TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Like dokumenter
Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

L(t 2 ) = 2 s 3, 2. (1. Skifteteorem) (s 2) 3. s 2. (Konvolusjonsteoremet) s 2. L 1 ( Z. = t, L 1 ( s 2 e 2s) = (t 2)u(t 2). + 1

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) 1 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) = 1 s 2 1 s s 2 e s.

TMA4123M regnet oppgavene 2 7, mens TMA4125N regnet oppgavene 1 6. s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s.

MA2501 Numeriske metoder

f (x) = a 0 + a n cosn π 2 x. xdx. En gangs delvisintegrasjon viser at 1 + w 2 eixw dw, 4 (1 + w 2 ) 2 eixw dw.

Eksamensoppgave i TMA4122,TMA4123,TMA4125,TMA4130 Matematikk 4N/M

TMA4135 Matematikk 4D Høst 2014

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

x(x 1)(x 2) p(x) = 3,0 1( 1 1)( 1 2) Newtons interpolasjonsformel: Tabellen over dividerte differenser er gitt ved

UNIVERSITETET I OSLO

Numerisk løsning av PDL

Løsningsforslag eksamen i TMA4123/25 Matematikk 4M/N

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I MATEMATIKK 4N/D (TMA4125 TMA4130 TMA4135) Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MATEMATIKK 4N,

UNIVERSITETET I OSLO

TMA Matematikk 4D Fredag 19. desember 2003 løsningsforslag

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF5045 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag. Side 1 av 6. Faglig kontakt under eksamen: Navn: Brynjulf Owren (93518)

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

Numerikk. TMA Matematikk 4N. Einar Baumann

TMA4215 Numerisk matematikk

EKSAMEN I NUMERISK MATEMATIKK (TMA4215)

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen TMA desember 2009

UNIVERSITETET I BERGEN

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D: Løysing

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

UNIVERSITETET I OSLO

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

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, V08

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

Numerikk. TMA Matematikk 4N. Einar Baumann

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

Fasit MAT102 juni 2016

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO

Viktig informasjon. 1.1 Taylorrekker. Hva er Taylor-polynomet av grad om for funksjonen? Velg ett alternativ

Eksamensoppgave i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

Viktig informasjon. 1.1 Taylorrekker. Hva er Taylor-polynomet av grad om for funksjonen? Velg ett alternativ

Eksamensoppgave i TMA4125 EKSEMPELEKSAMEN - LF

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

UNIVERSITETET I BERGEN

Løsningsforslag. Oppgave 1 Gitt matrisene ] [ og C = A = 4 1 B = 2 1 3

x t + f y y t + f z , og t = k. + k , partiellderiverer vi begge sider av ligningen x = r cos θ med hensyn på x. Da får vi = 1 sin 2 θ r sin(θ)θ x

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

EKSAMEN I TMA4180 OPTIMERINGSTEORI

TMA4110 Matematikk 3 Høst 2010

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

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

Eksamensoppgave i MA1102/6102 Grunnkurs i analyse II

Masteroppgave i matematikk

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

TMA4100 Matematikk1 Høst 2009

UNIVERSITETET I OSLO

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

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

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

Numerisk løsning av ikke-lineære ligninger

Eksamensoppgave i TMA4125 BARE TULL - LF

= x lim n n 2 + 2n + 4

EKSAMEN I FAG TMA4220 NUMERISK LØSNING AV PARTIELLE DIFFERENSIALLIGNINGER VED HJELP AV ELEMENTMETODEN

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, VÅR 09

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

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I BERGEN

MA2501 Numeriske metoder

Underveiseksamen i MAT-INF 1100, 17. oktober 2003 Tid: Oppgave- og svarark

1. Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A = 2 1 A =

UNIVERSITETET I OSLO

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Eksamensoppgåve i TMA4135 Matematikk 4D

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 4 Innleveringsfrist Fredag 11. mars 2016 Antall oppgaver: Løsningsforslag

Eksamensoppgave i TMA4130/35 Matematikk 4N/4D

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Eksamen i TMA4135 Matematikk 4D

Differensjalligninger av førsteorden

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

(s + 1) s(s 2 +2s+2) : 1 2 s s + 2 = 1 2. s 2 + 2s cos(t π) e (t π) sin(t π) e (t π)) u(t π)

