1 Mandag 1. februar 2010

Like dokumenter
Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

Følger og rekker. Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. November 10, 2014

Løsningsforslag eksamen 18/ MA1102

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

= x lim n n 2 + 2n + 4

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

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag. Avgjør om følgende rekker konvergerer. Finn summen til de rekkene som konvergerer. a) 2 2n /3 n

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

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

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

TMA4100 Matematikk 1 for MTDESIG, MTIØT-PP, MTMART og MTPROD høsten 2010

Seksjonene 9.6-7: Potensrekker og Taylor/Maclaurinrekker

Løsningsforslag til Mat112 Obligatorisk Oppgave, våren Oppgave 1

UNIVERSITETET I BERGEN

Velkommen til oversiktsforelesninger i Matematikk 1. med Jørgen Endal

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag: Eksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Uendelige rekker. Konvergens og konvergenskriterier

Løsningsforslag Eksamen M100 Høsten 1998

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til Eksamen i MAT111

Seksjonene 9.6-7: Potensrekker og Taylor/Maclaurinrekker

Rekker, Konvergenstester og Feilestimat

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

3.1 Første ordens lineære difflikninger. y + f(x)y = g(x) (3.1)

Potensrekker. Binomialrekker

Høgskolen i Agder Avdeling for realfag EKSAMEN

Tallfølger er noe av det første vi treffer i matematikken, for eksempel når vi lærer å telle.

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 11/5-15/5

UNIVERSITETET I OSLO

MAT Grublegruppen Uke 37

UNIVERSITETET I OSLO

Terminprøve R2 våren 2014

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

UNIVERSITETET I OSLO

Sammendrag R mai 2009

n=0 n=1 n + 1 Vi får derfor at summen er lik 1/2. c)

MAT jan jan jan MAT Våren 2010

x 3 x x3 x 0 3! x2 + O(x 7 ) = lim 1 = lim Denne oppgaven kan også løses ved hjelp av l Hôpitals regel, men denne må da anvendes tre ganger.

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

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

Oversikt over Matematikk 1

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag. og B =

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

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

MAT 1001, Høsten 2009 Oblig 2, Løsningsforslag

MAT feb feb mars 2010 MAT Våren 2010

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 15/11-19/11

Forelesning Matematikk 4N

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit, Separable differensiallikninger.

Løsningsforslag eksamen i TMA4100 Matematikk desember Side 1 av 7

Forelesning Matematikk 4N

1 Mandag 22. februar 2010

Difflikninger med løsningsforslag.

Test, 2 Algebra. Innhold. 2.1 Tallfølger. R2, Algebra Quiz

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

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

Eksamensoppgave i MA1101 Grunnkurs i analyse

UNIVERSITETET I OSLO

Oblig 1 - vår 2015 MAT1012

Newtons metode - Integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Generelle teoremer og definisjoner MA1102 Grunnkurs i analyse II - NTNU

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

EKSAMEN. Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Morten Brekke. Klasser: (div) Dato: 18. feb Eksamenstid:

Notat om trigonometriske funksjoner

SIF5003 Matematikk 1, 5. desember 2001 Løsningsforslag

Eksamen R2, Våren 2011 Løsning

R2 eksamen høsten 2017 løsningsforslag

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

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

Kalkulus 1. Et sentralt begrep i kalkulus (matematisk analyse) er grensebegrepet. Ofte ser vi på grenser for funksjoner eller grenser for tallfølger.

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

Taylorpolynom (4.8) f en funksjon a et punkt i definisjonsmengden til f f (minst) n ganger deriverbar i a Da er Taylorpolynomet til f om a

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

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

TMA4100 Matematikk1 Høst 2009

En (reell) funksjon f fra en (reell) mengde D er en regel som til hvert element x D tilordner en unik verdi y = f (x).

EKSAMEN. Hans Petter Hornæs og Britt Rystad

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I BERGEN

UNIVERSITETET I BERGEN

Eksamen R2 høst 2011, løsning

2 n+2 er konvergent eller divergent. Observer først at; 2n+2 2 n+2 = n=1. n=1. 2 n > for alle n N. Denne summen er.

