75045 Dynamiske systemer 3. juni 1997 Løsningsforslag

Like dokumenter
R1 kapittel 1 Algebra

dx = 1 2y dy = dx/ x 3 y3/2 = 2x 1/2 + C 1

1 Mandag 1. mars 2010

MAT 1110: Løsningsforslag til obligatorisk oppgave 2, V-06

MAT 100A: Mappeeksamen 4

x 1, x 2,..., x n. En lineær funksjon i n variable er en funksjon f(x 1, x 2,..., x n ) = a 1 x 1 + a 2 x a n x n,

Løsningsforslag til Eksamen i fag MA1103 Flerdimensjonal analyse

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 8. a =

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 8. a = e m E

R2 kapittel 4 Tredimensjonale vektorer

I = (xy + z 2 ) dv. = z 2 dv. 1 1 x 1 x y z 2 dz dy dx,

1 k 2 + 1, k= 5. i=1. i = k + 6 eller k = i 6. m+6. (i 6) i=1

R2 - Heldagsprøve våren 2013

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

dy ycos 2 y = dx. Ved å integrere på begge sider av likhetstegnet får man ved å substituere u = y,du = dy dy ycos 2 y = 2du cos 2 u = x.

Løsningsforslag Eksamen 30. mai 2007 FY2045 Kvantefysikk

Løsningsforslag Kollokvium 6

Sammendrag kapittel 1 - Aritmetikk og algebra

Eksamen våren 2018 Løsninger

Eksamen høsten 2016 Løsninger

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 24. mai = 2πrlɛE(r) = Q innenfor S =

6. Beregning av treghetsmoment.

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 10 1 LØSNING ØVING 10

Løsningsforslag, Midtsemesterprøve fredag 13. mars 2009 kl Oppgavene med kort løsningsforslag (Versjon A)

1 Geometri KATEGORI Vinkelsummen i mangekanter. 1.2 Vinkler i formlike figurer

EKSAMEN. ANTALL SIDER UTLEVERT: 7 (innkl. forside og 2 sider formelark)

Tom Lindstrøm. Tilleggskapitler til. Kalkulus. 3. utgave. Universitetsforlaget,

1T kapittel 6 Geometri Løsninger til oppgavene i læreboka

1 Mandag 8. mars 2010

Integralregning. Mål. for opplæringen er at eleven skal kunne

Løsningsforslag, Midtsemesterprøve torsdag 6. mars 2008 kl Oppgavene med kort løsningsskisse

Derivasjon. Oversikt over Matematikk 1. Derivasjon anvendelser. Sekantsetningen

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Trigonometri. Omregning mellom grader og radianer skjer etter formelen nedenfor:

YF kapittel 6 Lengder og vinkler Løsninger til oppgavene i læreboka

Løsningsforslag Kollokvium 1

Løsningsforslag SIE4010 Elektromagnetisme 5. mai 2003

Integrasjon av trigonometriske funksjoner

Multippel integrasjon. Geir Ellingsrud

Løsningsforslag Eksamen 19. august 2005 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Eksamen R2, Va ren 2014, løsning

Mer øving til kapittel 3

Øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

R1 kapittel 6 Vektorer. Løsninger til oppgavene i boka Løsninger til oppgavene i boka

Løsningsforslag til avsluttende eksamen i HUMIT1750 høsten 2003.

Temahefte nr. 1. Hvordan du regner med hele tall

DEL 1 Uten hjelpemidler

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i ECON 2130

Eneboerspillet. Håvard Johnsbråten

DEL 1 Uten hjelpemidler

a 2πf(x) 1 + (f (x)) 2 dx.

DEL 1 Uten hjelpemidler

2 Symboler i matematikken

Projeksjon. Kapittel 11. Ortogonal projeksjon i R 2. Skalarproduktet i R n. w på v. Fra figuren ovenfor ser vi at komponenten til w ortogonalt på v er

Kalkulus 2. Volum av et omdreiningslegeme. Rotasjon rundt x-aksen

Fag: Matematikk 1T-Y for yrkesfag for elever og privatisterr. Eksamensdato: 16. januar 2012

MAT 100a - LAB 4. Før vi gjør dette, skal vi for ordens skyld gjennomgå Maple-kommandoene for integrasjon (cf. GswM kap. 12).

