Notes for MAT-INF Snorre Christiansen, 5. april 2005

Like dokumenter
MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2. Torsdag 28. februar 2019, klokken 14:30 i Devilry (devilry.ifi.uio.no).

MAT1140 Strukturer og argumenter

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 2

MAT1110. Obligatorisk oppgave 1 av 2

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 5 Innleveringsfrist Fredag 15. april 2016 kl 14 Antall oppgaver: 8

MAT 1120: Obligatorisk oppgave 2, H-09

EKSAMEN I EMNET Løsning: Mat Grunnkurs i Matematikk I Mandag 14. desember 2015 Tid: 09:00 14:00

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

MAT Vår Oblig 2. Innleveringsfrist: Fredag 23.april kl. 1430

MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2.

UNIVERSITETET I OSLO

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 4 Innleveringsfrist Fredag 11. mars 2016 Antall oppgaver: Løsningsforslag

Eksamensoppgave i MA1101 Grunnkurs i analyse

Eksamensoppgave i MA1102/6102 Grunnkurs i analyse II

Prøve i Matte 1000 ELFE KJFE MAFE 1000 Dato: 02. desember 2015 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Den deriverte og derivasjonsregler

9 + 4 (kan bli endringer)

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag AA6524 Matematikk 3MX Elever 7. juni eksamensoppgaver.org

Løsningsforslag AA6524 Matematikk 3MX Elever AA6526 Matematikk 3MX Privatister eksamensoppgaver.org

Matematikk 3MX AA6524 og AA6526 Elever og privatister 8. desember 2003

a) f(x) = 3 cos(2x 1) + 12 LF: Vi benytter (lineær) kjerneregel og får f (x) = (sin(7x + 1)) (sin( x) + x) sin(7x + 1)(sin( x) + x) ( sin(x) + x) 2 =

Løsningsforslag. Prøve i Matematikk 1000 BYFE DAFE 1000 Dato: 29. mai 2017 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark. Oppgave 1 Gitt matrisene.

MAT-INF 2360: Obligatorisk oppgave 3

Løsningsforslag. Oppgave 1 Gitt matrisene ] [ og C = A = 4 1 B = 2 1 3

MAT-INF 2360: Obligatorisk oppgave 2

Notasjon i rettingen:

Løsningsforslag AA6524/AA6526 Matematikk 3MX Elever/Privatister - 7. desember eksamensoppgaver.org

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

f =< 2x + z/x, 2y, 4z + ln(x) >.

Eksamensoppgave i TMA4125 BARE TULL - LF

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

HØGSKOLEN I BERGEN Avdeling for Ingeniørutdanning

MAT-INF 2360: Obligatorisk oppgave 2

UNIVERSITETET I OSLO

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal Analyse våren Maple-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple02 28.

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen R2 Høst Løsning

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag. og B =

Eksamen AA6524 Matematikk 3MX Elevar/Elever AA6526 Matematikk 3MX Privatistar/Privatister. Nynorsk/Bokmål

UNIVERSITETET I BERGEN

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2010

LØSNINGSFORSLAG. Skriv følgende komplekse tall både på kartesisk form som a + bi og på polar form som re iθ (r 0 og 0 θ < 2π). a) 2 + 3i.

1 MAT100 Obligatorisk innlevering 1. 1 Regn ut i) iii) ii) Regn ut i) ii)

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 16./17. november 2015

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag. og B =

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 1

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 1

EKSAMEN. Ingeniør- og Fleksibel ingeniørutdanning.

UNIVERSITETET I OSLO

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal analyse våren Maple/Matlab-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag

TMA4105 Matematikk2 Vår 2008

UNIVERSITETET I OSLO

Høgskolen i Oslo og Akershus. 1 (x 2 + 1) 1/2 + x 1 2 (x2 + 1) 1/2 (x 2 + 1) = x 2x 2 x = = 3 ln x sin x

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 1

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

UNIVERSITETET I OSLO

MAT1120. Obligatorisk oppgave 1 av 2. Torsdag 20. september 2018, klokken 14:30 i Devilry (devilry.ifi.uio.no).

