Danske besvarelser af udvalgte opgaver.

Relaterede dokumenter
GEOMETRI-TØ, UGE 3. og resultatet følger fra [P] Proposition 2.3.1, der siger, at

Lidt om plane kurver og geometrisk kontinuitet

Kurver og flader i geometri, arkitektur og design 23. lektion

GEOMETRI-TØ, UGE 12. A σ (R) = A f σ (f(r))

Geometriske grundbegreber 8. lektion

Om første og anden fundamentalform

Bevægelsens Geometri

8 Regulære flader i R 3

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. Hele rummet uden z aksen

MASO Uge 8. Invers funktion sætning og Implicit given funktion sætning. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

STEEN MARKVORSEN DTU COMPUTE 2016

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 10 opgaver over. 1, og et punkt er givet ved: (2, 1)

Prøveeksamen MR1 januar 2008

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Efterår - 8. Januar 2016

Højere Teknisk Eksamen maj Matematik A. Forberedelsesmateriale til 5 timers skriftlig prøve NY ORDNING. Undervisningsministeriet

Aalborg Universitet - Adgangskursus. Eksamensopgaver. Matematik B til A

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave A

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Reeksamen i Calculus

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 10 opgaver over. , og et punkt er givet ved: P (2, 1).

Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 03

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe den første opgave af hvert emne over.

Gradienter og tangentplaner

A U E R B A C H M I K E # e z. a z. # a. # e x. # e y. a x

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Eksamen i Mat F, april 2006

Matematik F2 Opgavesæt 2

Matematiske hjælpemidler. Koordinater. 2.1 De mange bredder.

Analytisk geometri. Et simpelt eksempel på dette er en ret linje. Som bekendt kan en ret linje skrives på formen

STEEN MARKVORSEN DTU COMPUTE 2017

Reaktionskinetik - 1 Baggrund. lineære og ikke-lineære differentialligninger. Køreplan

MATEMATIK A-NIVEAU. Kapitel 1

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

Matematik F2 Opgavesæt 6

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

M A T E M A T I K. # e z. # a. # e x. # e y A U E R B A C H M I K E. a z. a x

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Vektorfelter langs kurver

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Mere om differentiabilitet

Matematiske metoder - Opgaver

Undervisningsbeskrivelse

ADGANGSKURSUS AALBORG UNIVERSITET. Formelsamling. Brush-up Flex

Undervisningsbeskrivelse

Maj 2015 (alle opgaver og alle spørgsmål)

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Temaopgave: Parameterkurver Form: 6 timer med vejledning Januar 2010

Matematik A August 2016 Delprøve 1

Flemmings Maplekursus 1. Løsning af ligninger a) Ligninger med variabel og kun en løsning.

Reeksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet. 17.

VEKTORGEOMETRI del 2 Skæringer Projektioner Vinkler Afstande

Kortprojektioner og forvanskninger. Lisbeth Fajstrup Institut for Matematiske Fag Aalborg Universitet

Mordell s Sætning. Henrik Christensen og Michael Pedersen. 17. december 2003

Den todimensionale normalfordeling

Analytisk plangeometri 1

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Vektorer og rumgeometri med. TI-Interactive!

Optimale konstruktioner - når naturen former. Opgaver. Opgaver og links, der knytter sig til artiklen om topologioptimering

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

Eksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet. 6.

Vektoranalyse INDLEDNING. Indhold. 1 Integraltricks. Jens Kusk Block Jacobsen 21. januar 2008

GEOMETRI-TØ, UGE 11. Opvarmningsopgave 2, [P] (i,ii,iv). Udregn første fundamentalform af følgende flader

Q (0, 1,0) MF(161): y a( x) y b( x) har løsningen: y e b( x) bx ( ) e dx e e dx e dx e. y e 8e. Delprøve uden hjælpemidler: kl

Andengradsligninger i to og tre variable

Kurve- og plan-integraler

DesignMat Lineære differentialligninger I

MATEMATIK A-NIVEAU Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012 Differentialligninger

Lineær Algebra F08, MØ

Matematik A-niveau STX 1. juni 2010 Øvelse DELPRØVE 1 & DELPRØVE 2

Undervisningsbeskrivelse

Teoretiske Øvelser Mandag den 13. september 2010

Undervisningsbeskrivelse

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

4.1 Lineære Transformationer

2.9. Dette er en god simpel projektion for områder nær Ækvator. Hvad er den inverse afbildning, f -1?

Udledning af Keplers love

Maj 2013 (alle opgaver og alle spørgsmål)

