MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

Like dokumenter
MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, VÅR 09

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Løsningsforslag, eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 10

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

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

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

NTNU. TMA4100 Matematikk 1 høsten Løsningsforslag - Øving 12. Avsnitt Ved Taylors formel (med a = 0) har vi at. 24 For x < 0 har vi at

TMA4100 Matematikk1 Høst 2009

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

. Følgelig er csc 1 ( 2) = π 4. sin θ = 3

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

e x = 1 + x + x2 2 + R 2(x), = e 3! ( 1) n x n = n! n=0 y n+1 = y 0 + f(t, y n (t)) dt 1 dt = 1 + x (1 + t) dt = 1 + x x2

TMA4110 Matematikk 3 Høst 2010

Eksamensoppgave i MA0002 Brukerkurs i matematikk B - LØSNING

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag for eksamen i brukerkurs i matematikk A (MA0001)

3x + 2y 8, 2x + 4y 8.

MA1102 Grunnkurs i Analyse II Vår 2015

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1101, 5.oktober 2010

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Differensjalligninger av førsteorden

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

d) Vi skal nne alle lsningene til dierensialligningen y 0 + y x = arctan x x pa intervallet (0; ). Den integrerende faktoren blir R x e dx = e ln x =

UNIVERSITETET I BERGEN

Som vanlig er enkelte oppgaver kopiert fra tidligere års løsningsforslag. Derfor kan notasjon, språk og stil variere noe fra oppgave til oppgave.

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

x 2 + y 2 z 2 = c 2 x 2 + y 2 = c 2 z 2,

y(x) = C 1 e 3x + C 2 xe 3x.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF5045 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Løsningsforslag: Eksamen i Brukerkurs for informatikere MA 0003, onsdag 30. november 2005

UNIVERSITETET I BERGEN

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

Eksamen i SIF5036 Matematisk modellering Onsdag 12. desember 2001 Kl

Løsningsforslag til eksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Løsningsforslag eksamen i TMA4100 Matematikk desember Side 1 av 7

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

Fasit til eksamen i emnet MAT102 - Brukerkurs i matematikk II Mandag 21.september 2015

NTNU Institutt for matematiske fag. TMA4100 Matematikk 1 høsten Løsningsforslag - Øving 8. Oppgave 1. Oppgave 2

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

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

=cos. =cos 6 + i sin 5π 6 = =cos 2 + i sin 3π 2 = i.

Løsningsforslag Eksamen M100 Høsten 1998

SIF5025: Differensiallikninger og dynamiske systemer

NTNU. TMA4100 Matematikk 1 høsten Løsningsforslag - Øving 5. Avsnitt Vi vil finne dx ( cos t dt).

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I GRUNNKURS I ANALYSE I (MA1101/MA6101)

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

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.

MA0002 Brukerkurs i matematikk B. Eksamen 28. mai 2016 Løsningsforslag. Oppgave 1

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TMA4165 DIFFERENSIALLIGNINGER OG DYNAMISKE SYSTEMER

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

. Følgelig er csc 1 ( 2) = π 4. sinθ = 3

Løsningsforslag ST2301 Øving 5

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

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, V08

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

LØSNING, KOMMENTAR & STATISTIKK

1+2 x, dvs. løse ligningen mhp. x. y = 100. y(1+2 x ) = = 2 x = y. xln2 = ln 100 y. x = 1 ln2 ln. f 1 (x) = 1 ln2 ln x

TMA4105 Matematikk2 Vår 2008

lny = (lnx) 2 y y = 2lnx x y = 2ylnx x = 2xlnx lnx

UNIVERSITETET I OSLO

Test, 4 Differensiallikninger

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1050, vår 2019

= (2 6y) da. = πa 2 3

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

EKSAMEN I MATEMATIKK 1000

Løsningsforslag, eksamen MA1101/MA6101 Grunnkurs i analyse I, vår 2009

UNIVERSITETET I OSLO

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

x 2 = x 1 f(x 1) (x 0 ) 3 = 2 n x 1 n x 2 n 0 0, , , , , , , , , , , 7124

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

Eksamen IRF30014, høsten 15 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Høgskolen i Telemark Fakultet for estetiske fag, folkekultur og lærerutdanning BOKMÅL 25. mai 2012

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

x 2 = x 1 f(x 1) (x 0 ) 3 = 2 x 2 n n x 1 n 0 0, , , , , , , , , , , 7124

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.