Kap. 3 Krumningsflatemetoden

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5(innkl. forside og 2 sider formelark)

Juleprøve trinn Del 1. Navn: Del 1 Aschehoug JULEPRØVE trinn. Informasjon for del 1

Løsningsforslag til prøveeksamen Mat1110 våren 2004 Oppgave 1 (a) Elemetære rekkeoperasjoner anvendt på den utvidete matrisen til systemet gir oss:

5: Algebra. Oppgaver Innhold Dato

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TMA4165 DIFFERENSIALLIGNINGER OG DYNAMISKE SYSTEMER

1T kapittel 8 Eksamenstrening Løsninger til oppgavene i læreboka

Brøkregning og likninger med teskje

... JULEPRØVE 9. trinn...

TMA4165: Dierensiallikninger og dynamiske systemer

YF kapittel 10 Eksamenstrening Løsninger til oppgavene i læreboka

Juleprøve trinn Del 1 Navn:

E K S A M E N. Matematikk 3MX. Elevar/Elever Privatistar/Privatister. AA6524/AA desember 2004 UTDANNINGSDIREKTORATET

1 dx cos 1 x =, 1 x 2 sammen med kjerneregelen for derivasjon. For å forenkle utregningen lar vi u = Vi regner først ut den deriverte til u,

( ) ( ) DEL 1 Uten hjelpemidler. x x x x. Oppgave 1. Vi deriverer med produktregel: Vi deriverer kjerneregelen: Vi velger u = x 3 som kjerne.

Integrasjon Skoleprosjekt MAT4010

S1 kapittel 4 Logaritmer Løsninger til oppgavene i boka

2x 3 4/x dx. 2 5 x 3 + LF: Vi utfører polynomdivisjon. 2x + 1 dx = + C = 5x8/ ln 2x C 4. πx 2 e 3x3 dx = π

SIF5025: Differensiallikninger og dynamiske systemer

Løsningsforslag til Obligatorisk oppgave 2

DEL 1 Uten hjelpemidler

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

Vår 2004 Ordinær eksamen

Praktiske opplysninger til rektor. Fag: MATEMATIKK 1TY for yrkesfag Fagkode: MAT1006 Eksamensdato: Antall forberedelsesdager: Ingen

M2, vår 2008 Funksjonslære Integrasjon

Elkraftteknikk 1, løsningsforslag øving 5, høst 2004 (korrigert)

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og Flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark)

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og Flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark)

S1 kapittel 6 Derivasjon Løsninger til oppgavene i boka

TFE4101 Krets- og Digitalteknikk Vår 2016

Løsningsskisser til oppgaver i Kapittel 2: Trigonometri

Litt av matematikken bak solur

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Integrasjon.

2 Tallregning og algebra

LØSNINGSFORSLAG(Sensor) I TMA4140 og MA0302

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og Flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark)

... JULEPRØVE

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 10 1 ØVING 10

YF kapittel 7 Flate Løsninger til oppgavene i læreboka

2.2.1 Grunnleggende betraktninger

1 Mandag 18. januar 2010

DEL 1 Uten hjelpemidler

3.7 Pythagoras på mange måter

A. forbli konstant B. øke med tida C. avta med tida D. øke først for så å avta E. ikke nok informasjon til å avgjøre

Transkript:

75045 Dynmiske systemer 3. juni 1997 Løsningsforslg Oppgve 1 ẋ = 0 gir y = ±x, og dette innstt i ẏ = 0 gir 1 ± x = 0. Vi må velge minustegnet, og får x = y = ±1/. Vi deriverer: [ ] x y ( 1 Df(x, y) = ; Df, 1 ) = [ ] 1 1. y x 1 1 Mtrisen er symmetrisk, så den hr reelle egenverdier (med ortogonle egenvektorer). Determinnten er negtiv, så egenverdiene hr motstt fortegn, og (1/, 1/ ) er et sdelpunkt for lineriseringen. Det er også et topologisk sdelpunkt (for hyperolske likevektspunkt for C 1 systemer i plnet er dette ekvivlent med t punktet er sdelpunkt for lineriseringen). Systemet er symmetrisk i den forstnd t det er uendret om vi ersttter x med x, y med y og t med t. Spesielt er likevektspunktet i ( 1/, 1/ ) v smme type, det vil si lineært og topologisk sdelpunkt. Om systemet hr en periodisk ne må denne omslutte likevektspunkter slik t summen v indeksene til disse er 1. Siden de eneste likevektspunktene er sdler og således hr indeks 1, finnes ingen periodiske ner. Vi skl skrive systemet på formen ẋ = H y, ẏ = H x og Hmiltonfunksjonen H skl ltså oppfylle H y = y x, H x = 1 + xy. Den første v disse to ligningene integreres til H(x, y) = 1 3 y3 x y+f (x) der F er en vilkårlig funksjon. Stt inn i den ndre ligningen gir det xy F (x) = 1+xy som krever F (x) = 1, som heldigvis kn løses siden høyresiden ikke inneholder y. En Hmiltonfunksjon finnes ltså, og kn gis ved H(x, y) = 1 3 y3 x y x.