Velkommen til eksamenskurs i matematikk 1

Løsningsforslag til underveisvurdering i MAT111 vår 2005

Litt om numerisk integrasjon og derivasjon og løsningsforslag til noen ekstraoppgaver MAT-INF 1100 uke 48 (22/11-26/11)

Numerisk løsning av differensiallikninger Eulers metode,eulers m

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag midtveiseksamen Mat 1100

Derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 2. september 2011

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

Transkript:

Mandag. februar 200 I dag skal vi fortsette med rekkeutviklinger som vi begynte med forrige uke. Vi skal se på litt mer generell rekker og vurdere når de konvergerer, bl.a. gi et enkelt kriterium. Dette skal vi bruke til å regne ut Taylorrekker for noen utvalgte funksjoner, bl.a. eksponensialfunksjonene, sin x og cos x. Når vi slår sammen disse kan vi bevise formelen som gir overgangen mellom normalform og polarform for et komplekst tall. Rekker Uendelige rekker Konvergens Konvergenskriterier Eksempler, desimalutvikling av R, e ix, sin x, cos x For hver n har vi delsummer Vi lar n og får en uendelig rekke S n = a + a 2 + + a n = S = a + a 2 + = mao. vi har følgende definisjon av en uendelig rekke; Definisjon.. La a, a 2,... være reelle tall. Den uendelige tallfølgen kalles en uendelig rekke. i= n i= S = a, S 2 = a + a 2, S 3 = a + a 2 + a 3,..., a i a i Eksempel.2. Geometrisk rekke Harmoniske rekke Alternerende harmonisk rekke + 2 + ( 2 )2 + ( 2 )3 +... + 2 + 3 + 4 +... 2 + 3 4 +... Det er alltid et problem å legge sammen uendelig mange ledd. Hver delsum av rekka er et helt ok tall, men hele den uendelige rekka er formelt bare en rekke og ikke noe tall. Dersom vi kan tilordne en grenseverdi til den uendelige rekka, sier vi at dette er summen av de uendelig mange leddene (men det er formelt sett ikke det!). Formaliseringen av spørsmålet om rekka har en sum eller ikke ligger i den følgende definisjonen. Definisjon.3. Vi sier at en uendelig rekke S = lim n S n = a + a 2 + = i= a i konvergerer dersom følgen av delsummer {S n } går mot en grenseverdi. divergerer. I motsatt fall sier vi at rekka

Vi har + k + k 2 + k 3 + = k for k < som gir konvergens av geometriske rekker for k <, mens vi har divergens for k. Den harmoniske rekka + 2 + 3 + 4 +... divergerer, mens den alternerende harmonisk rekka 2 + 3 4 + = l konvergerer. Merk at dersom en rekke a n konvergerer, så vil a n 0 når n. Det mest grunnleggende resultatet om konvergens er det som kalles sammenlikningskriteriet, Teorem.4. Dersom vi for et positivt tall c har a n cb n for alle n, så vil konvergens av b n medføre konvergens av a n. Motsatt, så vil divergens av a n medføre divergens av b n. Eksempel.5. Rekka cos nω cos nω 2 konvergerer siden og den geometriske rekka konvergerer. n Eksempel.6. Betrakt rekka gitt ved Side n n 2 2n, så vil n= n= 2 n n 2 n n 2 Den største rekka konvergerer og da vil også den mindre rekka konvergere, men vi kan ikke regne ut grenseverdien. Rekka ser for øvrig slik ut n= Teorem.7. La a n, b n > 0 for alle n og anta at n= 2 n 2 n n = + 2 + 5 + 2 + 27 + 58 + 2 +... a n lim = n b n Da konvergerer a n hvis og bare hvis b n konvergerer. Eksempel.8. Betrakt rekka 6n+. Siden vi har lim n 6n+ så vil de to rekkene 6m+ og = lim n 6n + = lim n 6 n + = enten begge konvergere eller divergere. Teorem.9. La f(x) være en positiv, avtagende funksjon, definert for alle x. For alle n lar vi s n = n f(k) og t n = k= n f(x) dx Da vil de to følgene {s n } og {t n } begge konvergere eller begge divergere. 2