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit MAT102 juni 2016

TMA4215 Numerisk matematikk

Problem 1. Problem 2. Problem 3. Problem 4

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

Notasjon i rettingen:

Transkript:

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017 Løsningsforslag Øving 3 apittel 8.2: Likevektspunkter og deres stabilitet La oss si vi har en differensialligning på formen dy = gy) 0.1) dx der g er en gitt funksjon. Hva kan man si om egenskapene til løsningene av 0.1) uten å løse differensialligningen? Det er klart at hvis g har et nullpunkt i ŷ, dvs. gŷ) = 0, så vil den konstante funksjonen yx) ŷ 0.2) være en løsning av 0.1) begge sider i 0.1) er alltid lik null). Vi sier da at funksjonen 0.2) er en likevektsløsning av 0.1). Det er også klart at grafen til en løsning av 0.1) vil stige hvis g er positiv og grafen vil synke hvis g er negativ. En viktig egenskap til likevektsløsningene er deres stabilitet. Dette avgjøres ikke av likevektsløsningen selv, men av løsninger med en graf som starter nær ŷ: Anta at vi er gitt en initialbetingelse yx 0 ) = y 0 der y 0 er et tall nær likevektspunktet ŷ. Vi sier at ŷ er en stabil likevektsløsning hvis løsningen til initialverdiproblemet vil fortsette å nærme seg ŷ. Vi sier at ŷ er en ustabilt likevektsløsning hvis løsningen fjerner seg fra ŷ. Følgende teorem gjør det enkelt å kategorisere et likevektsløsninger. Teorem 1. En likevektsløsning ŷ til differensialligningen 0.1) er stabilt hvis g ŷ) < 0. En likevektsløsning er ustabilt hvis g ŷ) > 0. 8.2:5 Anta at en populasjon vekser i henhold til logistisk ligning med indre vesktrate r = 1.5. Anta at bæreevne til populasjon er = 100. a) Finn differensialligningen som beskriver veksthastighet til denne populasjonen. b) Finn likevektsløsningene til denne differensialligningen. Tegn og bruk grafen til å drøfte stabiliteten til likevektsløsningene. c) Beregn egenverdiene se def. i boken) til hver likevektsløsning og avgjør stabiliteten til likevektsløsningene. Sammenlign svarene ift punkt a.) 30. januar 2017 Side 1 av 10

Løsning: a) La N være antall befolkningen på tidspunkt t. I forhold til logisktisk ligning kan vi representere befolkningsvekst som: dn = rn 1 N ) = 1.5N 1 N ) ved å erstatte verdiene av r og 100 ) 100 N = 1.5N 100 = 0.015N100 N) b) Ved å sette gn) = dn = 0 = 0.015N100 N) = 0 får vi to likevektsløsningene som er: N = 0 og N = 100 Figur 1: Grafen av gn) har to nullpunkter Som vi ser av figur 1, har g nullpunkter i N = 0 og N = 100. Hvis N > 0 så er g positiv og N vil stige å gå bort fra 0. Altså, N = 0 er en ustabil likevektsløsning. Hvis N < 100 så er g positiv og N vil stige og vil gå mot N = 100; også når N > 100 så er g negativ og N vil synke og gå mot N = 100. Dermed er N = 100 en stabil likevektsløsning. c) Vi finner egenverdiene til likevektsløsningene: Vi har at gn) = 0.015N100 N) = 30. januar 2017 Side 2 av 10

0.015100N N 2 ), så g N) = 0.015100 2N). Dette gir at og λ 1 = g N = 0) = 0.015100 20)) = 1.5 > 0 λ 2 = g N = 100) = 0.015100 2100)) = 0.015 100) = 1.5 < 0 som bekrefter at N = 100 er en stabil likevektsløsning og at N = 0 er en ustabil likevektsløsning. 8.2:7 Anta at en populasjon vekser i henhold til logistisk ligning med indre vesktrate r = 2. Anta at N0) = 10. a) Finn bæreevnen hvis populasjon vekser størst når populasjonsstørrelse er 1000. b) Hvis N0) = 10, hvor lenge vil det ta før populasjon når 1000? c) Finn lim t Nt). Løsning: a) La N være antall befolkningen på tidspunkt t. I forhold til logisktisk ligning kan vi representere befolkningsvekst som: gn) = dn = rn 1 N ) vi prøver å finne et punkt for g, hvor populasjon vekser mest ved bruk av derivativ av funksjon gn). Dermed g N) = d2 N 2 ) 1 = rn = r 1 2N + r1) ) 1 N ) = r N + 1 N ) Vi ser at g N) = d2 N 2 < 0 N > 2 og g N) = d2 N 2 > 0 N < 2 Dermed er dn 2 maksimalpunkt for gn) = og derfor d2 N = 0 når N = 2 2 Fermat s Teorem i 3. utgave av boka), og det gir oss at = 2N = 0. se side 207, 30. januar 2017 Side 3 av 10