Undervisningsbeskrivelse

9 Geodætiske kurver og Gauss-krumning

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 13

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

Projekt 4.9 Bernouillis differentialligning

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2019 ( ) ( )

Vektorer i 3D. 1. Grundbegreber. 1. Koordinater. Enhedsvektorerne. Vektor OP. De ortogonale enhedsvektorer kaldes for: Hvis punkt p har koordinaterne:

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

Matematik A-niveau 22. maj 2015 Delprøve 2. Løst af Anders Jørgensen og Saeid Jafari

Undervisningsbeskrivelse

Obligatorisk Projekt MM512 Kurver og Flader 4. kvartal 2007

Undervisningsbeskrivelse

(Prøve)Eksamen i Calculus

Tal. Vi mener, vi kender og kan bruge følgende talmængder: N : de positive hele tal, Z : de hele tal, Q: de rationale tal.

Transkript:

IMFUFA, INM Carsten Lunde Petersen Danske besvarelser af udvalgte opgaver. Introduction Forslag til besvarelse af udvalgte opgaver. Opgave 7.9: Vis, at en ikke plan glat kurve α : I R 3 i rummet forløber på en kugleflade hvis og kun hvis dens krumings funktion κ : I R og dens torsionsfunktion τ : I R opfylder differentialligningen: At α er ikke plan skal fortolkes som, ( ) τ κ κ = τκ 2 s I : κ(s) 0, τ(s) 0. (Hintet i bogen til den ene vej i dette udsagn er ret udførligt, men for fuldstændighedens skyld gennemregner jeg det, idet (0.5) har været lidt dunkelt belyst i jeres besvarelser): Lad α forløbe på en kugleflade. Ved evt at forskyde α kan vi antage at kuglens centrum er i origo, 0. Vi kan endvidere antage at α er parametriseret ved kurvelængde (ved evt at omparametrisere), således at α (s) = T(s) er en enhedsvektor. Da er enheds normal vektoren N(s) til α givet ved T (s) = κ(s)n(s) og binormalvektoren B(s) = T(s) N(s). Således er Frenet trebenet (T(s), N(s), B(s)) en orthonormalbasis for R 3 Specielt er 0 = T(s) N(s), T(s) T(s) = 1. (0.1) Og ifølge Frenet-Serret theoremet 7.5 har vi T (s) = κ(s)n(s) N (s) = κ(s)t(s) + τ(s)b(s) B (s) = τ(s)n(s). (0.2)

Danske besvarelser af udvalgte opgaver. Page 2 of 6 Lad r > 0 være kuglens radius, da har vi α(s) α(s) = r 2. Hvilket ved differentiation og division med 2 giver 0 = α (s) α(s) = T(s) α(s). (0.3) Ved differentiation heraf finder vi 0 = T (s) α(s) + T(s) T(s). Ved hjælp (0.2) (for T ) og (0.1) kan dette omskrives til og da κ(s) 0 får vi også κ(s)n(s) α(s) = 1 (0.4) N(s) α(s) = 1 κ(s) (0.5) Differentiation af (0.4) giver κ (s)n(s) α(s) + κ(s)n (s) α(s) + κ(s)n(s) T(s) = 0, som ved omskrivning ved hjælp af (0.2) (for N ), (0.5) samt (0.1) bliver til κ (s) κ(s) + κ(s)( κ(s)t(s) + τ(s)b(s)) α(s) = 0 Ved brug (0.3) og division med κ(s)τ(s) (her bruger vi τ(s) 0) ender vi med B(s) α(s) = Ved differentiation heraf finder vi κ (s) τ(s)κ 2 (s). (B (s) α(s) + B(s) T(s)) = ( κ Som ved brug af B(s) T(s) = 0 samt (0.2) (for B ) og (0.4) bliver til τκ 2 τ(s)n(s) α(s) = τ(s) ( ) κ κ(s) = τκ 2 Hvilket skulle vises. At vise den anden implication kræver en god idé, som jeg godt kan forstå, der ikke er nogen af jer, som har fundet. For fuldstændighedens skyld giver jeg et argument. )

