Kap 5 Laplace transformasjon. La f(t) være definert for t 0. Laplace transformasjonen er. F (s) = f(t)e st dt (1)

Like dokumenter
TMA4135 Matematikk 4D Høst 2014

Løsningsforslag eksamen i TMA4123/25 Matematikk 4M/N

EKSAMEN I TMA4120 MATEMATIKK 4K, LØSNINGSFORSLAG

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

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

Forelesning Matematikk 4N

TMA Matematikk 4D Fredag 19. desember 2003 løsningsforslag

Løsningsførslag i Matematikk 4D, 4N, 4M

Generelle teoremer og definisjoner TMA4120 Matematikk 4K - NTNU

2 Fourierrekker TMA4125 våren 2019

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Fakta om fouriertransformasjonen

UNIVERSITETET I BERGEN

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Onsdag 7. september 2001, kl Løysingsforslag:

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MATEMATIKK 4N,

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

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

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

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

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del A: Laplacetransformasjon, Fourieranalyse og PDL

13.1 Fourierrekker-Oppsummering

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

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

Eksamensoppgave i TMA4130/35 Matematikk 4N/4D

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

(s + 1) s(s 2 +2s+2) : 1 2 s s + 2 = 1 2. s 2 + 2s cos(t π) e (t π) sin(t π) e (t π)) u(t π)

y = x y, y 2 x 2 = c,

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

IR Matematikk 1. Utsatt Eksamen 8. juni 2012 Eksamenstid 4 timer

EKSAMEN i MATEMATIKK 30

Eksamensoppgave i TMA4125 BARE TULL - LF

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

EKSAMENSOPPGAVER MATEMATIKKDELEN AV TMA4135 MATEMATIKK 4D H-03

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

MAT jan jan jan MAT Våren 2010

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

differensiallikninger-oppsummering

Oversikt over Matematikk 1

Oppgaver og fasit til seksjon

Løsningsforslag Eksamen i MA1102/MA6102 Grunnkurs i analyse II 17/

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D: Løysing

EKSAMEN BOKMÅL STEMMER. DATO: TID: OPPG. SIDER: VEDLEGG: 3 desember :00-13: FAGKODE: IR Matematikk 1

Definisjoner og løsning i formel

Optimal kontrollteori

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Eksamen i emnet MAT111/M100 - Grunnkurs i matematikk I Mandag 15. desember 2003, kl (15) LØYSINGSFORSLAG OPPGÅVE 2:

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Eksamensoppgave i TMA4125 Matematikk 4N

Eksamensoppgåve i TMA4135 Matematikk 4D

LØSNINGSFORSLAG TIL SIGNALBEHANDLING 1 JUNI 2010

Eksamen i TMA4130 Matematikk 4N

UNIVERSITETET I BERGEN

EKSAMEN. 3. klassene, ingenørutdanning. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og formelark)

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

Forelesningsplan M 117

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

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

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

The full and long title of the presentation

9 + 4 (kan bli endringer)

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

IR Matematikk 1. Eksamen 8. desember 2016 Eksamenstid 4 timer

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


EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del B: Kompleks analyse

Løsningsforslag til Mat112 Obligatorisk Oppgave, våren Oppgave 1

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

Løsningsforslag. og B =

(Noter at studenter som innser at problemet er symmetrisk for x og y og dermed

1.1.1 Rekke med konstante ledd. En rekke med konstante ledd er gitt som. a n (1) n=m

Randkurva C til flata S orienteres positivt sett ovenfra, og kan parametriseres ved: r (t) = [ sin t, cos t, sin t] dt, 0 t 2π.

Løsningsforslag eksamen 18/ MA1102

EKSAMEN. Valgfag, ingeniørutdanning (3. klasse). ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark.)

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

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

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamensoppgave i TMA4125 EKSEMPELEKSAMEN - LF

Forelesning nr.13 INF 1410

MAT Grublegruppen Uke 37

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

TMA4120 Matematikk 4K Høst 2015

MA1410: Analyse - Notat om differensiallikninger

Forelesning Matematikk 4N

Øvelse, eksamensoppgaver MAT 1050 mars 2018

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

UNIVERSITETET I BERGEN Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i MAT111 Grunnkurs i matematikk I Løsningsforslag

arbeid - massesenter - Delvis integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Seksjonene 9.6-7: Potensrekker og Taylor/Maclaurinrekker

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Oppfriskningskurs i matematikk 2008

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del B: Kompleks analyse

Transkript:

