Matematikk Løsningsforslag

Like dokumenter
Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 Litt oppsummering undervegs Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 7 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 for-løkker

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver uke 35

Høgskolen i Oslo og Akershus. sin 2 x cos 2 x = 0, x [0, 2π) 1 cos 2 x cos 2 x = 0 2 cos 2 x = 1 cos 2 x =

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

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 Løsningsforslag

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE 1000 Oppgavesett 1 Innleveringsfrist: 10. oktober klokka 14:00 Antall oppgaver: 6. Oppgave 1

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 Skript

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 4 m-ler

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 9. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 3. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 3 Skript

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver uke 40

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 4 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 3 Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 11 Eulers metode. Løsningsforslag

Høgskolen i Oslo og Akershus. i=1

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 2 Funksjoner og plotting

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 7. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 3 Funksjoner og plotting

Newtons metode er en iterativ metode. Det vil si, vi lager en funksjon. F x = x K f x f' x. , x 2

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8. Løsningsforslag

Matematikk Eksamensaktuelle numerikk-oppgåver

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver uke 34

Løsningsforslag. og B =

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

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 =

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 1 Løsningsforslag

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver uke 37 og 38

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE 1000 Oppgavesett 4 Innleveringsfrist:??? klokka 14:00 Antall oppgaver: 5, 20 deloppgaver.

Oppgaver om fart, strekning og akselerasjon. Løsningsforslag. Oppgave 1

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 3 Funksjoner og plotting

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 2 Løsningsforslag

Matematikk 1000, 2012/2013. Eksamensaktuelle numerikk-oppgåver

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 2 Løsningsforslag

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

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

Erfaringar med numeriske metodar i matematikk-undervisinga for dataingeniørstudentar. Haugesund, 5. juni 2018

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 7 Numerisk derivasjon

Høgskolen i Oslo og Akershus. = 2xe 2x + x 2 e 2x (2x) = 2xe 2x + 2x 2 e 2x = 2xe 2x (1 + x) e 2x + x 2 ( e 2x) 1 sin x (sin x) + 2x = cos x

Oppgave Iterasjonen ser ut til å konvergere sakte mot null som er det eneste fikspunktet for sin x.

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

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

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver veke 14

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 1. Løsningsforslag

Fasit MAT102 juni 2016

Høgskolen i Oslo og Akershus. a) Finn den deriverte av disse funksjonene: b) Finn disse ubestemte integralene: c) Finn disse bestemte integralene:

For det aktuelle nullpunktet, som skal ligge mellom 0 og, kan vere eit greit utgongspunkt.

Newtons metode er en iterativ metode. Det vil si, vi lager en funksjon. F x = x K f x f' x

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver uke 43

Høgskolen i Oslo og Akershus. x 1 +3x 2 +11x 3 = 6 2x 2 +8x 3 = 4 18x 1 +5x 2 +62x 3 = 40

Forkurs, Avdeling for Ingeniørutdanning

Oppgave x d 1.0 for n from 1 by 1 to 200 do x d sin x end do

2 = 4 x = x = 3000 x 5 = = 3125 x = = 5

Numerisk løsning av ikke-lineære ligninger

Løsningsforslag. og B =

UNIVERSITETET I OSLO

Finne løsninger på ligninger numerisk: Newton-Raphson metoden og Fikspunktiterasjon MAT111, høsten 2017

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1101, 5.oktober 2010

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

MAT1110: Obligatorisk oppgave 2, V Løsningsforslag

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.

Eksamen i FO929A Matematikk Underveiseksamen Dato 9. desember 2008 Tidspunkt Antall oppgaver 6. Tillatte hjelpemidler Godkjent kalkulator

UNIVERSITETET I OSLO

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 1. Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8 Matriser. Løsningsforslag

NTNU. TMA4105 Matematik 2 våren Maple-øving 1. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple01 1.

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

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

MAT 1110: Obligatorisk oppgave 1, V-07: Løsningsforslag

Løsningsforslag Eksamen eksempeloppgave R1 - REA Desember 2007

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

Fasit til eksamen i emnet MAT102 - Brukerkurs i matematikk II Mandag 21.september 2015

eksamensoppgaver.org x = x = x lg(10) = lg(350) x = lg(350) 5 x x + 1 > 0 Avfortegnsskjemaetkanvileseatulikhetenstemmerfor

9 + 4 (kan bli endringer)

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8 Numerisk integrasjon

Løsningsforslag AA6526 Matematikk 3MX Privatister 3. mai eksamensoppgaver.org

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag AA6516 Matematikk 2MX - 5. mai eksamensoppgaver.org

1. (a) Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A =

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2012

= x lim n n 2 + 2n + 4

UNIVERSITETET I OSLO

Deriver funksjonene. Gjør greie for hvilke derivasjonsregler du bruker.

