Obligatorisk oppgave 1

Like dokumenter
Obligatorisk oppgave 2

MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2.

MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2. Torsdag 28. februar 2019, klokken 14:30 i Devilry (devilry.ifi.uio.no).

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

= (2 6y) da. = πa 2 3

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

UNIVERSITETET I OSLO

Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

UNIVERSITETET I OSLO

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

Alternativ II: Dersom vi ikke liker å stirre kan vi gå forsiktigere til verks. Først ser vi på komponentlikninga i x-retning

EKSAMENSOPPGÅVE. Tilletne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator og formelsamling og 2 eigne A4-ark (4 sider totalt)

Virvelfrihet, potensialer, Laplacelikningen

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Fasit for eksamen i MEK1100 torsdag 13. desember 2007 Hvert delspørsmål honoreres med poengsum fra 0 til 10 (10 for perfekt svar).

Vi regner først ut de nødvendige partiellderiverte for å se om vektorfeltet er konservativt. z = 2z, F 2 F 2 z = 2y, F 3. x = 2x, F 3.

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal Analyse våren Maple-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple02 28.

Tillegg om flateintegraler

UNIVERSITETET I OSLO

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

TMA Representasjoner. Funksjoner. Operasjoner

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Øvelse, eksamensoppgaver MAT 1050 mars 2018

EKSAMEN I MATEMATIKK 1000

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 47. Oppgaver til seminaret 24/11

Obligatorisk oppgåve 1

MAT Grublegruppen Uke 36

Partieltderiverte og gradient

Eksamen, høsten 13 i Matematikk 3 Løsningsforslag

MAT mars mars mars 2010 MAT Våren 2010

Oppgavesettet har 10 punkter 1, 2ab, 3ab, 4ab, 5abc som teller likt ved bedømmelsen.

UNIVERSITETET I OSLO

MAT 1110: Obligatorisk oppgave 1, V-07: Løsningsforslag

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl.10:00 og 12:00

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

Figur 1: Volumet vi er ute etter ligger innenfor de blå linjene. Planet som de røde linjene ligger i deler volumet opp i to pyramider.

1. (a) Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A =

Eksamen IRF30014, høsten 15 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

F = x F 1 + y F 2 + z F 3 = y 2 z 2 + x 2. i j k F = xy 2 yz 2 zx 2 = i(0 ( 2yz)) j(2xz 0) + k(0 2xy) = 2yzi 2xzj 2xyk.

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal analyse våren Maple/Matlab-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1050, vår 2019

Navn/kursparallell skrives her (ved gruppearbeid er det viktig at alle fyller ut):

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Matematikk 4, ALM304V Løsningsforslag eksamen mars da 1 er arealet av en sirkel med radius 2. F = y x = t t r = t t v = r = t t

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

Obligatorisk oppgave 1

FYS1120 Elektromagnetisme

Løsning IM

EKSAMENSOPPGAVE. KRAFT I og II Hall del 2 Kraft sportssenter Ingen

Eksamen IRF30014, våren 16 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Prøve i R2 Integrasjonsmetoder

Løsningsforslag Øving 5

MEK1100 Løsningsforslag til oppgavene i Feltteori og vektoranalyse

Oblig 2 MEK1100, vår 2016

Løsningsforslag for MAT-0001, desember 2009, UiT

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

1 MAT100 Obligatorisk innlevering 1. 1 Regn ut i) iii) ii) Regn ut i) ii)

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT 1110, våren 2006

MAT1110 Obligatorisk oppgave 2 Nicolai Kristen Solheim

Fasit til eksamen i MEK1100 høst 2006

Feltteori og vektoranalyse. Forelesningsnotater

UNIVERSITETET I OSLO

Gradientvektoren, vektorfelt, strømlinjer, feltlinjer

TMA Tanker omkring innlevering 3 fra en studentassistents perspektiv

Feltlikninger for fluider

OPPGAVESETT MAT111-H16 UKE 47. Oppgaver til seminaret 25/11

Ma Flerdimensjonal Analyse Øving 11

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

TMA4105 Matematikk2 Vår 2008

Gradientvektoren, vektorfelt, strømlinjer, feltlinjer

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAGET 5005/7 MATEMATIKK 2 1. august der k er et vilkårlig heltall. Det gir

Volum Lengde Areal Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

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

Eksamen, høsten 14 i Matematikk 3 Løsningsforslag

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

Foreta omskrivninger av den stedsderiverte av et produkt som forekommer i den vanlige formen:

Løsningsforslag MAT102 - v Jon Eivind Vatne

Løsning IM

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

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I MA0001 BRUKERKURS A Tirsdag 14. desember 2010

