Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

Like dokumenter
Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

Gir vi de resterende 2 oppgavene til én prosess vil alle sitte å vente på de to potensielt tidskrevende prosessene.

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

Continuity. Subtopics

0.5 (6x 6x2 ) dx = [3x 2 2x 3 ] 0.9. n n. = n. ln x i + (β 1) i=1. n i=1

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

TMA4245 Statistikk. Øving nummer 12, blokk II Løsningsskisse. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

Slope-Intercept Formula

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

MA 1410: Analyse Uke 48, aasvaldl/ma1410 H01. Høgskolen i Agder Avdeling for realfag Institutt for matematiske fag

TMA4240 Statistikk Høst 2015

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

TMA4245 Statistikk Eksamen 20. desember 2012

OM TAYLOR POLYNOMER. f x K f a x K a. f ' a = lim x/ a. f ' a z

UNIVERSITETET I OSLO

Der oppgaveteksten ikke sier noe annet, kan du fritt velge framgangsmåte.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

Eksamen REA3024 Matematikk R2. Nynorsk/Bokmål

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgavesettet har 11 punkter, 1ab, 2abc, 3, 4, 5ab og 6ab, som teller likt ved bedømmelsen.

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Eksamen REA3024 Matematikk R2. Nynorsk/Bokmål

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

TMA4329 Intro til vitensk. beregn. V2017

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamensoppgave i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Eksamen R2, Våren 2010

Eksempeloppgave REA3028 Matematikk S2 Eksempel på eksamen våren 2015 etter ny ordning. Ny eksamensordning. Del 1: 3 timer (uten hjelpemidler)

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Totalt Antall kandidater oppmeldt 1513 Antall møtt til eksamen 1421 Antall bestått 1128 Antall stryk 247 Antall avbrutt 46 % stryk og avbrutt 21%

Eksamen R2, Høsten 2010

Databases 1. Extended Relational Algebra

5 E Lesson: Solving Monohybrid Punnett Squares with Coding

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

5 y y! e 5 = = y=0 P (Y < 5) = P (Y 4) = 0.44,

2. Bestem nullpunktene til g.

Polynominterpolasjon

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

MOT310 Statistiske metoder 1, høsten 2011

Repetisjon; 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, og Repetisjon; 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, og 9.10

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

Exam in Quantum Mechanics (phys201), 2010, Allowed: Calculator, standard formula book and up to 5 pages of own handwritten notes.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

SVM and Complementary Slackness

Tid: 3 timer Hjelpemidler: Vanlige skrivesaker, passer, linjal med centimetermål og vinkelmåler er tillatt.

Trigonometric Substitution

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

32.2. Linear Multistep Methods. Introduction. Prerequisites. Learning Outcomes

TMA4240 Statistikk Høst 2009

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

EKSAMENSOPPGAVE I SØK 1002 INNFØRING I MIKROØKONOMISK ANALYSE

s = k k=1 dx x A n = n = lim = lim 2 arctan ( x = π arctan ( n (2k 1)!, s n = k=1

TMA4240 Statistikk Høst 2015

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

EKSAMENSOPPGAVE. Mat-1060 Beregningsorientert programmering og statistikk

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

TMA4245 Statistikk Eksamen mai 2017

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Kap. 9: Inferens om én populasjon. Egenskaper ved t-fordelingen. ST0202 Statistikk for samfunnsvitere. I Kapittel 8 brukte vi observatoren

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMEN. Oppgavesettet består av 5 oppgaver, hvor vekten til hver oppgave er angitt i prosent i oppgaveteksten. Alle oppgavene skal besvares.

DEL 1. Uten hjelpemidler. Oppgave 1 (5 poeng) Oppgave 2 (5 poeng) Oppgave 3 (4 poeng) x x. Deriver funksjonene. a) f( x) 2 sin 3x. Bestem integralene

Uke 12 IN3030 v2019. Eric Jul PSE-gruppa Ifi, UiO

Ma Analyse II Øving 5

Endelig ikke-røyker for Kvinner! (Norwegian Edition)

Løsningsforslag ST2301 øving 3

Emnenavn: Eksamenstid: 4 timer. Faglærer: Hans Kristian Bekkevard

EKSAMEN I TMA4245 Statistikk

R2 eksamen høsten 2017

Graphs similar to strongly regular graphs

Speed Racer Theme. Theme Music: Cartoon: Charles Schultz / Jef Mallett Peanuts / Frazz. September 9, 2011 Physics 131 Prof. E. F.