75045 Dynmiske systemer 1997 06 03 Løsningsforslg Siden H er invrint lngs nene, vil nen gjennom origo oppfylle H(x, y) = H(0, 0) = 0. Vi løser nnengrdsligningen yx + x 1 3 y3 = 0 med hensyn på x, og finner x = 1 ± 1 + 4 3 y4 men hvis denne kurven skl pssere gjennom (0, 0) må vi velge plusstegnet, og får 1 + 1 + 4 3 y4 1 + 1 + 4 3 y4 y 3 x = = ( ) y 1 + 1 + 43 y4 3 1 + 1 + 43 y4 y som vi skulle. 3 1-3 - -1 0 1 3 x -1 - -3 Figuren viser seprtrisene (de stile og ustile mngfoldighetene til likevektspunktene) og utvlgte ner. I tillegg er kurvene hvor ẋ eller ẏ skifter fortegn vist. (Hvis du får dette dokumentet d elektronisk vei mngler det piler som viser hvilken retning strømmen går lngs nene. Figuren er tegnet med Mple. Selvsgt ventes ikke en slik presisjon fr en håndtegnet figur! Men utseendet på seprtrisene ør mn i hovedtrekk klre. At seprtrisene og ndre ner må krysse ksene såvel som digonlene og generelt gå i den retningen som er vist, kn mn utlede v fortegnene til ẋ og ẏ i hvert område.)

75045 Dynmiske systemer 1997 06 03 Løsningsforslg Oppgve Lineriseringen i origo lir ẋ = x + y, ẏ = y siden lle de ndre leddene hr derivert null for x = y = 0. Strømmen til et system ż = f(z) er funksjonen ϕ t (z 0 ) definert ved ( ϕ t (z 0 ) ) / t = f ( ϕ t (z 0 ) ) og ϕ 0 (z 0 ) = z 0 ; det vil si, det er løsningen v systemet gitt initilverdien z = z 0 for t = 0. (Vi kunne lgt til en diskusjon v eksistensintervller og relsjonen ϕ s+t = ϕ s ϕ t, men det vr ikke meningen å spørre om det.) Strømmen til lineriseringen er gitt ved eksponensilen til mtrisen til systemet: [ ] [ ] 1 1 0 1 ϕ t (z 0 ) = e ta z 0 ; A = = I + N; N = 0 1 0 0 Vi finner e ta = e t e tn = e t (I + tn) siden N = 0, og dermed ([ ]) [ ] [ ] x 1 t x ϕ t = e t = y 0 1 y [ e t (x + ty) e t y ]. 1 - -1 0 1-1 - De to hlvdelene v x ksen er også ner, men det viste seg vnskelig å få det med på figuren. Polrkoordinter gir ṙ = 1 (xẋ + yẏ) = r(1 + sin θ cos θ) r3 r 3

75045 Dynmiske systemer 1997 06 03 Løsningsforslg slik t ṙ < 0 for r > 3/ og ṙ > 0 for 0 < r < 1/. Annulusen 1/ r 3/ er derfor (forlengs) invrint for systemet. Vi må undersøke om det finnes likevektspunkter i denne nnulusen. Hvis ikke, vil Poincré-Bendixson grntere eksistensen v en periodisk ne innenfor nnulusen. Men nå er θ = 1 r (xẏ yẋ) = sin θ r < 0, så det finnes ingen likevektspunkter utenfor origo, og vi hr vist t det eksisterer en periodisk ne. Oppgve 3 Lipunov-funksjonen V (x, y) = 1 4 (x4 + y 4 ) gir V = x 3 ẋ + y 3 ẏ = x 4 y x 4 y 4 = x 4 y (1 y ) > 0 når y < 1 og xy 0, så origo er ustilt. Oppgve 4 Vi finner Ḣ = d H(x(t)) = H(x(t)) ẋ(t) = H(x(t)) f(x(t)) = g(x(t))h(x(t)), dt slik t funksjonen u(t) = H(x(t)) løser u(t) = (t)u(t) der (t) = g(x(t)). Dersom u(0) = 0 er u(t) = 0 for lle t ved entydighetsteoremet for løsning v initilverdiprolemet. Perko ser ut til å ikke h entydighetsteoremet for denne situsjonen (hn konsentrerer seg om utonome systemer og C 1 høyresider), men det er ikke vnskelig å vise direkte ved hjelp v Grönwlls ulikhet. Vi godkjenner likevel et svr etter linjene i forrige vsnitt. Vi setter H(x, y, z) = xy + z så H(x, y, z) = (y, x, 1), og regner ut H f hvor f er høyresiden i systemet: H f = y ( x y + (xy + z)x ) + x ( y + (xy + z)y ) + 3xy + y + (xy + z)(1 + x + y ) = (xy + z)( ) hvor leddene som ikke er multiplisert med xy +z knsellerer, og den presise formen på resten er irrelevnt ortsett fr kontinuiteten, som er opplgt fordi det dreier seg om et polynom. Ved resulttet fr punkt ) er flten invrint. 4