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE/EMFE 1000 Oppgavesett 1 Innleveringsfrist: 14. september klokka 14:00 Antall oppgaver: 3.

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

UNIVERSITETET I OSLO

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

MAT Grublegruppen Notat 8

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 26./28. november 2013

Prøve i Matte 1000 BYFE DAFE 1000 Dato: 03. mars 2016 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark. Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Løsningsforslag, eksamen MA1101/MA6101 Grunnkurs i analyse I, vår 2009

UNIVERSITETET I OSLO. Løsningsforslag

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN, MAT 1001, HØSTEN (x + 1) 2 dx = u 2 du = u 1 = (x + 1) 1 = 1 x + 1. ln x

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1101, 5.oktober 2010

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 1

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Matematikk 1. Oversiktsforelesning. Lars Sydnes November 25, Institutt for matematiske fag

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: K. Rottmann: Matematisk Formelsamling Lommekalkulator med tomt minne

Oversikt over Matematikk 1

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

OPPGAVER FOR FORUM

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

Oppgaver og fasit til seksjon

Løsningsforslag til underveiseksamen i MAT 1100, 6/

Eksamensoppgave i TMA4125 Matematikk 4N

DAFE BYFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 1 Innleveringsfrist Fredag 22. januar :00 Antall oppgaver: 5.

8 Interpolasjon TMA4125 våren 2019

UNIVERSITETET I OSLO

Plan. I dag. Neste uke

EKSAMEN. Hans Petter Hornæs og Britt Rystad

STK1000 Obligatorisk oppgave 2 av 2

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 17./18. november 2014

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 38. Oppgaver til gruppene uke 39

Transkript:

Notes for MAT-INF3 6 Snorre Christiansen, 5. april 25 Den obligatoriske oppgaven består i Problem A og Problem B Oppgave og 3. Problem C er et åpent spørsmål det ikke er obligatorisk å svare på. Problem B Oppgave 2 er ikke obligatorisk, men studenter oppfordres til å gå igjennom den, eventuelt etter å ha lest side 523-525 i Edwards and Penney. Les også Remark. og notér at to ekstra spørsmål er lagt til i fet tekst i Problem B Oppgave 3 spørsmål (b) og (c) i forhold til versionen av 22. mars 25. Det skal altså plottes til sammen 6 gurer og hver gur bør ha en forklarende tittel. Innleveringsfrist er: 27. april 25 kl 4:. Oppgaven skal innleveres på ekspedisjonskontoret til Matematisk Institutt (7. etg i N.H.Abels hus). Følgende tekst er til informasjon: Erfaringsmessig blir det lange køer rett før innleveringsfristen, så det er smart å levere tidligere. Husk å skrive navn og gruppenummer/program på hvert ark i besvarelsen! Dersom du på grunn av sykdom eller lignende har behov for å utsette innleveringen, må du sende søknad til Elisabeth Seland (rom B 78, NHAbelshus, epost: studieinfo@math.uio.no, tlf. 22 85 59 7). Husk at sykdom må dokumenteres ved legeattest! Se forøvrig http://www.math.uio.no/academics/obligregler.shtml for nærmere informasjon om reglement rundt obligatoriske oppgaver ved matematisk institutt. Oppgaven er obligatorisk og studenter som ikke får besvarelsen godkjent, vil ikke få adgang til avsluttende eksamen. For å få besvarelsen godkjent, må man oppnå 3/4 av maksimal poengscore (for de obligatoriske oppgavene). Du kan få poeng på en oppgave selv om du ikke har kommet frem til et svar, og det er derfor viktig at du leverer inn det du har kommet frem til. Det er lov å samarbeide og bruke alle slags hjelpemidler. Den innleverte besvarelsen skal imidlertid være skrevet av deg (for hånd eller på datamaskin) og gjenspeile din forståelse av stoet. Er vi i tvil om du virkelig har forstått det du har levert inn, kan vi be deg om en muntlig redegjørelse. Obligatorisk oppgave. Vi minner om at gitt k N sier vi at en funksjon g er av klasse C k (I) hvis den er k ganger deriverbar på I og funksjonen g (k) er kontinuerlig på I. Problem A. La I være et intervall i R. (a): La f : I C være en funksjon. Sjekk at de to følgende betingelsene er ekvilalente: (i) For alle t I er f(t) =. (ii) Det nnes en funksjon φ : I R slik at for alle t I er f(t) = exp(iφ(t)).