Kap 5 aplace transformasjon a f(t) være definert for t 0. aplace transformasjonen er F (s) = 0 f(t)e st dt (1) for alle s C der dette er veldefinert. Tilstrekkelig betingelse: f(t) stykkevis kontinuerlig på endelige interval. Det finnes konstanter M og k slik at f(t) Me kt for alle t 0. Da er 1 veldefinert for alle s med reell del større enn k. Eksempel: Finn {f(t)} for f(t) = e αt, t 0. F (s) = = 0 0 = 1 s α. e αt e st dt = 1 α s e(α s)t 0 e (α s)t dt

Invers aplace transformasjon Dersom F (s) er aplace transformasjon av f(t), så vil f(t) = 1 F (s)e st ds 2πi der C er ei linje i det komplekse planet til høyre for alle singulariteter til F (s), som deler planet vertikalt. Valg at rett linje, og parametrisering av denne gir f(t) = 1 2π C F (c 0 + iω)e (c 0+iω)t dω Vi beregner invers transformasjon ved bruk at tabeller: F (s) gjenkjennes som {f(t)}, slik at 1 {F (s)} = f(t).

Nyttige resultater 1. {af(t) + bg(t)} = a {f(t)} + b {g(t)} { e at} = 1 s a {t a Γ(a + 1) } = s a+1 (For heltall a: Γ(a + 1) = a!) Eksempel: {cos ωt} + i {sin ωt} = {cos ωt + i sin ωt} Slik at {cos ωt + i sin ωt} = { e iωt} = = = 1 s iω s + iω (s iω)(s + iω) s s 2 + ω + i ω 2 s 2 + ω 2.

Nyttige resultater 2 { e at f(t) } = F (s a) {f(t a)u(t a)} = e as F (s) { } f (n) (t) = s n F (s) s n 1 f (0) (0)... s 0 f (n 1) (0) { t } f(τ)dτ = 1 s F (s) 0 Vi betrakter δ(t a) som derivert av u(t a) siden {δ(t a)} = s 1 s e as = s {u(t a)} u(0). Eksempel: Transformasjon av integral/differensiallikninger y + ay + by + c t 0 y(τ)dτ = r(t) s 2 Y sy(0) y (0) + asy ay(0) + by + c 1 s Y = R Altså Slik at Y (s) ( s 2 + as + b + c 1 ) s y(t) = 1 { = R(s) + (s + a) y(0) + y (0) } R(s) + (s + a) y(0) + y (0) ( s2 + as + b + cs) 1.

Nyttige resultater 3 der {f g(t)} = F (s)g(s) f g(t) = t 0 f(τ)g(t τ)dτ. Dersom g og f settes til 0 for negative t kan vi skrive Eksempel: Finn f g(t) = f(τ)g(t τ)dτ. { } R(s) 1 s 2 + as + b { } { } R(s) 1 = 1 1 s 2 + as + b (s α 1 )(s α 2 ) R(s) {( ) } A = 1 (s α 1 ) + B R(s) (s α 2 ) { } A = 1 (s α 1 ) R(s) + B (s α 2 ) R(s) = A = t 0 t 0 e α 1τ r(t τ)dτ + B t (Ae α 1τ + Be α 2τ ) r(t τ)dτ. 0 e α 2τ r(t τ)dτ

Kapittel 10 Fouriertransformasjon a f(t) 2 dt < (f er kvadratisk integrerbar). Kontinuelig Fouriertransformasjon defineres ved ˆf(ω) = 1 2π f(t)e iωt dt. Tilstrekkelig betingelse for eksistens er at f er stykkevis kontinuelig på endelige intervall. Invers Fouriertransformasjon er gitt ved f(t) = 1 2π Merk: Dersom f(t) = 0 for t < 0. ˆf(ω)e iωt dω. Dersom F (s) er definert for s med reell del lik 0. Da vil F (iω) = 2π ˆf(ω). Følgelig blir mye regning den samme F F {f (t)} = iω { ˆf(ω) t } f(τ)dτ = 1 iω ˆf(ω) { F {f g(t)} = F } f(τ)g(t τ)dτ = 2π ˆf(ω)ĝ(ω).

