATEMATIKK 4N,

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

TMA4100 Matematikk1 Høst 2009

Løsningsforslag: Eksamen i Brukerkurs for informatikere MA 0003, onsdag 30. november 2005

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE TMA4265/SIF5072 STOKASTISKE PROSESSER Onsdag 10. august 2005 Tid: 09:00 13:00

Eksamen i SIF5036 Matematisk modellering Onsdag 12. desember 2001 Kl

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Mandag 29. mai 2000, kl Løysingsforslag:

Eksamensoppgave i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser

Stive differensialligninger

y(x) = C 1 e 3x + C 2 xe 3x.

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Mandag 6. juni 2011 løsningsforslag

TMA Matematikk 4D Fredag 19. desember 2003 løsningsforslag

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, V08

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

UNIVERSITETET I OSLO

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I TMA4285 TIDSREKKEMODELLER Fredag 7. desember 2012 Tid: 09:00 13:00

Masteroppgave i matematikk

HØGSKOLEN I BERGEN Avdeling for ingeniørutdanning

Transkript:

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side av 8 Faglig kontakt under eksamen: Syvert P. Nørsett 7 59 5 45 LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF545 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER Bokmål Tirsdag 7. mai Tid: 9-4 Hjelpemidler: Lærebøker, notater, kalkulator Sensuren faller i uke. Oppgave a) Ordensbetingelsene for en. ordens Runge-Kutta metoder er gitt ved: b i = i b i a i,j = i,j b i a ij a jk = i,j,k b i a ij a ik = i,j,k En kan lett sjekke at koeffisientene i Butcher tabellen tilfredstiller disse betingelsene, så metoden er av orden.

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side av 8 b) Vi ser at om vi velger velger metoden: som tilsvarer øvre venstre blokkmatrise av den oppgitte a matrisen. Den nye nivå metoden er ikke noe annet enn eksplisitt midtpunkt. Vi vet at denne har orden, noe vi også kan kontrollere ved å sjekke at de to første ordensbetingelsene gitt over er oppfylt. Det embeddede RK-paret blir da: 4 4 9 c) Når vi ser på stabilitetsfunksjonen til en metode anvender vi metoden på testligningen: 4 9 y = λy, y() = y, der λ er en konstant. Den eksakte løsningen er y = e λt y. Den numeriske approsimasjonen etter et skitt er gitt som y = r(z)y der z = hλ og h skrittlengden til metoden. r(z) er stabilitetsfunksjonen til metoden. Den eksakte løsningen i samme punkt er e z y. Siden metoden vår er eksplisitt så er r(z) et polynom. Fordi metoden er av orden, er polynomet identisk med e z opp til orden 4: r(z) = + z + z + z. Den andre måten vi kan finne stabilitetsfunksjonen på er å regne oss fram til den, med utgangspunkt i r(z) = + zb T (I za). Dette uttrykket er oppgitt i læreboka. Vi finner først I za: I za = z z 4 Vi løser så systemet (I za)ξ =, ved hjelp av for eksempel Cramers regel. Siden metoden vår er eksplisitt ser vi at det(i za) =. Vi får dermed at:

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side av 8 ξ = z = 4 ξ = z = + z ξ = z z = + 4 z + 8 z 4 Dermed kan vi skrive opp stabilitetsfunksjonen direkte: d) Nivå verdiene blir: r(z) = + zb T ξ = + z + z + z. k = f(t n, y n ) ( k = f t n + h, y n + ) hk ( k = f t n + 4 h, y n + ) 4 hk De to løsningene blir: yn+ = y n + hk ( yn+ = y n + h 9 k + k + 4 ) 9 k Ved å bruke uttrykket for ny skrittlengde fra notatet på hjemmesiden til faget får vi: h tol h ny =.9 h, κ der κ = yn+ yn+ og tol er ønsket toleranse.

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side 4 av 8 Oppgave Vi skal se på numeriske løsning av varmeledningsligningen: u t = u x + u y, på området Ω = [, ] [, ] for t > med initialbetingelse u(x, y, ) = g(x, y). Vi krever at løsningen er null på randen av området Ω. Vi diskretiserer i rom med lik skrittlengde både i x- og y-retning. Dvs. h = x = y. Som vanlig velger vi å bruke 5-punkt stensilen for å estimere Laplace operatoren. Vi får da den semidiskretiserte ligningen U = h (,x +,y)u. Her er U en løsningsvektor som inneholder den diskrete løsningen i de indre nodepunktene av området Ω. Vi tar så et skritt videre og diskretiserer i tid med forlengs Euler U n+ = U n + t h (,x +,y )U n. U n er nå den diskrete løsningen i tidspunktet t = t n = n t. La oss skrive µ = t h. a) Avbruddsfeilen T n for metoden er gitt ved: T n = u(x, y, t + t) u(x, y, t)+ t h ( u(x + h, y, t) u(x, y, t) + u(x h, y, t) u(x, y + h, t) u(x, y, t) + u(x, y h, t) ) Vi Taylor utvikler utrykkene på de tre linjene om (x, y, t): u(x, y, t + t) u(x, y, t) = tu t (x, y, t) + ( t) u tt (x, y, t) + O(( t) ) u(x + h, y, t) u(x, y, t) + u(x h, y, t) = h u xx (x, y, t) + h4 u xxxx (x, y, t) + O(h ) u(x, y + h, t) u(x, y, t) + u(x, y h, t) = h u yy (x, y, t) + h4 u yyyy (x, y, t) + O(h )