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2008

Løsningsforslag Eksamen S2, høsten 2016 Laget av Tommy Odland Dato: 27. januar 2017

Løsningsforslag AA6524 Matematikk 3MX 3. juni eksamensoppgaver.org

Høgskolen i Oslo og Akershus. c) Et annet likningssystem er gitt som. t Bestem parametrene s og t slik at likningssystemet blir inkonsistent.

a) Ved numerisk metode er det løst en differensiallikning av et objekt som faller mot jorden. Da, kan vi vi finne en tilnærming av akselerasjonen.

Transkript:

Matematikk 1000 Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 4 Intervallhalveringsmetoden med mer Løsningsforslag Oppgave 1 Fakultetfunksjonen a) I forrige leksjon så vi hvordan vi kan bruke for-løkker til å utføre gjentatte addisjoner. Vi kan bruke den samme tankegangen til å utføre gjentatte multiplikasjoner. Funksjonen kan implementeres slik: 1 function F=Fakultet(n) 2 3 % Funksjon som regner ut n!, n-fakultet, for det naturlige tallet n 4 % Funksjonen tar bare skalarer som input. 5 6 % Begynner med å sette F til en 7 F=1; 8 for i=1:n 9 F=F*i; % Mulitipliserer med i med i fra 1 til og med n 10 end Vi lagrer den som Faktultet.m og tester den i kommandovinduet: >> Fakultet(1) 1 >> Fakultet(4) 1

24 >> Fakultet(10) 3628800 >> Fakultet(20) 2.4329e+18 n! blir tydeligvis ganske stor ganske fort. Funksjonen slik vi har implementert den nå gir faktisk rett svar for n = 0 også. Men dette er ikke så opplagt. Vi kan bruke if-satser til å tvinge funksjonen til å gi rett svar for n = 0. Vi kan også bruke if-satser til å presisere at argumentet ikke kan være negativt: 1 function F=FakultetV2(n) 2 3 % Funksjon som regner ut n!, n-fakultet, for det naturlige tallet n 4 % Funksjonen tar bare skalarer som input. 5 6 if n<0 7 disp('n kan ikke være negativ') 8 return 9 elseif n==0 10 F=1; 11 else 12 F=1; % Setter F til én 13 for i=1:n 14 F=F*i; % Mulitipliserer med i med i fra 1 til og med n 15 end 16 end Vi tester versjon 2 også: >> FakultetV2(-5) n kan ikke være negativ >> FakultetV2(0) 1 2

Figur 1: Plott av γ(x + 1) og n!. >> FakultetV2(4) 24 Vi kunne også brukt en if-sats for å gi ei feilmelding dersom man satte inn et ikke-heltallig argument. b) Når vi nå lager et plott, er det mer praktisk å bruke MATLABs egen fakultets-funksjon siden denne tar vektor-argumenter: >> x=0:1e-2:5; >> y=gamma(x+1); >> n=0:5; >> y2=factorial(n); >> plot(x,y,'linewidth',2) >> hold on >> plot(n,y2,'ro','linewidth',2) >> hold off >> set(gca,'fontsize',15) >> legend('\gamma(x+1)','n!') Resultatet er vist i gur 1. c) Vi plotter e x /γ(x + 1) fra 0 til 20: 3

Figur 2: Plot av grafen til e x /γ(x + 1). I plottet til høgre har vi zoomet inn på maksimalverdien til funksjonen. >> x=0:1e-2:20; >> y=exp(x)./gamma(x+1); >> plot(x,y,'linewidth',2) >> set(gca,'fontsize',15) Resultatet er vist i gur 2. Mye tyder på at brøken går mot null når x blir stor altså at γ-funksjonen vokser raskere enn eksponentialfunksjonen. Vi ser også at brøken er maksimal for x 2.2. Oppgave 2 Intevallhalveringsmetoden cos x. a) Selv om likninga ser ganske enkel ut, har vi ingen teknikker for å løse denne med papir og blyant. b) Vi plotter: >> x=0:1e-2:3; >> y1=sqrt(x); >> y2=cos(x); >> plot(x,y1,'linewidth',2) >> hold on >> plot(x,y2,'r','linewidth',2) >> grid on >> hold off >> set(gca,'fontsize',15) >> legend('sqrt(x)','cos(x)') Resultatet ser vi i gur 3. Det kan se ut som at løsninga skal ligge i nærheten av 0.65. 4