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 9. Løsningsforslag

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

ECON2130 Obligatorisk Oppgave

Løsningsforslag til Øving 9 Høst 2014 (Nummerne refererer til White s 6. utgave)

Transkript:

Obligatorisk oppgave Oppgave a) Vi kan finne divergens og virvling av det todimensjonale hastighetsfeltet ved å finne v og v. Gitt at v = ui + vj, hvor u = cos x sin y og v = sin x cos y, får vi følgende: Divergens Divv = v = δu + δv δu δv = δ cos x sin y = δ sin x cos y = sin x sin y = sin x sin y Divv = sin x sin y + sin x sin y Divv = Virvling Curlv = v = i j k δ δ u v = δ v i δ u j + δ u δ v δv k = δu k δv δu = δ sin x cos y = δ cos x sin y = cos x cos y = cos x cos y Curlv = δv δu k = cos x cos y cos x cos y k Curlv = cos x cos y k Med dette har vi at Divv = og Curlv = cos x cos y k. b) Vi kan tegne strømvektorer langs x- og y-aksen ved å finne verdier gitt at u = cos x sin y og v = sin x cos y. Vi kan for eksempel velge verdier som.,.,.,.3 og.4 og anta at strømvektorene vil forandre seg uniformt som på et stivt legeme. Ved å velge disse verdiene ser vi på strømvektorer rundt origo. Strømvektorer langs y-aksen er gitt ved cos sin y : y =.4, x = cos sin y =.3894834 y =.3, x = cos sin y =.9557 y =., x = cos sin y =.9866933 y =., x = cos sin y =.9983347 y =., x = cos sin y =. y =., x = cos sin y =.9983347 y =., x = cos sin y =.9866933 y =.3, x = cos sin y =.9557 y =.4, x = cos sin y =.3894834

Strømvektorer langs x-aksen er gitt ved cos sin x : x =.4, y = cos sin x =.3894834 x =.3, y = cos sin x =.9557 x =., y = cos sin x =.9866933 x =., y = cos sin x =.9983347 x =., y = cos sin x =. x =., y = cos sin x =.9983347 x =., y = cos sin x =.9866933 x =.3, y = cos sin x =.9557 x =.4, y = cos sin x =.3894834 Setter vi inn disse verdiene i et koordinatsystem, vil vi få følgende figur som representerer strømvektorene:

c) Vi kan finne sirkulasjonen om randa til kvadratet definert ved x og y ved å bruke s linjeintegral på området. Linjeintegralet er gitt ved: v = v dr = I + II + III + IV hvor I i = II j = v( v(x, ) dx, y) dy III i = v(x, ) dx IV j = v(, y) dy Vi kan med dette løse disse fire integralene hver for seg: I i = I i = I i = v(x, ) dx = cos x sin cos x dx = sin x dx = sin sin = + II j = II j = v(, y) dy = = sin II j = III i = cos y dy = sin y v(x, ) dx III i = III i = = cos x sin cos x dx = sin x cos y dy = sin sin dx = sin sin = = IV j = IV j = IV j = v(, y) dy = = sin cos y dy = sin y cos y dy = sin sin = + v = v dr = I + II + III + IV v = = 8 3

d) Da Divv = eksisterer en strømfunksjon, og siden v er et todimensjonelt felt vil en strømfunksjon ψ eksistere slik at u = δψ δψ = cos x sin y v = = sin x cos(y) δψ = cos x sin y δψ = sin x cos(y) ψ = cos x sin y ψ = sin x cos(y) ψ = cos x cos y + c ψ = cos x cos(y) + c ψ = cos x cos y + c = cos x cos(y) + c, hvor c = c = slik at ψ = cos x cos y Vi har med dette vist at ψ = cos x cos y. e) Vi kan bruke Taylorutvikling av andre orden til å finne tilnærmede strømlinjer nær origo,,. Dette er gjort på følgende måte: ψ x, y = ψ x, y, x = y = ψ x, y = ψ x, y + δ ψ x,y + δ ψ x,y x x + δ ψ x,y x x y y + y y + δ ψ x,y y y δ ψ x,y x x ψ x, y = cos cos = δ ψ x,y δ ψ x,y δ ψ x,y δ ψ x,y δ y x x = sin x cos y x = x y y = sin x cos y y = x x x = cos x cos y x = x x x y y = δ cos x sin y = δ ψ x,y y y = cos x cos y y = y sin x sin y xy = ψ x, y = + + x + y ψ x, y = x y Strømlinjene nær origo er med dette gitt ved ψ x, y = x y. 4