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side 5 av 8 Setter vi dette inn i uttrykket for avbruddsfeilen får vi, (der alle verdier skal evaluerers i punktet (x,y,t)): T n = t ( u t u xx u yy ) + + ( t) u tt + O(( t) )+ t h ( h4 u xxxx + ) h4 u yyyy + O(h ) = ( t) u tt th (u xxxx + u yyyy ) + O(h ). = Her har vi brukt at µ = t/h er konstant, som gir at T n = O(h 4 ). b) Når vi diskretiserer i rom og tid får vi uttrykket: U n+ = U n + µau n = (I + µa)u n, der A er matrisen for 5-punkt stensilen. Egenverdiene til denne matrisen er gitt i læreboka på side 7: [ ( ) απ λ α,β = 4 sin (m + ) ( )] βπ + sin, α, β =,..., m (m + ) Antal indre nodepunkter i hver retning i området er nå m. La B = (I + µa). Av teorem.4 (Lax ekvivalenstrorem) følger det at vi har konvergens dersom ordenen er større enn èn og metoden er stabil. Vi vet fra forrige deloppgave at metoden har orden høyere en, så det gjenstår å vise stabilitet. Siden A matrisen er symmetrisk blir også B matrisen symmetrisk. For en symmetrisk matrise gjelder B = ρ(b). For å oppnå stabilitet må vi kreve at ρ(b) = B. Dvs. alle egenverdier til B matrisen må være mindre enn. ρb + µρ(a) [ ( ) ( )] απ βπ 4µ sin + sin (m + ) (m + ) Vi ser at < µ /4 er lovlige verdier.

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side av 8 Oppgave Vi har fått oppgitt følgende Butcher tabellen til en kollokasjonsmetode a, a, a, 5 4 a, a) Det unike kollokasjonspolynomet er gitt av sine nullpunkter. Disse er de samme som c verdiene i Butcher tabellen. Dermed er kollokasjonspolynomet gitt ved N(t) = i (t c i ) = t(t )(t ) = t t + t. Når vi skal bestemme de a-verdiene som ikke er oppgitt i tabellen, slår vi bare opp uttrykket for dem gitt i læreboken. Koeffisientene i A matrisen for en kollokasjonsmetode er gitt ved a ij = ci q j (τ) dτ, i, j =,..., ν, q j (c j ) hvor q(t) = ν i (t c i) og q j (t) = q(t)/(t c j ). I vårt tilfelle er antall nivåer ν =. Vi ser umiddelbart at å bestemme første rad i A matrisen er veldig enkelt da a, er bestemt ved a j = c q j (τ) q j (c j ) dτ = q j (τ) dτ =, j =,...,. q j (c j ) a, = c q (τ) q (c ) dτ, når c = /, q (t) = (t c )(t c ) = t t/ og q (c ) = /. Innsatt gir dette: a, = (τ τ)dτ = [ τ 4 τ ] = 4.

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side 7 av 8 En mer elegant måte å finne a, er å bruke at c = j a j og få a, = / 5/4 / = /4. Dermed kan vi skrive den fullstendige Butcher tabellen. 5 4 4 b) Vi bruker notatet for kollokasjonsmetoder for å finne stabilitetsfunksjonen til metoden: r(z) = De derivert av N(t) finner vi lett: i= N ( i) () i= N ( i) () = = N () () + zn () () + z N () + z N() N () () + zn () () + z N () + z N(). N(t) = t t + t N (t) = t t + N (t) = t N () (t) = Vi setter inn uttrykkene for de derivert og får stabilitetsfunksjonen: c) Er metoden A-stabil? Vi ser på r(z) = + z + z + z z + z + z = z + z + z z +. r(iy) = ( y /) + iy/ ( y /) iy/ =. Polene til den rasjonale funksjonen r(z) er gitt ved nullpunktene til nevneren z z + =

SIF545 Numerisk løsning av differensialligninger Side 8 av 8 Dvs. z = ± 4 = ± 48 = ± i. Siden begge polene ligger i det høgre halvplanet og r(iy) = følger det av lemma 4. i læreboka at r(z), z C og dermed er metoden A-stabil. Eventuelt kan en merke seg at stabilitetsfunksjonen vi har fått står oppført på side i læreboka.