Dener U = {x C : x = }. Resten av oppgaven går ut på å vise at hvis f : I U har visse deriverbarhetsegenskaper, kan man konstruere φ : I R med tilsvarende deriverbarhetsegenskaper, til tross for at det ikke nnes noen kontinuerlig invers til avbildningen: { R U, s exp(is). () (b): Anta at f : I U er deriverbar. Vis at for enhver t I er if (t)f(t) R ved å derivere funksjonen t f(t) 2. Anta videre at φ : I R er en deriverbar funksjon slik at for alle t I er f(t) = exp(iφ(t)). Vis at for alle t I er φ (t) = if (t)f(t). (c): Anta at f : I U er av klasse C (I). Gitt t I, velg φ R slik at exp(iφ ) = f(t ). Dener φ : I R ved: t φ(t) = φ + if (s)f(s) ds. t (2) Vis at for alle t I er f(t) = exp(iφ(t)) (for eksempel ved å se på funksjonen t f(t) exp( iφ(t))). (d): Se på likningen : f (t) iφ (t)f(t) =. (3) Tolk spørsmål (b) og (c) i forhold til betraktninger om denne likningen, først som en dierentiallikning med ukjent φ (og gitt f), så med ukjent f (og gitt φ). (e): La f : I U være en funksjon av klasse C (I). Bruk spørsmål (b) og (c) til å bevise følgende utsagn: for enhver t I og φ R slik at exp(iφ ) = f(t ) nnes det en og bare en funksjon φ : I R av klasse C (I) slik at φ(t ) = φ og for alle t I er f(t) = exp(iφ(t)). (f): Når man skrur en skrukork en gang rundt går korken opp eller ned, men ihvertfall ikke tilbake til utgangspunktet, med mindre den er ødelagt. Finn en sammenheng mellom denne observasjonen og denne oppgaven. Remark. Du kan bruke at hvis u : I C er en deriverbar funksjon, så er funksjonen v : I C denert for t I ved v(t) = exp(u(t)), også deriverbar og v (t) = u (t) exp(u(t)). Derimot hvis u og v er to komplekse funksjoner relatert ved v(t) = exp(u(t)) så kan v være deriverbar uten at u er det (fordi u plutselig kan hoppe med en verdi 2πi uten at dette merkes utenfor eksponentialen). Sjekk også at for a C har vi aa = a 2. Problem B: Pendelsvingninger. ordens dierensiallikningen: Gitt α > og ɛ, ser vi på annen φ (t) + ɛφ (t) + α sin(φ(t)) =. (4) I dette problemet skal vi se på ulike aspekter av denne likningen. Vi tar det for gitt at for enhver t R og (φ, ψ ) R 2 nnes en og bare en løsning φ : R R slik at φ(t ) = φ og φ (t ) = ψ, og at denne løsningen er av klasse C k (R) for alle k N. 2