75045 Dynmiske systemer 1997 06 03 Løsningsforslg Åpenrt kn (x, y) rukes som koordinter på flten xy + z = 0, og strømmen er gitt ved et system vi får fr de to første ligningene i det gitte systemet: ẋ = x y, ẏ = y Dette er et lineært, stilt system (egenverdier 1 og ). Spesielt vil løsningen konvergere mot origo for enhver initilverdi på flten xy + z = 0. En kort og grei eskrivelse v den stile mngfoldigheten W S (x 0 ) og den ustile mngfoldigheten W U (x 0 ) er t W S (x 0 ) estår v lle punkter x slik t ϕ t (x) x 0 når t (hvor ϕ er strømmen til systemet v differensilligninger), mens W U (x 0 ) estår v lle punkter x slik t ϕ t (x) x 0 når t. Lineriseringen v det fulle systemet i origo lir ẋ = x y, ẏ = y, ż = z og vi ser t det stile underrommet lir xy plnet, mens det ustile underrommet lir z ksen. Ut fr hintet venter vi t z ksen lir den ustile mngfoldigheten, og vi ser fort t z ksen virkelig er invrint, siden ẋ = ẏ = 0 når x = y = 0. Lngs z ksen lir ż = z, så den ustile mngfoldigheten lir hele z ksen, mens den stile mngfoldigheten lir flten xy + z = 0. Oppgve 5 Mengden C dnnes ved hjelp v fire similituder ψ i (i = 1,, 3, 4) som vilder det opprinnelige linjestykket på hvert v de fire del-linjene: Den første er simpelthen en krympning med en fktor (om vi tenker oss t origo ligger i venstre endepunkt v det opprinnelige linjestykket), og de ndre er en slik krympning etterfulgt v en trnslsjon og knskje en rotsjon i plnet. Formelen for frktl dimensjon i denne smmenhengen gir oss uten videre 4 D = 1 hvorv D = ln 4 ln 1. Resonnementet krever en overlppingsetingelse. Det er ikke vnskelig å se t hele C må ligge innenfor en likeent, rettvinklet treknt T med L som hypotenus, og trekntene ψ i (T ) vil ikke snitte hverndre prvis i mer enn nøyst ett hjørne slik t mengdene ψ i (C ) sikkert tilfredsstiller overlppingsetingelsen (vi kn ikke være mer presise enn dette, siden pensumlitterturen er heller vg på dette punktet). Vi finner lim D = 1 og lim D = 1/4 1/ som er rimelig, siden C nærmer seg linjestykket L når 1 mens den nærmer seg å fylle 4 hele treknten T når 1. 5

75045 Dynmiske systemer 1997 06 03 Løsningsforslg Oppgve 6 Ant Γ er en ne for et C 1 system v differensilligninger i et åpent område E R og t Γ + er inneholdt i en kompkt delmengde v E. Hvis ω(γ) ikke inneholder noe likevektspunkt for systemet, er ω(γ) en periodisk ne for systemet. En periodisk ttrktor er en periodisk ne Γ som hr en omegn U slik t hver gng x 0 U er ϕ t (x 0 ) U for lle t > 0, og vstnden fr ϕ t (x 0 ) til Γ går mot null når t (vi sier litt løst t nen konvergerer mot Γ). L Γ være en periodisk ne med punkter x 0 og y 0 som eskrevet i oppgven. Dr et trnsverslt linjestykke l som skjærer Γ. Bnene fr x 0 og y 0 må før eller siden skjære l, og de må skjære l på ny i punkter som ligger suksessivt nærmere Γ. Området i plnet egrenset v l og de to nene fr en skjæring med Γ til den neste er forlengs invrint, for ingen ne kn forlte området (ner skjærer ikke hverndre tkket være entydighetsteoremet for initilverdiprolemet og de kn ikke forlte området vi l, for der går strømmen inn i området). En ne som strter innen dette området vil ltså lltid ligge i området, og må konvergere mot Γ fordi den lir inneklemt mellom de gitte nene. 6