Eksempel.0. Vi har sett at de to rekkene 6m+ og n enten begge konvergerer eller begge 2 divergerer. Nå har vi videre at n n s n = k 2 og t n = x 2 dx også begge enten konvergerer eller begge divergerer. Men integralet kan vi regne ut, t n = når n, og begge rekkene konvergerer. n k= x 2 dx = [ x ]n = n Eksempel.. Ved å se på det bestemte integralet som et areal er det lett å se at k+ k x dx < k Derfor vil den harmoniske rekka divergere siden den er større enn en divergent rekke, n+ x dx = n k+ k= k x dx < (Den venstre rekka er divergent siden integralet er lik ln (n + ) som opplagt går mot når n.) Det viktigste resultatet for altererende rekker er Leibniz konvergenskriterium Teorem.2. La {a n } være en følge av positive tall, slik at a n > a n+ og a n 0 når n. Da konvergerer den alternerende rekken ( ) n a n. Den alternerende harmoniske rekka konvergerer siden k 0 når k. Et annet eksempel på en konvergent alternerende rekke er ( ) k 2k+. Også her vil det generelle leddet gå mot 0. Vi har i dette tilfelle en vakker formel (som vi ikke skal bevise), k=0 n k= k ( ) k 2k + = 3 + 5 7 + = π 2 La a n og b n være konvergente rekker og la α, β være vilkårlige reelle tall. Da konvergerer også (αan + βb n ) og vi har (αan + βb n ) = α a n + β b n Merk at summen av en konvergent og en divergent rekke alltid er divergent, mens summen av to divergente rekker kan være enten konvergent eller divergent. Vi kan lage en funksjon i x av en geometrisk rekke, + x + x 2 + x 3 + = x for x < Dersom vi deriverer rekka ledd for ledd, vil den fortsatt konvergere for x <, og vi får + 2x + 3x 2 + 4x 3 + = ( x) 2 for x < 3

eller vi kan integrere ledd for ledd og får f.eks. x 2 x2 + 3 x3 4 x4 +... = ( x + x 2 x 3 +... ) dx = + x dx = ln + x Innsetting av x = gir formelen for summen av den alternerende harmoniske rekka. 2 + 3 4 + = l Eksempel.3. Vi kan skrive reelle tall som summer av rasjonale tall (og dermed gi en presis definisjon av uendelige desimaltall). La x = a, a a 2 a 3 a 4... være desimalutviklingen til et reellt tall. Det betyr at x = a + a 0 + a 2 0 2 + a 3 0 3 + = a + a k 0 k Eksempel.4. Minner om rekkeutvikling for eksponensialfunksjonen og for de trigonometriske funksjonene Setter vi inn ix for x i rekkeutviklingen for e x, får vi k= e x = + x + 2! x2 + 3! x3 + 4! x4 +... sin x = x 3! x3 + 5! x5 7! x7 +... cos x = 2! x2 + 4! x4 6! x6 +... e ix = + ix + 2! (ix)2 + 3! (ix)3 + 4! (ix)4 + 5! (ix)5 +... = + ix 2! x2 3! ix3 + 4! x4 + 5! ix5 +... = ( 2! x2 + 4! x4... ) + i(x 3! x3 + 5! x5... ) = cos x + i sin x dvs. at vi har e ix = cos x + i sin x 2 Onsdag 3. februar 200 Vi har allerede sett at vi kan bruke rekkeutviklinger av funksjoner til å gjøre estimater for funksjonsverdier. F.eks. gir rekkeutviklingen for cosinus og sinus oss mulighet til, med så stor nøyaktighet vi måtte ønske, å beregne verdien av disse funksjonene i et vilkårlig punkt. Og det fine er at det kan vi gjøre, bare ved bruk av de fire regneoperasjonene. I denne forelesningen skal vi se på en annen bruk av rekkeutvikling, nemlig til å løse differensiallikninger. Vi skal ta for oss to eksempler, først en DL vi kan løse eksakt, dernest en vi ikke klarer å løse eksakt med 4