Figur 3: Plot av grafen til x og til cos x. I plottet til høgre har vi zoomet inn skjæringspunktet. c) Vi kan skrive likninga som x cos 0, eller f(x) = 0 der f(x) = x cos x. Vi ser at f(0) = 0 cos 0 = 1 < 0 og ( π ) π f = 2 2 cos π π 2 = 2 > 0. Altså har f(x) ulike fortegn for 0 og π/2. Siden f er kontinuerlig, må den krysse x-aksen (y = 0) for (minst) en eller annen verdi mellom 0 og π/2 1. d) Vi setter i gang (kommentarene er der bare for å forklare hva vi gjør, vanligvis har det ikke så mye for seg å kommentere kommandoer utført i kommandovinduet): >> a=0; % Bestemmer a >> b=pi/2; % Bestemmer b >> Fa=sqrt(a)-cos(a); % Funksjonsverdiene >> Fb=sqrt(b)-cos(b); >> Fa*Fb % Kontrollerer at f(a) og f(b) har ulike fortegn -1.2533 >> c=(a+b)/2; % Midtpunktet >> Fc=sqrt(c)-cos(c); % Funksjonsverdien i midpunktet >> Fa*Fc % Ser om f(a) og f(b) har samme fortegn 1 Denne sammenhengen kalles skjæringssetninga. 5

-0.1791 >> b=c; % Siden de ikke har det, setter vi ny b til å være c >> c=(a+b)/2; % Nytt midtpunkt og funksjonsverdi >> Fc=sqrt(c)-cos(c); >> Fa*Fc % Sjekker fortegnene igjen 0.2972 >> a=c; % Siden f(a) og f(c) har samme forteng, lar vi ny a vere c >> c=(a+b)/2; >> Fc=sqrt(c)-cos(c); >> Fa*Fc 0.0640 >> a=c; >> c=(a+b)/2; >> Fc=sqrt(c)-cos(c); >> Fa*Fc -0.0560 >> b=c; >> c=(a+b)/2 % Nå har vi gjort dette nok; vi regner ut sluttsvaret c = 0.6381 Når vi gjør mange gjentakelser på denne måten, er det viktig å bruke piltastene for alt de er verd. Men selv om vi gjør dette, blir dette fort ganske kjedelig... Etter å ha gjentat prosedyren re ganger, har vi kommet fram til det tinærma svaret x 0.6381. e) Vi velger å gjøre 10 iterasjoner i stedet for 4. Da får vi et mer nøyaktig svar. Metoden kan implementeres slik: 1 % Implementering av intervallhalveringsmetoden for likninga 2 % sqrt(x)-cos(x)=0 med a=0 og b=pi/2 som start-grenser 3 4 % Grenser 6

5 a=0; 6 b=pi/2; 7 8 % Funksjonsverdier 9 Fa=sqrt(a)-cos(a); 10 Fb=sqrt(b)-cos(b); 11 12 % Starter for-løkke som kjøres 10 ganger 13 for i=1:10 14 c=(a+b)/2; % Midtpunktet 15 Fc=sqrt(c)-cos(c); % Funksjonsverdi i midtpunktet 16 if Fa*Fc<0 17 b=c; % Setter ny b til c 18 else 19 a=c; % Setter ny a til c 20 end 21 end 22 23 % Regner ut nytt midtpunkt og skriver svaret til skjerm 24 x=(a+b)/2 Vi har kalt det IntervallHalvering.m. I kommandovinduet gir det følgende svar: >> IntervallHalvering 0.6420 Du må ikke bli for frustret om dette ikke går på første forsøk. Det er veldig vanlig å gjøre små feil, enten det er feil i logikken eller trykkfeil, som gjør at ting ikke fungerer med en gang. Når dette skjer, les feilmeldinga du får i MATLAB og se om du kan rette den opp. Vi plotter f(x) sammen med nullpunkts-kandidaten vår: >> xvektor=0:1e-2:3; >> fvektor=sqrt(xvektor)-cos(xvektor); >> plot(xvektor,fvektor,'linewidth',2) >> grid on >> hold on >> plot(x,0,'ro','linewidth',2) >> hold off >> set(gca,'fontsize',15) Som vi ser, gur 4, ser dette ut til å stemme ganske bra med den nøyaktigheten vi har i plottet. 7

