Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

Like dokumenter
Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Eksamen TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

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

SIF5025: Differensiallikninger og dynamiske systemer

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Kontinuasjonseksamen august 2010

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: August 6, r L2. r r. h 2 r 2 ) sin 2 θ φ.

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

TMA4165: Dierensiallikninger og dynamiske systemer

Løysingsframlegg øving 1

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Eksamen i fag TFY 4305 Ikkelineær dynamikk Onsdag 30. november 2005 Tid:

UNIVERSITETET I BERGEN

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

Løysingsforslag Eksamen MAT111 Grunnkurs i Matematikk I Universitetet i Bergen, Hausten 2016

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

FY1006/TFY Øving 12 1 ØVING 12. Vinkelfunksjonar, radialfunksjonar og orbitalar for hydrogenliknande. Y lm ; l = 0, 1, ; m = l,, l.

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: MAT-1003 Dato: Tirsdag 15. desember 2015 Tid: Kl 15:00 19:00 Sted: Åsgårdvegen 9

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

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Løysingsframlegg prøveeksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk

Institutt for Samfunnsøkonomi

FY1006/TFY Løysing øving 5 1 LØYSING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensial

Eksamen S1, Hausten 2013

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TMA4165 DIFFERENSIALLIGNINGER OG DYNAMISKE SYSTEMER

)*+!,*- ".%! /01 & 2 01 &!

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

Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

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

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar. h2 + V (x). (0.1) 2m dx 2

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

UNIVERSITETET I OSLO

Løsning Eksamensrelevante oppgaver i ELE 3719 Matematikk Vektorer, matriser og lineær algebra Dato Februar Oppgave 1. (A) Vi leser av at

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

Kalkulator, lærebok og formelsamling er lov. Handskrivne notat i lærebok og formelsamling er lov. Lause ark, med unntak av bokmerke, er ikkje lov.

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

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

1 Algebra og likningar

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, 8.juni 2010

UNIVERSITETET I OSLO. Løsningsforslag

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Onsdag 6. november 2002, kl Løysingsforslag:

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

Eksamensoppgåve i Løsningsskisse TMA4245 Statistikk

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

UNIVERSITETET I OSLO

Oppfriskningskurs i matematikk 2008

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1103, 2.mars 2010

5.5 Komplekse egenverdier

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

Matematikk 1000, 2012/2013. Eksamensaktuelle numerikk-oppgåver

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen 1T hausten 2015 løysing

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

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

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

x 2 2 x 1 =±x 2 1=x 2 x 2 = y 3 x= y 3

EKSAMEN. Emne: Metode 1: Grunnleggende matematikk og statistikk (Deleksamen i matematikk)

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 7 L SNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I SIF5009 MATEMATIKK 3 Bokmål Man

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i Ikkelineær dynamikk, fag TFY 4305 Onsdag 30. november 2005 Løsninger

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

Løsningsforslag til eksamen i MAT1110, 13/6-07

+ (y b) F y. Bruker vi det siste på likningen z = f(x, y) i punktet (a, b, f(a, b)) kan vi velge F (x, y, z) = f(x, y) z.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

1 Stokastisk variabel

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE TFY4125 FYSIKK

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Difflikninger med løsningsforslag.

Eksamensoppgåve i TMA4135 Matematikk 4D

I = (x 2 2x)e kx dx. U dv = UV V du. = x 1 1. k ekx x 1 ) = x k ekx 2x dx. = x2 k ekx 2 k. k ekx 2 k I 2. k ekx 2 k 1

Transkript:

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 01 Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: 73593131 Fredag 7. desember 01 kl. 09.00-13.00 Tilletne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator Rottmann: Matematisk Formelsamling Rottmann: Matematische Formelsammlung Barnett & Cronin: Mathematical Formulae Les oppgåvene nøye. Spør dersom noko er uklart. Lykke til. Oppgåve 1 Likninga for ein anharmonisk oscillator med demping kan skrivast som der b og k er reelle parametre. ẍ + bẋ kx + x 3 = 0, 1 a Dersom b > 0 har vi vanleg demping, der leddet bẋ kan tolkast som eit friksjonsledd. Dersom b < 0, har vi antidemping, det vil seie at vi tilfører systemet energi. Det lineære leddet kx kan tolkast som ei kraft der forteiknet 1