Fysisk tolkning: ω2 ω 1 f(ω) 2 dω uttrykker energiinnhold i signalet mellom frekvensene ω 1 og ω 2. Invers Fouriertransformasjon gir at: et signal er satt sammen av ulike frekvenserkomponenter... Dette framkommer også fra Parseval: f(t) 2 dt = ˆf(ω) 2 dω Eksempel: Masse-fjær-system med ytre kraft r(t) beskrives av my + cy + ky = r(t) Fouriertransformasjon av likninga gir ω 2 mŷ(ω) + iωcŷ(ω) + kŷ(ω) = ˆr(ω) 1 ŷ(ω) = ω 2 m + iωc + k ˆr(ω). Resonansfrekvensen til systemet finnes for c = 0 ved ω 2 m + k = 0. Vi ser at systemet filtrerer ut frekvenser i nærheten av frekvensen ω = k m c2 2m 2.

Fourierrekker a f(x) være definert ved f(x) = a 0 + n=1 Da er f(x) periodisk med periode 2. a n cos nπx + b n sin nπx a f(x) være periodisk med periode 2, stykkevis kontinuelig, og slik at høyre og venstre deriverte til f(x) eksisterer i hvert punkt i intervallet [, ]. Da vil f(x) = a 0 + n=1 i punkter der f(x) er kontinuelig. Viktige resultat: cos mπx cos mπx sin mπx nπx sin a n cos nπx dx = 0 nπx cos dx = nπx sin dx = Dette brukes til å finne formler for a n og b n. + b n sin nπx { 0, for m n, { for m = n 1 0, for m n, for m = n 1

Periodiske utvidelser a f(x) være gitt for 0 < x <. Periodisk utvidelse: { f(x), for 0 < x < f(x) = f(x 2πk), for k s.a. 0 < x 2πk < ellers. Odde periodisk utvidelse: f(x), for 0 < x < f(x) = f( x), for < x < 0 f(x 2πk), for k s.a. < x 2πk < ellers. ike periodisk utvidelse: f(x), for 0 < x < f(x) = f( x), for < x < 0 f(x 2πk), for k s.a. < x 2πk < ellers. Siden vi er interesert i Fourierrekkeutvikling, og Fourierrekker ikke påvirkes av verdien til funksjonen i ett punkt, spiller det liten rolle hva vi definerer funksjonen til å være i endepunktene 0 og.

Komplekse Fourierrekker Eulers formel gir at Fourierrekka kan skrives som f(x) = c n e inπx der Dersom vi lar n= c n = 1 f(x)e inπx dx. 2 ˆf( nπ ) = 2c n blir ˆf( nπ ) = 1 2 f(x) = 1 2 n= f(x)e inπx dx ˆf( nπ )einπx. Vi har altså en Fouriertransform for periodiske signaler. Periodiske signaler består av et diskret sett frekvenser. Fouriertransform som definert i kapittel 10.10 er gjelder ikke for periodiske signaler, da disse ikke er kvadratisk integrerbare. Denne diskrete varianten kan brukes på differensiallikninger med periodiske funksjoner.

Eksempel: øs my + cy + ky = r(t), der r(t) er periodisk med periode 2. Fouriertransformasjon gir ( m i nπ ) 2 nπ ŷ( ) + cinπ ŷ(nπ ) + kŷ(nπ ) = ˆr(nπ ) ŷ( nπ ) = ˆr( nπ ) m( nπ )2 + ic nπ + k y(t) = 1 ˆr( nπ ) keinπ 2 m( nπ n= )2 + ic nπ + x y(t) = n= c n m( nπ )2 + ic nπ + kei der c n er de komplekse Fourierkoeffisientene til r(t). nπ x

Kapittel 11: Partsielle differensiallikninger ikning med deriverte mhp. flere variabler: u x + u yx = 0 Viktige likninger for oss: bølgelikninga: c 2 u xx u tt = 0. varmelikninga: c 2 u xx u t = 0. aplace sin likning: u xx + u yy = 0. Separasjon av variabler øsningsmetode som setter sammen en løsning av mange enklere løsninger. Fungerer ikke alltid. Den fungerer bare dersom den underliggende antakelsen om at u(x, t) = n c nf n (x)g n (t) er riktig.

Eksempel: (bølgelikninga) u xx 1 c 2u tt = 0, for 0 < x <, t > 0 u(x, 0) = f(x), u t (x, 0) = g(x), u(0, t) = u(, t) = 0. 1. Anta løsning på formen u(x, t) = F (x)g(t). 2. Sett inn i likninga F xx G 1 c 2F G tt = 0 3. Separer i to likninger 4. øs disse likningene F xx F = 1 c 2 G tt G = k F (x) = c 1 e kx + c 2 e kx G(t) = c 3 e c kt + c 4 e c kt