Danske besvarelser af udvalgte opgaver. Page 3 of 6 For plane kurver α : I R 2 fandt vi den (osculerende eller kyssende) cirkel, dvs. den cirkel der bedst muligt rummer α(s) i nærheden af et punkt α(s 0 ). Tilsvarende kan vi til en kurve i rummet α : I R 3 bestemme den (osculerende eller kyssende) sphere, dvs. den sphere der bedst muligt rummer α(s) i nærheden af et punkt α(s 0 ), hvor både κ(s 0 ) 0 og τ(s 0 ) 0. Det vil sige vi søger efter det punkt C = C(s 0 ) for hvilket afstanden r(s) = C α(s) er konstant indtil fjerde orden i s i en omegn om s 0. Som altid kan vi antage at α er parametriseret ved kurvelængde hvorved r(s 0 ) > 0 for at r (s 0 ) = 0. Men da har vi r (s 0 ) = 0 hvis og kun hvis (r 2 ) (s 0 ) = 0. For at lette notationen lad f(s) = r 2 (s)/2. Det halve kvadrat f(s) på afstanden til centret for den osculerende sphere til α i s 0 skal derfor opfylde f (s 0 ) = f (s 0 ) = f (s 0 ) = 0. (0.6) Lad os opskrive C ved hjælp af orthonormal basen (T(s 0 ), N(s 0 ), B(s 0 )) samt α(s 0 ): C = C(s 0 ) = α(s 0 ) + at(s 0 ) + bn(s 0 ) + cb(s 0 ) (0.7) Vi finder da ved gentagen differentiation af f(s) = 1/2r 2 (s): f (s) = (C α(s)) T(s); (0.8) f (s) = T(s) T(s) (C α(s)) T (s) = 1 κ(s)(c α(s)) N(s); (0.9) f (s) = κ (s)(c α(s)) N(s) κ(s)(t(s) N(s) + (C α(s)) N (s)) (0.10) = κ (s)(c α(s)) N(s) κ(s)(c α(s)) ( κ(s)t(s) + τ(s)b(s)). (0.11) Lad os antage at krumningen κ(s 0 ) 0, således at α ikke har en ret linie som bedste approximation nær α(s 0 ). Da finder vi ved at sammenholde (0.7) og (0.8) at 0 = f (s 0 ) a = 0. Ved at sammenholde (0.7) og (0.9) finder vi videre at f (s 0 ) = 0 b = 1 κ(s 0 ) Endelig finder vi ved at sammenholde (0.7) og (0.11) med (0.2) (for N ) samt ovenstående at hvis f (s 0 ) = f (s 0 ) = 0, da gælder f (s 0 ) = 0 0 = κ (s 0 ) κ(s 0 ) + κ(s 0)τ(s 0 )c

Danske besvarelser af udvalgte opgaver. Page 4 of 6 Hvis τ(s 0 ) 0, dvs hvis ikke α lokalt er bedst approximeret af en plan, bliver dette til f (s 0 ) = 0 c = κ (s 0 ) τ(s 0 )κ 2 (s 0 ) Dette leder os frem til følgende formel for centrum C = C(s 0 ) af osculationsspheren for kurven α ved α(s 0 ), og med κ(s 0 ) 0, τ(s 0 ) 0: C(s 0 ) = α(s 0 ) + 1 κ(s 0 ) N(s 0) κ (s 0 ) τ(s 0 )κ 2 (s 0 ) B(s 0). (0.12) Hvis osculationsspherens centrum C(s) er fast, dvs. hvis C(s) = Constant, da viser beregningerne ovenfor at C α(s) = R en konstant, hvorfor α befinder sig på spheren med centrum i C og radius R. For at finde ud af hvornår C(s) er fast kan vi blot differentiere C(s) og sætte den afledte lig 0. Vi finder C (s) = T(s) κ (s) κ 2 (s) N(s) + 1 ( κ ) (s) κ(s 0 ) N (s) B(s) κ (s) τ(s)κ 2 (s) τ(s)κ 2 (s) B (s) = T(s) κ (s) κ 2 (s) N(s) + 1 κ(s) = ( ( τ(s) κ ) ) κ(s) (s) B(s) τ(s)κ 2 (s) ( κ(s)t(s) + τ(s)b(s)) ( κ ) (s) B(s) + κ (s) τ(s)κ 2 (s) κ 2 (s) N(s) Hermed har vi vist at hvis κ 0 og τ 0 på I. Da forløber α(i) på en sphere hvis og kun hvis ( τ(s) κ ) κ(s) (s) = 0 τ(s)κ 2 (s) Endvidere er spherens centrum givet ved (0.12), hvor s 0 I er et vilkårligt punkt og radius R is spheren er givet ved R 2 = 1 ( κ ) 2 κ 2 (s 0 ) + (s 0 ). τ(s 0 )κ 2 (s 0 )