Oppgave : Generelle betraktninger og en fysisk tolkning. (a): Sjekk at er en løsning på (4). La φ være en vilkårlig løsning. Sjekk at t φ(t) + 2π og t φ(t) også er løsninger. Vis videre at t φ(t + t ) er en løsning for alle t R og at hvis ɛ = er t φ( t) en løsning. (b): Betrakt en pendel bestående av en en masseløs stang med lengde l, som er festet i den ene enden (origo) og har en masse m i den andre enden. Vi antar at pendelen kan bevege seg i et plan som inneholder origo og at den er plassert i et gravitasjonsfelt med styrke g. Vis, ved hjelp av Newtons lov, at når φ(t) tolkes som en viss vinkel, kan pendelens bevegelser beskrives ved likning (4) når α = g/l og ɛ tolkes som et friksjonsledd. Lag en tegning. Selv om det er naturlig å tenke på φ(t) som en vinkel tillater vi verdier utenfor intervallet [ π, π] i henhold til Problem A. (c): Hvis φ er en løsning til (4), denerer vi funksjonen E : R R ved: E(t) = φ (t) 2 2α cos(φ(t)). (5) Vis at E er en avtagende funksjon og at hvis ɛ = er E konstant. Relater de to leddene i denisjonen av E til de fysiske begrepene kinetisk energi og potensial energi for pendelen beskrevet i spørsmål (b). (d): Finn alle konstante løsninger til (4). Hvilke vil du, i henhold til den fysiske tolkningen, karakterisere som stabile? (e): For små θ har vi sin(θ) = θ + O(θ 3 ). Betrakt likningen: φ (t) + ɛφ (t) + αφ(t) =. (6) Løs denne likningen. Hva er perioden til φ når ɛ =? Oppgave 2: Periodisitet. I denne oppgaven antar vi at ɛ =. Det vil være nødvendig å bruke spørsmål (c) i Oppgave over. (a): Anta at E() = 2α. Vis at hvis φ (t ) = for en vilkårlig t må φ være konstant og ta en verdi av formen π + 2πk med k Z. Vis at hvis φ (t) for alle t, er φ monoton og at φ konvergerer i og + mot to verdier av formen π + 2πk med k Z. Finn en eksplisitt formel for φ(t), gitt φ() og φ (). Når E() 2α nnes det ingen slik eksplisitt formel denert ved elementære funksjoner. Man kan likevel si en god del om φ. (b): Anta at E() > 2α. Vis at for alle t R er φ (t) β for en viss β >. Vis at φ har konstant fortegn ved hjelp av skjæringssetningen. Bruk det til å vise at φ er monoton og at φ(t) konvergerer mot eller + når t +. Vis en tilsvarende egenskap når t. Vis at t exp(iφ(t)) er periodisk ved hjelp av unisitetsegenskaper ved dierensiallikninger. Vis at perioden T er gitt ved: T = 4 π dθ. (7) (E() + 2α cos(θ)) /2 (c): Anta at E() < 2α. Dener a [, π[ som løsningen til likningen cos a = E()/(2α). Hvorfor er det en og bare en løsning på denne likningen? Vis at φ er periodisk og at for en viss k Z varierer φ(t) 2πk mellom a og a. Vis at perioden til φ tilfredsstiller: T = 4 a dθ. (8) (E() + 2α cos(θ)) /2 3

(d): Vi fortsetter å anta at E() < 2α og ser nærmere på formelen vi oppnådde i (8). Dener funksjonen I : R R ved : I(u) = ds. (9) (s( s)( + u + s( u))) /2 Ved å substituere cos θ cos a = s( cos a) i (8), vis at : T = 4(2α) /2 I(cos a). () Hva blir I()? Finn en Taylor utvikling av I(u) rundt u = ved å derivere under integraltegnet. Bruk den til å vise at for små a har vi: T (a) = 2πα /2 ( + (/6)a 2 + O(a 4 )). () Hva er poenget med å ha en pendel i et veggur? Oppgave 3: numeriske beregninger. Vi antar at ɛ = og at α =. Hvis φ er en løsning setter vi ψ = φ. Funksjonen R R 2 : t (φ(t), ψ(t)) tilfredsstiller da et system av formen: φ (t) = f(φ(t), ψ(t)), (2) ψ (t) = g(φ(t), ψ(t)), (3) med f(x, y) = y og g(x, y) = sin(x). Sjekk dette. Vi velger et tidssteg h > og ønsker å denere approksimasjoner φ h og ψ h av φ og ψ, gitt initial betingelser φ() og ψ(). Eulers metode består i å denere: φ h () = φ(), (4) ψ h () = ψ(). (5) Deretter deneres φ h og ψ h rekursivt. For hver n N setter vi: φ h ((n + )h) = φ h (nh) + hf(φ h (nh), ψ h (nh)), (6) ψ h ((n + )h) = ψ h (nh) + hg(φ h (nh), ψ h (nh)). (7) (a): Implementer Euler's metode for pendelen i Matlab (eller et annet programmeringsspråk dersom du foretrekker det). Velg initial betingelser φ() = og ψ() =. For verdier h = 3/ k med k =, 2, 3, 4 plot punktene (x n, y n ) = (φ h (nh), ψ h (nh)) for alle hele verdier n [, 3/h[ i et godt valgt koordinatsystem i planet. Lag en gur for hver k og føy disse gurene til din besvarelse. Det skal være 2 gurer per A4 side og en forklarende tittel til hver gur. Føy også til kildekoden til implementeringen av Euler's metode dog ikke mer enn 2 A4 sider. La T være perioden til den eksakte løsningen φ. Omtrent hvor stor kan h være sammenliknet med T for at den numeriske løsningen skal se god ut over et tidsrom i størrelsesorden 2T? Kall denne verdien h. (b): For den eksakte løsningen er (energien) E(t) = ψ(t) 2 2 cos(φ(t)) konstant. Initialbetingelsene fra forrige spørsmål tilsvarer E() =. Betrakt funksjonen: { R 2 R, E : (x, y) y 2 (8) 2 cos(x). 4