5. Tilpass randbetingelsene. u(0, t) = 0 = F (0)G(t) F (0) = 0 u(, t) = 0 = F ()G(t) F () = 0 Derfor gir bare k = p 2 interessant løsning: F (x) = a 1 cos(px) + b 1 sin(px) G(t) = a 2 cos(pct) + b 2 sin(pct) Randkrav tilfredsstilt for p = nπ og a 1 = 0 øsning derfor u n (x, t) = sin nπx ( a n cos nπct 6. Bruk superposisjonsprinsippet u(x, t) = u n (x, t) = sin nπx n=1 n=1 + b n sin nπct ). ( a n cos nπct 7. Tilfredsstill initsialbetingelsene ( nπx ) u(x, 0) = a n sin = f(x) n=1 nπc ( nπx ) u t (x, 0) = b n sin = g(x). n=1 + b n sin nπct ). 8. Finner a n og b n. I dette tilfellet er a n Fourierkoeffisienter til odde periodisk utvidelse av f(x), og nπc b n Fourierkoeffisienter til odde periodisk utvidelse av g(x). Viktig å forstå framgangsmåten, da den kan brukes på også andre likninger, eksempelvis varmelikninga.

Fouriertransformasjon Eksempel: u xx 1 c 2u tt = 0, for < x <, t > 0 u(x, 0) = f(x), u t (x, 0) = g(x). 1. Fouriertransformer likninga med hensyn på x. (ik) 2 û(k, t) 1 c 2û(k, t) tt = 0 c 2 k 2 û(k, t) û(k, t) tt = 0 2. øser denne ordinære differensiallikninga. û(k, t) = a(k)e ikct + b(k)e ikct 3. Fouriertransformerer initsialbetingelsene og tilpasser disse û(k, 0) = a(k) + b(k) = ˆf(k) û t (k, 0) = ikca(k) ikcb(k) = ĝ(k) Altså blir a(k) = 1 ( ˆf(k) + 1 2 c slik at û(k, t) = 1 ( ˆf(k) + 1 2 c ) ĝ(k) b(k) = 1 ( ˆf(k) 1 ik 2 c ) ĝ(k) e ikct + 1 ( ˆf(k) 1 ik 2 c ) ĝ(k) ik ) ĝ(k) e ikct. ik

4. øsningen finner vi ved invers Fouriertransform mhp. k. u(x, t) = 1 2π = 1 2π + 1 2π = 1 2 f(x + ct) + 1 2c + 1 2 f(x ct) 1 2c u(k, t)e ikx dk ( 1 ˆf(k) + 1 ) ĝ(k) e i(x+ct)k dk 2 c ik ( 1 ˆf(k) 1 ) ĝ(k) e i(x ct)k dk 2 c ik x+ct x+ct g(ξ)dξ g(ξ)dξ = 1 2 [f(x + ct) + f(x ct)] + 1 2c x+ct x ct g(ξ)dξ Tilsvarende kan gjøres for andre likninger, eksempelvis varmelikninga.

Kapittel 12: Komplekse tall generelle regneregler grenseverdier derivasjon hva er en analyttisk funksjon? hvordan brukes Cauchy-Riemann-likningene? spesielle komplekse funksjoner: e z, ln z, sin z,...

Kapittel 13: Kompleks integrasjon Hvordan definerer vi det komplekse linjeintegralet? Hvordan løses slike integral? Bruk av M-ulikheten Bruk av Cauchys integralsetning f(z)dz = 0 når f er analyttisk og C er enkel, lukket kurve. C Hvordan brukes Cauchys integralsetning når området ikke er enkeltsammenhengende? Cauchys integralformel: 2πif(z 0 ) = C f(z) z z 0 dz Også generaliseringen til de deriverte: 2πi n! f (n) f(z) (z 0 ) = (z z 0 ) n+1dz C

Kapittel 14: Komplekse rekker Konvergenstest: hva menes med konvergens, og absolutt konvergens? Forholdstesten for generelle rekker, og anvendt på potensrekker er spesielt viktig. Hva er konvergensradius for potensrekke? Når har en kompleks funksjon ei Taylorrekke? Hvordan finner vi Taylorrekker?

Kapittel 15: aurentsrekker og Residue Hva er ei aurentsrekke? Hvordan finner vi denne? Hva er et Residue? Hvordan finner vi Residuet til en funksjon? Bruk av Residue til å utføre lukkede kurveintegral. Bruk av Residue til å utføre integral, eksempelvis reelle integral av typen f(x)dx I denne sammenhengen er M-ulikheten viktig. Merk at Fouriertransformen er også et type integral som av og til kan løses enklest ved Residue-regning.