LØSNINGSFORSLAG TILEKSAMEN I FAG TMA4240/TMA4245 STATISTIKK 10. august 2005

Tallsystemer. Læringsmål. Posisjonstallsystemer. Potensregning en kort repetisjon 123 = = 7B 16. Forstå posisjonstallsystemer

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

Call function of two parameters

TMA4100 Høst Løsningsforslag Øving 2. Norges teknisknaturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

UNIVERSITETET I OSLO

Hvor mye teoretisk kunnskap har du tilegnet deg på dette emnet? (1 = ingen, 5 = mye)

Eksempeloppgave REA3026 Matematikk S1 Eksempel på eksamen våren 2015 etter ny ordning. Ny eksamensordning. Del 1: 3 timer (uten hjelpemidler)

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

STILLAS - STANDARD FORSLAG FRA SEF TIL NY STILLAS - STANDARD

Løsningsforsalg til første sett med obligatoriske oppgaver i STK1110 høsten 2018

Emnenavn: Metode 1, statistikk deleksamen. Eksamenstid: 4 timer. Faglærer: Bjørnar Karlsen Kivedal

Eksamen REA3028 S2, Våren 2010

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Vi skal hovedsakelig ikke bestemme summen men om rekken konvergerer. det vil si om summen til rekken er et bestemt tall

Han Ola of Han Per: A Norwegian-American Comic Strip/En Norsk-amerikansk tegneserie (Skrifter. Serie B, LXIX)

Lineær regresjonsanalyse (13.4)

E K S A M E N : FAG: Matematikk 1 MA-154 LÆRER: MORTEN BREKKE. Klasse(r): Alle Dato: 1. des 11 Eksamenstid, fra-til:

Transkript:

Istitutt for matematiske fag Eksamesoppgave i TMA432 Itroduksjo til viteskapelige beregiger Faglig kotakt uder eksame: Ato Evgrafov Tlf: 453 163 Eksamesdato: 6. jui 216 Eksamestid (fra til): 9: 13: Hjelpemiddelkode/Tillatte hjelpemidler: B: Spesifiserte trykte og hådskreve hjelpemidler tillatt: K. Rottma: Matematisk formelsamlig Bestemt, ekel kalkulator tillatt. Målform/språk: bokmål Atall sider: 7 Atall sider vedlegg: Kotrollert av: Dato Sig Merk! Studeter fier sesur i Studetweb. Har du spørsmål om di sesur må du kotakte istituttet ditt. Eksameskotoret vil ikke kue svare på slike spørsmål.

TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 Side 1 av 7 Oppgave 1 Vi ser på likige hvor y > er gitt, og x R er ukjet. e x y =, a) Formuler Newtos metode for å løse dee likige. Gjør to iterasjoer for håd for y = e. Start med x =. Solutio: direct computatio. The Newto s iteratio for the equatio f(x) = is x k+1 = x k f(x k )/f (x k ), which i our case simplifies to x k+1 = x k (e x k y)/e x k = x k 1 + ye x k. Thus x =, x 1 1.71828182845945, x 2 1.2587112717836 Oppgave 2 a) Fi det polyomet p(x) av lavest mulig grad som iterpolerer fuksjoe f(x) = x i puktee x 1 =, x 2 = 4, x 3 = 9. Solutio: direct computatio. For example usig Lagrage s form of the iterpolatio polyomial we get (x 4)(x 9) L 1 (x) = ( 4)( 9) = x2 13x + 36 36 (x )(x 9) L 2 (x) = (4 )(4 9) = 9x x2 2 (x )(x 4) L 3 (x) = (9 )(9 4) = x2 4x 45 P (x) = L 1 (x) + 4L 2 (x) + 9L 3 (x) = x2 9x 1 = 3x2 + 27x + 2x 2 8x 3 = x2 + 19x 3 + x2 4x 15

Side 2 av 7 TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 4 f(x) = x p(x) = ( x 2 + 19x)/3 y 2 2 4 6 8 1 x Vi bruker samme otasjo for f(x) og p(x) som i a) i reste av oppgave. b) Fuksjoe F (x) = x er lik med (f(x)) 2 for x. Derfor iterpolerer P (x) = (p(x)) 2 fuksjoe F (x) i puktee x 1 =, x 2 = 4 og x 3 = 9. Forklar hvorfor formele for estimatet av iterpolasjosfeile, gitt av F (x) P (x) = (x x 1)(x x 2 )(x x 3 ) F (c), 3! med c [mi{x, x 1 }, max{x, x 3 }], ikke holder i dee situasjoe. Solutio: The short aswer here is that the error estimate is valid oly for the iterpolatio polyomials of miimal degree, whereas P (x) = (p(x)) 2 is ot a iterpolatio polyomial of miimal degree. (Ideed, it has degree 4, whereas for 3 iterpolatio odes we should have degree 2 or less. I fact i the preset situatio the iterpolatio polyomial is F (x) = x, ad thus has degree 1.) Oe could see that the error estimate predicts that the iterpolatio error should be zero (as F (x) = (x) = ) ad it is for the iterpolatio polyomial of miimal degree, that is x, but clearly ot for our iterpolatio polyomial P (x). Why is the error estimate F (x) P (x) = (x x 1)(x x 2 )... (x x ) F () (c),! oly valid for polyomials of miimal degree? Suppose we remove the miimal degree requiremet. The we have iterpolatio poits ad we look at

TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 Side 3 av 7 iterpolatig polyomials P of degree at least. With polyomials of this degree we ca iterpolate through + 1 poits. Thus we ca chose + 1-st iterpolatio ode x +1 arbitrarily ad place the correspodig y = P (x +1 )- value as far from F (x +1 ) as we like. The the left had side of the estimate, F (x +1 ) P (x +1 ) ca be made arbitrarily large, whereas the right had side of the estimate is determied by the positio of the odes x 1,..., x, x +1 ad the -th derivative of F. 1 8 6 F (x) = x P (x) = ( x 2 + 19x) 2 /3 2 y 4 2 2 4 6 8 1 x Oppgave 3 a) Approksimer itegralet 1 l(x) dx ved å bruke midtpuktskvadraturer med = 1 og = 2 delitervaller. 1 Solutio: Direct computatio. With 1 pael we have: 1 l(x) dx 1 l(.5).693147185599453 With 2 paels we have: 1 l(x) dx.5[l(.25) + l(.75)].8369882167858358. b) Hvis vi atar at f er kotiuerlig på itervallet [a, b], er feilestimatet for midtpuktskvadraturet Q [a,b] f gitt av b 1 delitervaller = paels i boke a f(x) dx = Q [a,b] f + h3 24 f (c),

Side 4 av 7 TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 der c er et pukt mellom a og b, og h = b a. Bruk å adaptive kvadraturer til å estimere forskjelle 1 l(x) dx Q [,1] l. (Igorer det at l på itervallet [, 1] ikke oppfyller deriverbarhetskravet i feilestimatet.) Du ka gjebruke de umeriske beregigee fra a). Solutio: We have: = Q [,1] l (Q [,.5] l +Q [.5,1] l) + 13 24 l (c 1 ).53 24 l (c 2 ).53 24 l (c 3 ). We assume that l (c 1 ) l (c 2 ) l (c 3 ) (this is the stadard assumptio i adaptive quadratures) ad thus get.75 24 l (c 1 ) = (Q [,.5] l +Q [.5,1] l) Q [,1] l.8369882167858358 (.693147185599453).14384136225895. Thus the error estimate is 1 l(x) dx Q [,1] l = 1 24 l (c 1 ) 4/3 (.14384136225895) Oppgave 4.191788483118734. 2 Vi skal å se på et iitialverdiproblem: y (t) = (y(t)) 2, y() = 1. Løsige av differesiallikige er y(t) = (t + 1) 1. a) Reg ut to steg av y umerisk ved hjelp av de eksplisitte Eulermetode. Bruk steglegde h = 1. Solutio: Direct computatio. Explicit Eulers method for this IVP is w = y() = 1. Thus we get: 2 Note that the exact error is 1 w i+1 = w i hw 2 i = w i (1 hw i ), w 1 = w (1 hw ) = 1(1 1 1) =, w 2 = w 1 (1 hw 1 ) =. l(x) dx Q [,1] l 1 (.693147185599453).3685281944547.

TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 Side 5 av 7 b) Formuler de implisitte Eulermetode (med tilfeldig h i = t i+1 t i > ) for problemet. Vis at adregradslikige som framkommer i metode har to reelle røtter for approksimasjoe w i+1 y(t i+1 ) gitt av w i y(t i ) og h i, gitt at h i er lite ok. Fi de eksplisitte utrykkee for røttee og forklar hvilke av dem som bør velges i metode. Solutio: Implicit Eulers method for this IVP is w i+1 = w i h i w 2 i+1. w = y() = 1. Thus at every iteratio we eed to sovle the quadratic equatio h i wi+1 2 + w i+1 w i =. We solve this equatio: D = 1 + 4h i w i, w ± i+1 = 1 ± 1 + 4h i w i 2h i. I particular, if w i, or if w i < ad h i < 1/(4w i ) the D > ad the quadratic equatio has two real roots. Which root should we choose? There are several ways i which oe could argue here. For example, for small h we ca use a first order Taylor series expasio 1 + 4h i w i 1+2h i w i, ad therefore w i+1 ± 1/(2h i )±(1/(2h i )+w i ). Sice we expect that for small h we have w i+1 w i, we should select w i+1 w i+1 + based o this iformatio. Aother way of makig this decisio is to require that w i+1 behaves as much as the solutio y(t); for example, that it is positive. Ideed we kow that w >, ad if w i > the 1 + 4h i w i > 1 ad as a result w i+1 < < w + i+1. Therefore we should choose w + i+1. Oppgave 5 a) Bereg de diskrete Fouriertrasformasjoe av x = [1, 2, 3] T. Solutio: direct computatio. y = 1 3 1 x j exp{ i2πj/3} = 6 3.4641 3 3 j=