Oppgave a) Vi kan bruke funksjonen streamfun.m i et skript strlin.m som plotter konturlinjer for ψ når (i) n = 5 og (ii) n = 3. Dette skriptet, strlin.m, vil se slik ut: % Oppgave a.i figure(); n=5; [x,y,psi]=streamfun(n); contour(x,y,psi); colorbar; xlabel('x-akse, [-.5\pi,.5\pi]'); ylabel('y-akse, [-.5\pi,.5\pi]','FontSize',); tit=sprintf('%s%d','oppgave a.i, n=',n);title(tit,'fontsize',); % Oppgave a.ii figure(); n=3; [x,y,psi]=streamfun(3); contour(x,y,psi); colorbar; xlabel('x-akse, [-.5\pi,.5\pi]'); ylabel('y-akse, [-.5\pi,.5\pi]','FontSize',); tit=sprintf('%s%d','oppgave a.ii, n=',n);title(tit,'fontsize',); Dersom vi nå kjører dette skriptet får vi to figurer et for n = 5 og et for n = 3. >> run('c:\users\nicolai Solheim\Desktop\Obliger\MEK\strlin.m') 5

Dersom vi nå sammenligner med ψ x, y = x y, vil vi se at de tilnærmede strømlinjene nær origo er mer nøyaktige figurene med en høyere n. Vi kan se at plottet med en høyere n-verdi er gir mer nøyaktige konturer enn det vi vil få ved å bruke en lavere n-verdi. b) Vi kan deretter skrive en funksjon velfield.m som beregner hastigheter utfra u = cos x sin y og v = sin x cos y, og som skal brukes i et skript vek.m som som tegner et vektorplott av hastighetsfeltet. Kode for velfield.m: % Beregner hastigheter function[x,y,u,v] = velfield(n) if nargin < ; n=5; end x=linspace(-.5*pi,.5*pi,n); [X,Y] = meshgrid(x,x); U=cos(X).*sin(Y); V=-sin(X).*cos(Y); Kode for vek.m: % Tegner vektorplott av hastighetsfeltet [x,y,u,v]=velfield(5); quiver(x,y,u,v); xlabel('x-akse, [-.5\pi,.5\pi]'); ylabel('y-akse, [-.5\pi,.5\pi]','FontSize',); title('oppgave b, vektorplott av hastighetsfeltet v','fontsize',); Hvis vi nå kjører programmet med n = 5 vil vi få et vektorfelt. >> run('c:\users\nicolai Solheim\Desktop\Obliger\MEK\vek.m') 6

Oppgave 3 a) Vi kan finne linjeintegralet I = v dr λ og en kurve λ. ved regning da vi er gitt v = x + 3y i + 3 + y j Linjeintegralet er funnet ved I = v r dr = A + B = v r λ t r t dt + λ v r t r t dt, hvor r t er det parametriske uttrykket. Vi finner de parametriske λ utrykkene ved hjelp av det vi har fått oppgitt slik at: r t = ti + j t, r t = i + j r t = ti + t j t, r t = i + j Vi kan med dette regne ut linjeintegralet I. I = v r dr λ A = A = A = A = λ = A + B = v r t r t dt λ + v r t r t dt λ v r t r t dt x + 3y i + 3 + y j r t dt t + 3 i + 3 + j r t dt ti + 3j i + j dt A = t dt A = t = A = B = B = B = B = B = λ v r t r t dt x + 3y i + 3 + y j r t dt t + 3 t i + 3 + t j r t dt 4t 3 i + + t j i + j dt 4t 3 + + t dt 7

B = I = A + B I = + 3 I = 7 5t dt B = 5 t 5 t = 5 = 5 + B = 3 Vi har med dette funnet at I = 7. b) Vi kan vise at linjestykket mellom punkt i og punkt i + blir bidraget til I. Det første vi da gjør er å anta integralet kan skrives som en sum for en sekvens rette linjer slik at: I = v dr = v dr I i = v C i+ dr = v dr i = v dr Med dette får vi et uttrykk som vil være anvendt på området mellom punkt i og punkt i + for en rett linje. Videre kan vi løse for v r i og dr. I i = v dr = v r i dr I i = v r i dr I i = u i++u i I i = u i++u i r t = r i + t r i+ r i = r i + t dr, slik at dr = r i+ r i hvor komponentene er dx = x i+ x i dy = y i+ y i dr = dxi + dyj v r i = ui + vj, og da trapesmetoden bruker et midtpunkt vil v være gitt ved v = u i + v j = u i++u i i + v i++v i j i + v i++v i I i = u i++u i x i+ x i j dr = u i++u i x i+ x i + v i++v i (y i+ y i ) + v i++v i (y i+ y i ) 8 i + v i++v i I i = u i+ + u i x i+ x i + v i+ + v i (y i+ y i ) j x i+ x i i + (y i+ y i )j Vi har med dette vist at I i = u i+ + u i x i+ x i + v i+ + v i (y i+ y i ) for et linjestykke mellom punkt i og punkt i +. c) Vi kan nå skrive et program trapes.m som finner I i ved kallet >>[I]=trapes(x,y,u,v);. % Regner ut I function[i] = trapes(x,y,u,v) % Lager en array for I*-verdier n=length(x);i=zeros(,n-); % Finner I*-verdier for i=:(n-); dx=x(i+)-x(i); dy=y(i+)-y(i); up=u(i+)+u(i); vp=v(i+)+v(i);