våre tilgjengelige metoder. I begge tilfeller skal vi angripe likningene på flere forskjellige måter, bl.a. ved å bruke rekkeutvikling. Vi skal ta for oss to differensiallikninger. Den første er en første ordens lineær likning gitt ved y + y = e x y(0) = Den andre er også av første orden, men den er ikke lineær, gitt ved y y 2 = y(0) = 0 Vi betrakter likningen y + y = e x y(0) = Vi setter inn i formelen for løsning av slike likninger; y = e R dx (e x )e R dx dx = e x (e x )e x dx = e x ( e x ) dx = xe x + Ce x Setter vi inn for initialbetingelsen får vi = y(0) = 0 + C, dvs. C = 2, og den spesielle løsningen blir y = xe x + 2e x Vi ser fortsatt på likningen y + y = e x y(0) = Nå skal vi bruke en lineær approksimasjon av løsningen til å regne ut verdien av løsningen i nærheten av 0. Vi starter i et punkt (x 0, y 0 ) på løsningskurven, dvs. vi antar at dersom y = f(x) er en løsning av likningen, så er y 0 = f(x 0 ). Lineær approksimasjon baserer seg på formelen y n+ = y n + y (x n )(x n+ x n ) som er en god tilnærming når x n+ x n er liten. I vårt tilfelle er y (x n ) = e xn y n, så vi får formelen y n+ = y n + (e xn y n )(x n+ x n ) La oss si at vi er interessert i å beregne y(). Vi deler opp veien mellom 0 og i små deler og bruker lineær approksimasjon i hvert lille delintervall. I første forsøk lar vi antall deler være 0 og alle delintervallene like store. Det gir x 0 = 0, x = 0, x 2 = 2 0,..., x 9 = 9 0, x 0 = Bruker vi formelen y n+ = y n + (e xn y n )(x n+ x n ) og at (x 0, y 0 ) = (0, ) får vi y = + ( ) 0 = 0.9 y 2 = 9 00 + (e 9 9 0 ) 0 0.80 y 3 =... 5

og etter litt regning y() 0.0943. I andre forsøk lar vi antall deler være 00, fortsatt like store. Det gir og x 0 = 0, x = 00, x 2 = 2 00,..., x 99 = 99 00, x 00 = y = + ( ) 00 = 0.99 y 2 = 99 00 + (e 99 99 00 ) 00 0.98 y 3 =... Denne gangen blir svaret y() 0.027. En enda finere oppdeling, i 000 deler, gir oss y().035, så det kan virke som om vi begynner å nærme oss en rett verdi. I dette tilfellet har vi den eksakte verdien gitt, ved y() = e + 2 e = 3 e.036 Neste innfallsvinkel til å løse differensiallikningen er via rekkeutvikling. Likningen er fortsatt y + y = e x y(0) = Vi erstatter e x = ( ) n n! x n og får y ( ) n + y = ( x n ) n! Så lar vi y = a n x n, hvor vi ikke kjenner a n, men vi skal prøve å regne dem ut. Dette gir y = n a n x n og n a n x n + a n x n ( ) n = ( x n ) n! Nå kan vi sammenlikne koeffisientene foran like potenser av x i uttrykket Det gir n a n x n + a n x n ( ) n = ( x n ) n! a + a 0 = 2a 2 + a = 3a 3 + a 2 = 2 Siden vi vet at y(0) = a 0 = kan vi beregne alle a n. Vi får 4a 4 + a 3 = 6... a 0 =, a =, a 2 = 0, a 3 = 6, a 4 = 2, a 5 = 40, a 6 = 80... 6