Side 6 av 7 TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 y 1 = 1 3 1 x j exp{ i2πj1/3} = 1 [1 exp{} + 2 exp{ i2π/3} + 3 exp{ i4π/3}] 3 3 j= = 1 3 [1 + 2{ 1/2 i 3/2} + 3{ 1/2 + i 3/2}] = 1 3 [ 3/2 + i 3/2] = 3/2 + i/2. Because x R 3 we have y 3 = ȳ 2 = 3/2 i/2. b) La y = [y, y 1,..., y 1 ] T C være de diskrete Fouriertrasformasjoe av vektore x = [x, x 1,..., x 1 ] T C. Nå kostruerer vi vektore ˆx = [x, x 1, x 2,..., x 1 ] T. Vis at de har e diskret Fouriertrasformasjo gitt som ŷ = [y, y 1, y 2,..., y 1 ] T. Solutio: Per defiitio of DFT: ad ŷ k = 1 1 j= ˆx j exp{ i2πjk/} = 1 ] [ˆx + ˆx 1 exp{ i2π1k/} + + ˆx 1 exp{ i2π( 1)k/} = 1 ] [x + x 1 exp{ i2π1k/} + + x 1 exp{ i2π( 1)k/} = 1 ] [x + x 1 exp{ i2π( 1)k/} + + x 1 exp{ i2π1k/}, y k = 1 1 x j exp{ i2πj( k)/} j= = 1 ] [x + x 1 exp{ i2π1( k)/} + + x 1 exp{ i2π( 1)( k)/}. Direct compariso shows that ŷ = y (the all exp{ } = exp{} = 1). To coclude the proof we eed to show that the coefficiets i frot of x j i two formulas agree. Ideed, the coefficiet i frot of x j i the formula for ŷ k is exp{ i2π( j)k/} = exp{ i2πk} exp{i2πjk/} = exp{i2πjk/}, }{{} =1

TMA32 Itroduksjo til viteskapelige beregiger 6. jui 216 Side 7 av 7 ad similarly, the coefficiet i frot of x j i the formula for y k is: exp{ i2πj( k)/} = exp{ i2πj} exp{i2πjk/} = exp{i2πjk/}, }{{} =1 where we used the face that exp{ i2πj} = exp{ i2πk} = 1 for all itegers j, k. Thus the proof is cocluded. c) La = 2 p, p N, og t j = c + j(d c)/, j =,..., 1 være e samlig av uiformt distribuerte pukter på itervallet [c, d]. Vi vil fie e kurve som passerer gjeom(iterpolerer) puktee i datasettet (t, x ),..., (t 1, x 1 ). I dette kurset har vi sett på to mulige metoder for å gjøre dette: polyomiterpolasjo, (her vist i Newtos form) P (t) = f[t ] + f[t, t 1 ](t t ) + + f[t,..., t 1 ](t t ) (t t 2 ), og trigoometrisk iterpolasjo: Q(t j ) = 1 1 y k exp{i2πkj/} = k= 1 k= { } i2πk(tj c) y k exp /. d c Gi et overslag på atallet av elemetære operasjoer 3 som tregs til å berege: alle Newtos differaser 4 f[t ], f[t, t 1 ],..., f[t,..., t 1 ]; alle trigoometriske iterpolasjoskoeffisietee y,..., y 1 ved hjælp av FFT algoritme. Sammelig to vurderigee og bestem, hva er raskest for store. Solutio: The coefficiets y,..., y 1 are efficietly computed usig FFT, which requires O( log ) operatios. Computig each Newto s divided differece requires oe divisio ad two subtractios. There are 1 divided differeces f[t, t 1 ],..., f[t 2, t 1 ]; 2 divided differeces f[t, t 1, t 2 ],..., f[t 3, t 2, t 1 ],..., ad fially 1 differece f[t, t 1,..., t 1 ]. Therefore, computig all Newto s divided differeces requires ( 1) + ( 2) + + 1 = O( 2 ) subtractios ad divisios. For large we have > log ad therefore computig the trigoometric expasio coefficiets is faster. 3 Elemetære operasjoer addisjo, subtraksjo, multiplikasjo, divisjo 4 Newto s divided differeces