avgjer retninga. Dersom k < 0 har vi eit vanleg harmonisk ledd som verkar mot x = 0. Dersom k > 0 verkar den lineære krafta bort frå origo. Merk: Den kubiske leddet dominerer for store x og stabiliserer oscillatoren. Vi multipliserer likning 1 med ẋ og skriv likninga d dt [ 1 ẋ 1 kx + 1 4 x4 ] = bẋ. For b = 0 og alle verdiar av k er venstresida lik null og integrasjon gjev da den bevarte energien er E = 1 ẋ 1 kx + 1 4 x4. 3 I dette tilfellet er den kinetiske energien 1 ẋ og potensialet V x = 1 kx + 1 4 x4. 4 Vi ser og frå likning at de < 0 viss b > 0 dissipasjon og de > 0 viss dt dt b < 0 energi tilført systemet i samsvar med tolkninga av b som friksjonsledd og antidempingsledd. Potensialet V x er vist i Fig. 1. 0.5 V x 1.4 V x 0.4 1. 0.3 0. 1.0 0.8 0.6 0.1 0.4 1.0 0.5 0.5 1.0 x 0. 1.0 0.5 0.5 1.0 x Figure 1: Potensialet V x for k = 1 og k = 1. b Viss vi definerer ein ny variabel y = ẋ, følger likning 3 ved derivasjon og innseting frå likning 1. c ẋ = 0 gjev y = 0. Innsett i likninga ẏ = 0 gjev då kx x 3 = 0. Vi har tre løysingar x = 0 og x = ± k. Dette gjev fikspunkta 0, 0 og ± k, 0. Dei to fikspunkta ± k, 0 eksisterer berre for k 0. Jakobimatrisa er 0 1 Ax, y = k 3x. 5 b For fikspunktet 0, 0, gjev dette A0, 0 = 0 1 k b. 6

For fikspunkta ± k, 0 A± k, 0 = 0 1 k b. 7 d Det karakteristiske polynomet for fikspunktet 0, 0 er λλ + b k og eigenverdiane er λ ± = b ± b + 4k. 8 Det karakteristiske polynomet for fikspunkta ± k, 0 er λλ + b + k og eigenverdiane er λ ± = b ± b 8k. 9 e For fikspunktet 0, 0 har vi τ = b og = k. For k > 0 og vilkårleg b er altså eit sadelpunkt. For k < 0 er origo ein node viss b + 4k > 0 og ein spiral viss b + 4k < 0. For b + 4k = 0 har vi ein degeneret node. Origo er stabilt viss b > 0 og ustabilt viss b < 0. Dette er vist i Fig.. 1.0 k 0.5 Sadel Sadel 0.0 b Ustabil node Stabil node 0.5 Ustabil spiral Stabil spiral 1.0 1 0 1 Figure : Stabilitetsdiagram for origo. For fikspunkta ± k, 0 har vi τ = b og = k. Dei eksisterer berre for k 0. For k > 0 er desse fikspunkta nodar viss b 8k > 0 og spiralar viss b 8k < 0. For b 8k = 0 har vi ein degeneret node. Fikspunkta er stabile viss b > 0 og ustabile for b < 0. Dette er vist i Figur. 3. f For b = 0, er eigenverdiane til fikspunktet i origo lik ± k. For k 0 er origo difor eit nøytralt senter og for k > 0 eit sadelpunkt. Altså skiftar origo stabilitet for k = k c = 0. For b = 0 er eigenverdiane til fikspunkta ± k, 0 lik ±i k og difor eit nøytralt senter. Merk: Sidan systemet er 3