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i TMA4130 Matematikk 4N

Løsningsforslag. og B =

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til Eksamen i MAT111

Viktig informasjon. Taylorrekker

Fasit eksamen i MAT102 4/6 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Transkript:

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag TMA423/TMA425 Matematikk 4M/4N Vår 203 Løsningsforslag Øving 2 La y = yx være funksjonen som tilfredstiller differensialligningen med startbetingelser y0 = 2, y 0 = 0. y y 2 y + y = 0 a Skriv om ligningen og startbetingelsene til et system av førsteordens differensialligninger med startbetingelser. La v = y, w = y. Får Vi kan løse systemer numerisk ved å bruke baklengs Euler: med skrittlengde h = 0.. v = w, v0 = 2 w = v 2 w v, w0 = 0 y = fx, y, yx 0 = y 0 y n+ = y n + hfx n+, y n+, b Sett opp det ikke-lineære ligningssystemet du får ved å bruke baklengs Euler på systemet i a. Ligningssystemet blir v n+ = v n + 0.w n+ w n+ = w n + 0. vn+w 2 n+ v n+ Med intialbetingelsene v 0 = 2, w 0 = 0 får vi for n = : v = 2 + 0.w w = 0. vw 2 v, eller 0v w 20 = 0 v + 9 + vw 2 = 0, c Gjør en iterasjon med Newtons metode på ligningssystemet 0v w 20 = 0 v + 9 + v 2 w = 0. Bruk v = 2 og w = 0 som startverdier for iterasjonen. 26. april 203 Side av 6

Løsningsforslag Øving 2 La y = v w 0v w 20, Fy = v + 9 + v 2 w Newtons metode for systemer er gitt ved at i Finn h fra: DFy n h n = Fy n ii Oppdater: y n+ = y n + h n der Dfx er Jacobimatrisen til systemet. Starter med å finne denne: 0 DFy = + 2vw 9 + v 2 Med y 0 = [2, 0] T får vi som gir Dermed blir 0 3 h = y = 0 h = 2 0.053 0.527.9847 0.527..,. 2 I et anisotropt materiale der varmekonduktiviteten i y-retningen er to ganger høyere enn i x-retningen tar den stasjonære diffusjonsligningen varmeligningen formen u xx + 2u yy = 0. Vi vil løse denne numerisk på et kvadratisk område med sidelengde og randbetingelser ux, 0 = u0, y = 0 ux, = u, y =, for x, y [0, ]. Vi betrakter følgende gitter: der h = /3 og U i,j uih, jh. a Vis at differensskjemaet som tilsvarer er U i+,j + U i,j + 2U i,j+ + 2U i,j 6U i,j = 0. 26. april 203 Side 2 av 6

Løsningsforslag Øving 2 Vi bruker approksimasjonene u xx ih, jh h 2 U i+,j 2U i,j + U i,j u yy ih, jh h 2 U i,j+ 2U i,j + U i,j, der U i,j uih, jh. Ved å sette dette inn i PDEen får vi h 2 U i+,j 2U i,j + U i,j + 2 h 2 U i,j+ 2U i,j + U i,j = 0, som kan skrives som U i+,j + U i,j + 2U i,j+ + 2U i,j 6U i,j = 0. b Sett opp systemet som U i,j i, j =, 2 tilfredstiller og gjør en iterasjon med Gauss-Seidel med startpunkt U 0, = U 0 2, = U 0, U 0 2, /2. Randbetingelsene gir: U i,0 = U 0,j = 0 og U i,3 = U 3,j = for i, j =, 2. Setter vi dette inn i ligningen over får vi systemet 6U, U 2, 2U, 0 U, + 6U 2, 2U 2, 2U, + 6U,2 U 2, 2 2U 2, U,2 + 6U 2, 3 Med de oppgitte startverdiene får vi U, = 6 0 + + U, 6 U 2, = 6 U 2, 6 2 + 2 4 4 + 2 3 8 2 + 2 4 + 2 3 + 2 3 8 + 7 24 3 Betrakt den endimensjonale varmeligningen u t = u xx på området 0 x, t 0, med initialbetingelse og randbetingelsene ux, 0 = x2 x, 0 x u0, t = 0, u, t =, t 0. a Foreta to steg med det eksplisitte differanseskjemaet for denne ligningen Kap. 2.6. Bruk h = /2, k = /6. 26. april 203 Side 3 av 6