Figur 4: Plott som viser f(x) = x cos x sammen med nullpunktet vi fant i oppgave 2e). f) I vårt skript skal altså linje 13 erstattes med while abs(b-a)>1e-3. Vi gjør det, og kjører skriptet igjen: >> IntervallHalvering 0.6416 Vi kk et noe annet svar. Selv om vi ikke vet om dette svaret er mer eller mindre nøyaktig enn det svaret vi kk i e), har dette svaret en klar fordel: Vi vet at feilen ikke er større enn 0.001. Eller, siden vi har regna ut midtpunktet mellom a- og b-verdiene vi kk til slutt, vet vi at feilen er mindre enn 0.0005. while-løkka har nemlig kjørt helt til intervallet [a, b] har bredden 0.001. Selvsagt kan vi sette dette tallet enda lavere og få et mer nøyaktig svar. Om vi endrer linja til while abs(b-a)>1e-5, får vi dette svaret: >> format long >> IntervallHalvering 0.641716294950902 Her har vi skrevet ut svaret vårt med litt ere desimaler. Dette poenget står ganske sentralt i kurset: Selv om vi bare nner en tilnærma løsning, 8

kan vi få løsninga til å være så nøyaktig som vi selv måtte ønske. Og da er det kanskje ikke så farlig at den ikke er eksakt... g) 2x 4 Vår nye f(x) blir altså f(x) = 2x x 4. Siden f(0) = 4 og f(4) = 2, og f er kontinuerlig, må f ha minst ett nullpunkt på intervallet [0, 4]. Vi justerer a og b tilsvarende i linje 5 og 6, og oppdaterer f(x) i linje 9, 10 og 15. I while-linja beholder vi nøyaktigheten 10 5. Med disse endringene blir skriptet vårt seende slik ut: 1 % Implementering av intervallhalveringsmetoden for likninga 2 % 2x-sqrt(x)-4=0 med a=0 og b=4 som start-grenser 3 4 % Grenser 5 a=0; 6 b=4; 7 8 % Funksjonsverdier 9 Fa=2*a-sqrt(a)-4; 10 Fb=2*b-sqrt(b)-4; 11 12 % Starter for-løkke som kjøres 10 ganger 13 %for i=1:10 14 while abs(b-a)>1e-5 15 c=(a+b)/2; % Midtpunktet 16 Fc=2*c-sqrt(c)-4; % Funksjonsverdi i midtpunktet 17 if Fa*Fc<0 18 b=c; % Setter ny b til c 19 else 20 a=c; % Setter ny a til c 21 end 22 end 23 24 % Regner ut nytt midtpunkt og skriver svaret til skjerm 25 x=(a+b)/2 Vi kjører skriptet og får (med mange desimaler) >> IntervallHalvering 2.843067169189453 Likninga kan løses eksakt. Det er en andregradslikning ikke i x men i 9

x. Om vi lar u = x, slik at u 2, får vi 2u 2 u 4 = 0 u = ( 1) ± ( 1) 2 c 2 ( 4) 2 2 1 + 33 4 ( 1 + ) 2 ( ) 2 33 1 + 33 = 4 16 = 1 ± 33 4 Vi har her benyttet oss av at x ikke kan være negativ. Vi sammenligner løsninga vår med det eksakte svaret: >> Eksakt=(1+sqrt(33))^2/16; >> x-eksakt -3.1616e-06 Feilen er alstå 3.16 10 6. Det må vel kunne sies å være godkjent. h) Vi lager ei funksjonsl som implementerer f(x). Vi kan godt velge å bruke den siste funksjonen, 2x x 4: 1 function f=funktilinthalv(x) 2 3 % Funksjon som vi skal finne nullpunktet til 4 % Blir brukt av skriptet IntervallHalvering 5 6 %f=sqrt(x)-cos(x); 7 f=2*x-sqrt(x)-4; Her ser vi også at vi har gamle-funsjonen, f(x) = x cos(x) på lur; det er fort gjort å kommentere inn denne og ut den andre (Ta bort prosenttegnet i linje 6 og sett det inn i linje 7). Vi kan nå referere til denne funksjonen i intervallhalverings-skriptet vårt (linje 12, 13 og 19): 1 % Implementering av intervallhalveringsmetoden for likninga 2 % FunkTilIntHalv(x)=0, der funksjonen er gitt i ei eiga 3 % Funksjonfil. a og b er start-grensene for metoden. 4 5 % Grenser 6 a=0; 7 b=4; 8 9 % Presisjon 10 Pres=1e-5; 10

11 12 % Funksjonsverdier 13 Fa=FunkTilIntHalv(a); 14 Fb=FunkTilIntHalv(b); 15 16 % Starter for-løkke som kjøres 10 ganger 17 %for i=1:10 18 while abs(b-a)>pres 19 c=(a+b)/2; % Midtpunktet 20 Fc=FunkTilIntHalv(c); % Funksjonsverdi i midtpunktet 21 if Fa*Fc<0 22 b=c; % Setter ny b til c 23 else 24 a=c; % Setter ny a til c 25 end 26 end 27 28 % Regner ut nytt midtpunkt og skriver svaret til skjerm 29 x=(a+b)/2 På den måten er det enklare å oppdatere skriptet når vi skal løyse andre likninger senere. Her har vi også denert presisjonen, Pres, i ei eiga linje (linje 9). Variabelen Pres dukkar opp igjen i while-linja (linje 17). 11