1.0 k 0.5 Ustabil spiral Stabil spiral 0.0 Ustabil node Stabil node b 0.5 1.0 1 0 1 Figure 3: Stabilitetsdiagram for ± k, 0. konservativt er eit lineært senter og eit ikkjelineært senter. Alternativt kan ein bruke at systemet er reversibelt for b = 0. Dette kan ein og kome fram til viss ein diskuterer potensialet V x som er vist i Fig. 1. g For k = 0 gjev likningssettet 3 at origo er det einaste fikspunktet. Dersom b > 0 har eit partikkel som beveger seg i eit potensial V x = 1 4 x4 med antidemping. Potensialet har same form som k = 1 i Fig. 1. Dette tyder at fikspunktet er ein stabil spiral: Ein partikkel beveger seg att og fram i potensialet men utslaget blir mindre og mindre pga demping. For b < 0 har vi antidemping - det vil seie at vi tilfører systemet energi og origo er ein ustabil spiral. For b = b c = 0 er systemet konservativt og origo skifter stabilitet. For b = 0 er origo eit nøytralt senter utslaget i potensialet er konstant. Sidan det er ikkje er stabile baner for b < 0 eller b > 0, er bifurkasjonen degenerert. Merk: Linearising av likningssystemet impliserer at det er ei linje av fikspunkt x-aksen og eigenverdiane λ 1 = b, λ = 0, og difor = 0. Dette er eit grensetilfelle der ein ikkje alltid kan stole på linearisering. Oppgåva her eit døme på det. Oppgåve Likningssystemet er ẋ = x y x 3, 10 ẏ = x + y y 3. 11 a 0, 0 er opplagt eit fikspunkt. Spørsmålet er om det finst fleire fikspunkt. ẋ = 0 gjev y = x x 3 som innsett i ẏ = 0 gjev x+x x 3 x x 3 3 = 0. Dette kan vi faktorisere, xx 8 3x 6 + 3x 4 x + = 0. Frå oppgåveteksten veit 4

vi polynomet i parantesen ikkje har reelle nulpunkt. Altså har likningssystemet ikkje andre løysingar enn x = y = 0 og origo er det einaste fikspunktet. b Vi skiftar til polarkoordinatar og bruker Dette gjev rṙ = xẋ + yẏ. 1 ṙ = r r 3 cos 4 θ + sin 4 θ, 13 14 Dette gjev ṙ > r r 3 sidan maksimum til cos 4 θ + sin 4 θ er 1. Likeeins er ṙ < r 1 r3 sidan minimum til cos 4 θ + sin 4 θ = 1. Vi har da at ṙ > 0 på ein sirkel med radius r > r min = 1 og ṙ < 0 på ein sirkel med radius r > r maks =. Området mellom dei to konsentriske sirklane er difor eit innfangingsområde utan fikspunkt. Poincare-Bendixon teoremet gjev da at det finst ei stabil grensesyklus innafor dette området. Sja Fig. 4. Alternativt 1 0 1 1 0 1 Figure 4: Faseportrett med innfangingsområde og meir elegant kan ein vise at origo er ein ustabil spiral. Jakobimatrisa i origo er nemleg gjeve ved A0, 0 = 1 1 1 1. 15 og eigenverdiane er λ ± 1 ± i. Ein kan da fjerne eit infinitesimalt området rundt fikspunktet r = 0 og bruk Poincare-Bendixon teoremet. Det var fleire studentar som løyste oppgava slik. 5

Oppgåve 3 a x = 0 er opplagt eit fikspunkt. Stabiliteten er gjeve ved t x evaluert i x = 0. Sidan t x = r for alle r, er x = 0 stabilt for r < 1. For r = 1 er x = 0 marginalt stabilt. Alle punkt x 1 er nå fikspunkt og x = 0 er difor Liapunov stabil. Ved å bruke eit spindelvev cobweb kan ein vise at x n 0 for alle x [0, 1] for r < 1. Altså er x = 0 globalt stabilt for r < 1. b Ved innsetting ser ein at q = tp p = tq dersom 0 p 1 og 1 q 1. Ulikheiten q 1 gjev då r 1 eller r 1. For r = 1 er p = q slik at periode- syklusen blir fødd for r = 1 og eksisterer altså for r 1. c Stabiliteten til periode- syklusen er gjeve ved d dx ttx x=p = t pt q. Sidan t x = r for alle x, er t pt q = r > 1 og syklusen er såleis ustabil. Vi har at t x = r for alle x. Det tyder at Liapunov eksponenten er enkel å rekne ut: λ = n 1 1 lim ln f x i n n i=0 Vi har kaos når λ > 0, det vil seie for r > 1. = ln r. 16 6