Løsningsforslag Øving 2 Vi skal finne approksimasjoner u i,j ux i, t j, der x i = ih, t j = jk. Startbetingelsene gir u i,0 = x i 2 x. Dermed er Randbetingelsene er u,0 = 0.75, u 2,0 =. u 0,j = 0, u 2,j =. Den eksplisitte metoden er basert på approksimasjonene slik at skjemaet blir u t x i, t j k u i,j+ u i,j u xx x i, t j h 2 u i+,j 2u i,j + u i,j, eller k u i,j+ u i,j = h 2 u i+,j 2u i,j + u i,j u i,j+ = u i,j + k h 2 u i+,j 2u i,j + u i,j. Med h = 0.5 og k = 0.0625 får vi r = k/h 0.25. Første skritt gir u, = u,0 + ru 2,0 2u,0 + u 0,0 = 0.75 + 0.25 2 0.75 + 0 = 0.625. Andre skritt gir u, u, + ru 2, 2u, + u 0, = 0.625 + 0.25 2 0.625 + 0 = 0.5625. b Benytt Crank-Nicolson på det samme problemet. Bruk samme h og k som i a. Skjemaet er gitt ved ru i,j+ + 2 + 2ru i,j+ ru i+,j+ = ru i,j + 2 2ru i,j + ru i+,j. Første skritt: 0.25 0 + 2 + 0.5u, 0.25 = 0.25 0 + 2 0.5 0.75 + 0.25 som gir Andre skritt: u, = 0.65. 0.25 0 + 2 + 0.5 u,2 0.25 = 0.25 0 + 2 0.5 0.65 + 0.25 som gir u, 0.59. c Skriv ned en eksplisitt metode med generell h og k for ligningen u t = u xx + xu x med de samme rand- og intitialbetingelsene som over. 26. april 203 Side 4 av 6

Løsningsforslag Øving 2 Ved å bruke tilnærmelsene av u t og u xx i a, samt sentraldifferansen får vi skjemaet u x x i, t j 2h u i+,j u i,j eller k u i,j+ u i,j = h 2 u i+,j 2u i,j + u i,j + x i 2h u i+,j u i,j u i,j+ = u i,j = k h 2 u i+,j 2u i,j + u i,j + k 2h x iu i+,j u i,j. 4 Vi ønsker å finne en endelig differanse-approksimasjon til den tredjederiverte f x ved å bruke fem x-verdier x n 2, x n, x n, x n+, x n+2, valgt slik at distansen mellom to nabopunkt er h. a Vis at sentraldifferanse-approksimasjonene av de førse- og andrederiverte kan kombineres til å gi sentraldifferanse-approksimasjonen av f x. fx n+2 2fx n+ + 2fx n fx n 2 2h 3 Vi har Dermed blir f x n fx n+ fx n 2h f x n fx n+ + fx n 2fx n h 2. f x n f x n+ f x n 2h = fx n+2 fx n 2fx n+ fx n fx n 2 + 2fx n 2hh 2 = fx n+2 2fx n+ + 2fx n fx n 2 2h 3. b Bruk formelen til å tilnærme f 0 der fx = sinπx og h = 0.0. Vi har f 0 f0.02 2f0.0 + 2f 0.0 f 0.02 20.0 3 30.9986269. c Repeter punkt b, men nå med h = 0.005. Sammenlign de to approksimasjonene med den eksakte verdien, og vis at resultatene er konsistent med at feilen skalerer som Oh 2. 26. april 203 Side 5 av 6

Løsningsforslag Øving 2 Vi får nå f 0 f0.0 2f0.005 + 2f 0.005 f 0.0 20.005 3 3.004364. Vi vet at f x = π 3 cosπx, slik at f 0 = π 3. Feilen i våre approksimasjoner er ɛ 0.0 = 0.007650 ɛ 0.005 = 0.0092. Vi ser at ɛ 0.0 4 ɛ 0.005. Dette er konsistent med at feilen skalerer som h 2 fordi 0.0/ 0.005. 26. april 203 Side 6 av 6