b) Vi vet at løsning av logistisk ligning er: Nt) = ) 1 + N 0 1 e rt ved bruk av verdier r,, N = 1000 og N0) = N 0 = 10 får vi 0 1000 = ) 0 1 + 10 1 e 2t = 0 1 + 1 ) e 2t = 1 + 199e 2t = 0 1000 = 2 = 199e 2t = 2 1 = 1 = e 2t = 1 = 2t = ln 1 199 199 = t = 1 2 ln 1 199 2.65 c) lim Nt) = lim t t 1 + N 0 1 )e rt = = 0. 8.2:10 Anta at en fisk populasjon vekser i henhold til logistisk ligning hvor en bestemt antall fisk er tatt ut ved hastighet proporsjonal populasjon størrelse. Hvis Nt) er populasjon størrelse på tidspunkt t, så dn = rn 1 N ) hn. Anta at r = 2 og = 1000. a) Finn likevektsløsningene til denne differensialligningen. Tegn og bruk grafen til å drøfte stabiliteten til likevektsløsningene når h = 0.1 og finn maksimalt innhøstingsrate. b) Vis at hvis h < r = 2, så er det en nontrivial likevektsløsning. c) Bruk egenverdier og grafen til hver likevektsløsning og avgjør stabiliteten til likevektsløsningene. Sammenlign svarene ift punkt b.) Løsning: a) For å finne like vektsløsning, vi lar gn) = dn = 0 = : 30. januar 2017 Side 4 av 10

gn) = dn = rn = rn 1 N ) hn = 0 1 N ) hn = 0 = rn N) hn = 0 = rn N h r ) = 0 = N = 0 eller N h = 0, i.e., N = 1 h ) r r ved å erstatte verdiene, r og h, vi får to likevektløsningene for vekst modell, N = 0 og N = 10001 0.1 2 ) = 1000 50 = 950. I grafen under kan vi se at N = 0 er ustabil likevektsløsning mens N = 950 er stabil. For å finne maksimalt innhøstingsrate h), ønsker vi at N skull være positivt når system er i stabil situasjon. Når vi går tilbake til likevesktløsningene, har vi en stabil likevesktsløsning, som er: N = 1 h ). r For å ha positivt populasjon størrelse må vi ha N = 1 h ) > 0 r når system er stabil på denne likevektsløsning. Dermed har vi en begresning på h at og maksimalt kan h være 2. Løsning: b) Vi prøver å finne egenverdier av gn). 1 h r > 0 = 1 > h r = h < r = 2 30. januar 2017 Side 5 av 10

På N = 0, er g N) = r1) 1 N ) + rn 1) h = r rn rn h = r h 2rN g 0) = r h som skull være < 0 hvis system skull være stabil på punkt 0, dvs: r h < 0 = h > r men her r = 2 og h = 0.1, i.e., h < r som betyr at system er ustabil når N = 0 trivial løsning) og dermed har vi bare et nontrivial likevektsløsning når h < r, som er: N = 1 h ) r Løsning: c) Vi får samme resultater når vi sammenligne grafen i punkt a.) og egenverdier i punkt b.). 30. januar 2017 Side 6 av 10

30. januar 2017 Side 7 av 10

Løsningsforslag Øving 3 8.2:25 Anta at antall befolkningen på et tidspunkt t er N t), og anta at dn N = 0.3N N 17) 1 fort 0. a) Finn alle likevektsløsningene til denne differensialligningen. 30. januar 2017 Side 8 av 10

b) Beregn egenverdiene til hver likevektsløsning og avgjør stabiliteten til likevektsløsningene. c) Tegn og bruk grafen til hver likevektsløsning og avgjør stabiliteten til likevektsløsningene. Sammenlign svarene ift punkt b.) Løsning: a) Ved inspeksjon, kan vi se at dn har tre likevelstløsninger, nemlig, N = 0, N = 17 og N =. Løsning: b) Lar gn) = dn. For å finne egenverdier vi må derivere gn): = 0.3NN 17) 1 N ) [ = g N) = 0.3 2N 17) gn) = dn 1 N = 0.3 [ 2N 17) N) N 2 17N) Vi finner egenverdier ift alle likevekstløsninger: = 0.3N 2 17N) 1 N ) + N 2 17N) ) ) 1 g 0) = 0.3 [ 0 17) 0) 0) = 0.3 17) < 0 = N=0 er en stabil likevektsløsning. g 17) = 0.3 [ 217) 17) 17) 17) 2 1717)) = 0.3 [ 17)183) 0) = 0.3 17)183) > 0 = N=17 er en ustabil likevektsløsning. g ) = 0.3 [ 2) 17) ) ) 2 17)) = 0.3 [ 400)0) 40000 3400) = 0.3 36600) < 0 = N= er en stabil likevektsløsning. Løsning: c) I grafen under får vi bekreftet våre resultater både fra punkt a.) og b.) 30. januar 2017 Side 9 av 10

8.1:33 Finn løsningen av differensialligning: dy dx = 1 + y)3. Løsning: dy dx = 1 + y)3 = dy 1 + y) 3 = dx dy = 1 + y) 3 = dx = 1 2 1 1 + y) 2 = x + C = 1 + y) 2 = 2x + C) = 1 + y = 2x + C)) 1/2 = y = 1 ± 2x + C)) 1/2. 30. januar 2017 Side 10 av 10