Dette gir oss et Taylorpolynom av grad 6 for løsningen gitt ved Igjen kan vi regne ut verdien for x = ; T (x) = x + 6 x3 2 x4 + 40 x5 80 x6 y() T () = + 6 2 + 40 80 60 30 + 9 2 = 360 = 37 360.028 Vi ser så på likningen y y 2 = y(0) = 0 Her har vi ikke noen eksakt løsning å støtte oss på. Vi skal likevel bruke en lineær approksimasjon av løsningen til å regne ut verdien av løsningen i nærheten av 0. Vi starter i et punkt (x 0, y 0 ) på løsningskurven, dvs. vi antar at dersom y = f(x) er en løsning av likningen, så er y 0 = f(x 0 ). Lineær approksimasjon baserer seg fortsatt på formelen y n+ = y n + y (x n )(x n+ x n ) som er en god tilnærming når x n+ x n er liten. I vårt tilfelle er y (x n ) = (y n ) 2 +, så vi får formelen y n+ = y n + ((y n ) 2 + )(x n+ x n ) Igjen er vi interessert i å beregne y(). Vi deler opp veien mellom 0 og i små deler og bruker lineær approksimasjon i hvert lille delintervall. I første forsøk lar vi antall deler være 0 og alle delintervallene like store. Det gir x 0 = 0, x = 0, x 2 = 2 0,..., x 9 = 9 0, x 0 = Bruker vi formelen y n+ = y n + ((y n ) 2 + )(x n+ x n ) og at (x 0, y 0 ) = (0, 0) får vi y = 0 + (0 2 + ) 0 = 0. y 2 = 0. + (0. 2 + ) 0 = 0.20 y 3 =... og etter litt regning y().3964. I andre forsøk lar vi antall deler være 00, fortsatt like store. Det gir og x 0 = 0, x = 00, x 2 = 2 00,..., x 99 = 99 00, x 00 = y = 0 + (0 2 + ) 00 = 0.0 y 2 = 0.0 + (0.0 2 + ) 0 0.02 y 3 =... 7

Denne gangen blir svaret y().5370. En enda finere oppdeling, i 000 deler, gir oss y().5553, og nok en gang kan det virke som om vi begynner å nærme oss en rett verdi. Vi skal løse differensiallikningen via rekkeutvikling. Likningen er altså gitt ved y y 2 = y(0) = 0 Vi lar y = a n x n, hvor vi ikke kjenner a n, men vi skal prøve å regne dem ut. Dette gir y = n a n x n og n a n x n ( a n x n ) ( a n x n ) = Vi sammenlikner koeffisienter foran like grader av x og får a a 2 0 = 2a 2 + 2a 0 a = 0 3a 3 2a 0 a 2 a 2 = 0 4a 4 2a 0 a 3 2a a 2 = 0... Siden vi vet at y(0) = a 0 = 0 kan vi beregne alle a n. a 0 = 0, a =, a 2 = 0, a 3 = 3, a 4 = 0, a 5 = 2 5, a 6 = 0 a 7 = 7 35, a 8 = 0, a 9 = 62 2835, a 0 = 0, a = 382 55925,... Dette gir oss et Taylorpolynom av grad for løsningen gitt ved som gir T (x) = x + 3 x3 + 2 5 x5 + 7 35 x7 + 62 2835 x9 + 382 55925 x y() T () = + 3 + 2 5 + 7 35 + 62 2835 + 382 55925.55 3 Onsdag 0. februar 200 Oppgave 3.. a) Regn ut Taylorpolynomet av grad n til f(x) = ln x om a =. b) Vis at den tilsvarende Taylorrekka kovergerer når x <. Oppgave 3.2. konvergerer. a) Vis at rekka n= n(n + ) b) Prøv å regne ut summen av rekka. (Hint: Bruk delbrøkoppspalting.) 8

Oppgave 3.3. Regn ut summen av rekka Oppgave 3.4. konvergerer. b) Vis at rekka divergerer. a) Vis at rekka 4 8 3 + 6 9 32 27 +... + 2 2 + 3 2 + 4 2 +... 3 4 + 4 2 5 + 5 3 6 +... c) Undersøk om rekka konvergerer eller divergerer. 3 4 3 2 + 9 3 3 6 3 4 +... Oppgave 3.5. a) Bruk Taylorrekka til sin x til å vise likheten 2 = π 6 π3 3! 6 3 + π5 5! 6 5... Bruk kalkulator til å regne ut tre ledd på høyresiden for å godtgjøre formelen. b) Bruk samme metode til å skrive opp en tilnærming til 3. Bruk at cos π 6 = 3 2 og ta med tre ledd. Oppgave 3.6. Vi har gitt en differensiallikning y = 2xy y(0) = a) Finn en tilnærmet løsning for y( 2 ) ved rekkeutviklingsmetoden. Bruk n = 4 b) Finn en tilnærmet løsning for y( 2 ) ved lineær interpolasjon med 0 like store delintervaller. c) Finn en eksakt løsning ved å separere variable og sammenlikn svarene. 9