Danske besvarelser af udvalgte opgaver. Page 5 of 6 Opgave 9.8: og Med x(u, v) = (f 1 (u, v), f 2 (u, v), f 3 (u, v)) : U R 3 har vi x uu (u, v) = x vv (u, v) = ( 2 ) f 1 u (u, v), 2 f 2 2 u (u, v), 2 f 3 (u, v) 2 u2 ( 2 ) f 1 v (u, v), 2 f 2 2 v (u, v), 2 f 3 (u, v) 2 v2 Heraf ses det at koordinatfunktionerne f i er harmoniske, i.e. hvis og kun hvis 2 f i u (u, v) + 2 f i (u, v) = 0, for i = 1, 2, 3. 2 v2 x uu (u, v) + x vv (u, v) = 0. Idet (x u, x v, N) er en basis for R 3 ser vi at koordinatfunktionerne er harmoniske hvis x u (x uu + x vv ) = x v (x uu + x vv ) = N (x uu + x vv ) = 0. Idet N x uu = e og N x vv = g finder vi specielt at hvis koordinatfunktionerne f i er harmoniske, da er e(u, v) + g(u, v) = 0. Kortet x er konformt hvis og kun hvis E = x u x u = x v x v = G og F = x v x v = 0, eller ekvivalent hermed E u G u = E v G v = F u = F v = 0 (0.13) dvs hvis ds 2 = φdu 2 + φdv 2 hvor φ = E = G. Ved indsættelse finder vi 0 = F v = v x u x v = x uv x v + x u x vv x u x vv = x uv x v. Som ved indsættelse i giver 0 = E u G u = u (x u x u x v x v ) = 2(x u x uu x v x vu ) Og tilsvarende ved symmetri fås x u (x uu + x vv ) = 0 x v (x uu + x vv ) = 0

Danske besvarelser af udvalgte opgaver. Page 6 of 6 af F u = E v G v = 0. Derfor under antagelse om at kortet x er konformt er koordinatfunktionerne harmoniske hvis og kun hvis e + g = 0. Idet middelkrumningen H(u, v) er givet ved H(u, v) = 1 2 (a 11+a 22 ) følger det af theorem 9.9 samt af F = E G = 0 at H(u, v) = 1 ff eg + ff ge = 1 eg + ge 2 EG F 2 2 EG = e + g 2E. Det vil sige at for et konformt kort er middelkruminingen 0 hvis og kun hvis e + g = 0. Eller med andre ord x(u) er en minimal flade, hvis og kun hvis koordinatfunktionerne er harmoniske. Hvilket skulle vises. Opgave 10.8: Lad x : U S være en koordinat patch på en flade S med e = f = g = 0 og U sammenhængende. Idet (x u, x v, N) er en basis for R 3 og N(u, v) er en enhedsvektor kan N u og N v skrives som linearkombinationer af x u og x v : N u = a 11 x u + a 21 x v N v = a 12 x u + a 22 x v jvf. side 140. Men e = N u x u = 0 = g = N v x v og 0 = f = N u x v = N v x u medfører at N u = N v = 0. Derfor er (u, v) U : N(u, v) = N(u 0, v 0 ) = N en konstant enhedsvektor, hvor (u 0, v 0 ) U er et vilkårlig fast punkt. For alle (u, v) U har vi derfor 0 = x u (u, v) N(u, v) = x u (u, v) N(u 0, v 0 ) = x v (u, v) N(u 0, v 0 ). Idet U er sammenhængende følger det heraf at x(u) {(x, y, z) ((x, y, z) x(u 0, v 0 )) N(u 0, v 0 ) = 0} dvs. x(u) er indeholdt i planen gennem x(u 0, v 0 ) med normalvektor N(u 0, v 0 ). Hvilket skulle vises.