end Ip =.5*up*dx+.5*vp*dy; I(i)=Ip; d) I i vil være nøyaktig i oppgave (3a) fordi vi kun anvender uttrykket på rette linjer, og vi vil derfor ikke få feil annet enn avrundingsfeil. Dersom vi hadde brukt dette på kurver istedenfor rette linjer ville I i vært en tilnærming av integralet. Vi kan med dette lage et skript, Itest.m, som bruker trapesfunksjonen for å finne I. % Punkter p=[,]; p=[,]; p3=[,]; % Dele punktene i x- og y-verdier x=[p(),p(),p3()]; y=[p(),p(),p3()]; % Regne ut ui og vj u=x+3.*y; v=3+y; % Kjøre trapesfunskjonen list = trapes(x,y,u,v); % Resultat I = sum(list) Hvis vi kjører Itest.m får vi I = 7. Dette kan vises ved: >> Itest.m I = 7 e) Vi kan vise at sirkulasjonen av v rundt enhetssirkelen gitt at v = yi + xj og de parametriske funksjonene for enhetssirkelen er: r t = cos t i + sin t j x t = cos t y t = sin t Dersom vi nå setter regner ut integralet fra til får vi følgende: v = v r t dr = v r t r t dt v = v = sin t i + cos t j sin t i + cos t j dt sin (t) + cos (t) dt v = dt = t = v = Vi har med dette vist at sirkulasjonen av v rundt enhetssirkelen. 9

Programmer og figurer Kode for strlin.m: % Oppgave a.i figure(); n=5; [x,y,psi]=streamfun(n); contour(x,y,psi); colorbar; xlabel('x-akse, [-.5\pi,.5\pi]'); ylabel('y-akse, [-.5\pi,.5\pi]','FontSize',); tit=sprintf('%s%d','oppgave a.i, n=',n);title(tit,'fontsize',); % Oppgave a.ii figure(); n=3; [x,y,psi]=streamfun(3); contour(x,y,psi); colorbar; xlabel('x-akse, [-.5\pi,.5\pi]'); ylabel('y-akse, [-.5\pi,.5\pi]','FontSize',); tit=sprintf('%s%d','oppgave a.ii, n=',n);title(tit,'fontsize',); Kode for velfield.m: % Beregner hastigheter function[x,y,u,v] = velfield(n) if nargin < ; n=5; end x=linspace(-.5*pi,.5*pi,n); [X,Y] = meshgrid(x,x); U=cos(X).*sin(Y); V=-sin(X).*cos(Y); Kode for vek.m: % Tegner vektorplott av hastighetsfeltet [x,y,u,v]=velfield(5); quiver(x,y,u,v); xlabel('x-akse, [-.5\pi,.5\pi]'); ylabel('y-akse, [-.5\pi,.5\pi]','FontSize',); title('oppgave b, vektorplott av hastighetsfeltet v','fontsize',); Kode for trapes.m: % Regner ut I function[i] = trapes(x,y,u,v) % Lager en array for I*-verdier n=length(x);i=zeros(,n-); % Finner I*-verdier for i=:(n-); dx=x(i+)-x(i); dy=y(i+)-y(i); up=u(i+)+u(i); vp=v(i+)+v(i); Ip =.5*up*dx+.5*vp*dy; I(i)=Ip; end

Kode for Itest.m: % Punkter p=[,]; p=[,]; p3=[,]; % Dele punktene i x- og y-verdier x=[p(),p(),p3()]; y=[p(),p(),p3()]; % Regne ut ui og vj u=x+3.*y; v=3+y; % Kjøre trapesfunskjonen list = trapes(x,y,u,v); % Resultat I = sum(list)

3