Tegn nivåkurvene til E med verdier E(x, y) = 2,,, og 2 på grakkene fra spørsmål (a). Ligger punktene (x n, y n ) fra spørsmål (a) någenlunde på nivåkurven denert ved E(x, y) = (gi et svar for hvert valg av k)?(e(x n, y n )) denerer en følge av reelle tall som representerer en numerisk energi på tidspunkt t = nh. Plot disse verdiene for n [3, 3/h[ i et koordinatsystem som får frem de små variasjonene, t = nh i abscisse (horisontale akse) og E(x n, y n ) i ordinat (vertikale akse). Lag en gur for hver k, med forklarende tittel, to gurer per A4 side. La nå h = h. Etter omtrent hvor lang tid (sammenliknet med T ) går punktene (x n, y n ) vekk fra nivåkurven til E? En annen numerisk metode, ofte forbundet med Størmer, for å simulere pendelen, er å denere φ h på følgende måte: φ h () = φ(), (9) φ h (h) = φ() + hψ(), (2) Deretter deneres φ h rekursivt. For hver n N \ {} velger vi φ h ((n + )h) slik at: φ h ((n + )h) 2φ h (nh) + φ h ((n )h) = h 2 sin(φ h (nh)). (2) (c): Implementer denne metoden. Plot punktene (x n, y n ) denert ved: x n = φ h (nh), (22) y n = (φ h ((n + )h) φ h ((n )h))(2h), (23) for samme verdier av φ(), ψ(), h og n som i spørsmål (a). Føy disse gurene til din besvarelse. Plot også følgen av verdier E(x n, y n ) for n [3, 3/h[ slik som i spørsmål (b). Følger punktene (x n, y n ) nivåkurven denert ved E(x, y) = bedre? Epilog. Vi har denert φ h i punktene nh for n N (ved hjelp av to forskjellige metoder). Mellom disse punktene kan vi denere φ h ved: φ h (nh + sh) = ( s)φ h (nh) + sφ h ((n + )h) for s ], [. (24) I faget numerisk analyse beviser man ting som at funksjonen φ h denert både ved Eulers metode og Størmers metode konvergerer mot φ når h men at Størmers metode har bedre energibevaringsegenskaper, i en presis forstand. Problem C. Dette er et bonusspørsmål det ikke er obligatorisk å svare på. Si så mye du kan om løsningen x til dierensiallikningen: x (t) = sin(t 2 )x(t), (25) med initial betingelse x()=. For eksempel: Kan x ta negative verdier? Er x begrenset på [, + [? Det kan være verdt å bemerke at den antideriverte til t sin(t 2 ) ikke kan uttrykkes ved hjelp av elementære funksjoner. 5