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

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

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

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

Mere om differentiabilitet

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Noter om polynomier, Kirsten Rosenkilde, Marts Polynomier

Fordybelsesprojekt Analyse 2, forår 2012 Potensrækker

DesignMat Lineære differentialligninger I

Polynomier. Indhold. Georg Mohr-Konkurrencen. 1 Polynomier 2. 2 Polynomiumsdivision 4. 3 Algebraens fundamentalsætning og rødder 6

Noter om Komplekse Vektorrum, Funktionsrum og Differentialligninger LinAlg 2004/05-Version af 16. Dec.

MM501 forelæsningsslides

Førsteordens lineære differentialligninger

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

(Prøve)Eksamen i Calculus

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (30. september oktober 2002) side 1. Komplekse tal Arbejdsplan

DesignMat Lineære differentialligninger I

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 10

Polynomier af én variabel

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

Reeksamen i Calculus

MATEMATIK 1A MATEMATISK ANALYSE 12. november 2009 Oversigt nr. 1

Noter om komplekse tal

Pointen med Differentiation

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

DiMS 2010 Uge 7,

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

Komplekse Tal. 20. november UNF Odense. Steen Thorbjørnsen Institut for Matematiske Fag Århus Universitet

Der er facit på side 7 i dokumentet. Til opgaver mærket med # er der vink eller kommentarer på side 6.

Projekt 3.5 faktorisering af polynomier

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (1. oktober oktober 2001) side 1 Komplekse tal Arbejdsplan

Fejlkorligerende køder Fejlkorrigerende koder

Eksamen i Calculus Fredag den 8. januar 2016

Lektion 12. højere ordens lineære differentiallininger. homogene. inhomogene. eksempler

Varmeligningen og cosinuspolynomier.

Polynomier af én variabel

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

Eksamen i Calculus Mandag den 8. juni 2015

Jeg foretager her en kort indføring af polynomier over såvel de reelle som

Reeksamen i Calculus Onsdag den 17. februar 2016

Eksamen i Calculus. Onsdag den 1. juni Første Studieår ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Funktioner. 3. del Karsten Juul

Algebra - Teori og problemløsning

Svar til eksamen i Matematik F2 d. 23. juni 2016

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Introduktion til Laplace transformen (Noter skrevet af Nikolaj Hess-Nielsen sidst revideret marts 2013)

Differentialregning. Ib Michelsen

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Matematisk modellering og numeriske metoder

matematik-økonomi-studerende

Hans J. Munkholm: En besvarelse af

I kurset Samhørende og partielle differentialligninger vil vi i foråret 2006 benytte bogen

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

Polynomium Et polynomium. Nulpolynomiet Nulpolynomiet er funktionen der er konstant nul, dvs. P(x) = 0, og dets grad sættes per definition til.

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

z + w z + w z w = z 2 w z w = z w z 2 = z z = a 2 + b 2 z w

Mat H /05 Note 2 10/11-04 Gerd Grubb

Den homogene ligning. Vi betragter den n te ordens, homogene, lineære differentialligning. d n y dt n. an 1 + any = 0 (1.2) dt. + a1 d n 1 y dt n 1

MATEMATIK A-NIVEAU. Kapitel 1

Funktioner af to variable

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

Matematik A. Højere teknisk eksamen. Forberedelsesmateriale. htx112-mat/a

Prøveeksamen MR1 januar 2008

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

Mujtaba og Farid Integralregning

Uge 6 Store Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Opgave 1 Udregning af determinant. Håndregning Der er givet matricen A =

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

Gradienter og tangentplaner

10. Differentialregning

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Opgave 1 - Lineær Funktioner. Opgave 2 - Funktioner. Opgave 3 - Tredjegradsligning

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Fourier transformationen

Eksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet. 3.

PeterSørensen.dk : Differentiation

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Differential- regning

1 monotoni & funktionsanalyse

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

Matematik F2 Opgavesæt 2

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

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

Andengradspolynomier - Gymnasienoter

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

Lektion ordens lineære differentialligninger

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

Asymptoter. for standardforsøgene i matematik i gymnasiet Karsten Juul

Vektorfelter. enote Vektorfelter

Reeksamen i Calculus

Projekt 3.4 Fjerdegradspolynomiets symmetri

Transkript:

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C Opgaven består af tre dele, hver med en række spørgsmål, efterfulgt af en liste af teorispørgsmål. I alle opgavespørgsmålene må man gerne bruge Maple, lommeregner osv. til hjælp med udregningerne. Sidst i hver del er der også nogle åbne spørgsmål, som man kan tage med, hvis der er tid til det. Del I Vi skal først se på sammenhængen mellem de komplekse tal og punkter i planen. Som sædvanlig identificerer vi det komplekse tal z = x + iy C med punktet (x, y) R 2 i planen. 1. Beskriv følgende delmængder af komplekse tal som punktmængder i planen, ved hjælp af en ligning i x og y, og identificér hver af dem med velkendte geometriske figurer. I den forbindelse kan man fortolke z w som afstanden mellem de to komplekse tal z og w, identificeret med punkter i planen. (i) {z C Re(az + b) = 0}, hvor a, b C er given komplekse tal. (ii) {z C z i = z + 2 }. Tegn i den komplekse plan. (iii) {z C z = 2 z 1 }. Tegn i den komplekse plan. Åbne spørgsmål. Der er mange andre geometriske figurer, som er beskrevet ved komplekse ligninger. Undersøg en eller flere af følgende muligheder: (a) {z C z a = z b }, hvor a, b C er to forskellige komplekse tal, dvs. a b. (b) Vis, at {z C z α + z + α = R} er en ellipse, hvis R er stor nok. Her er α > 0 er positivt reelt tal. (c) Generaliser del (b) til {z C z a + z b = R}, hvor a, b C er givne komplekse tal og R igen er stor nok. Del II Vi skal nu se på rødder i polynomier med komplekse koefficienter.

2. Bestem rødderne i tredjegradspolynomiet z 3 27i = 0. 3. Bestem rødderne i andengradspolynomiet w 2 + (2 i)w 2i = 0. 4. Vis, at z = 2i er en rod i polynomiet z 5 + 2iz 4 + (2 i)z 3 + (2 + 4i)z 2 2iz + 4. Bestem derefter alle fem rødder i dette polynomium, og afsæt dem i den komplekse plan. Åbne spørgsmål. Der er givet et polynomium af grad n P (z) = a n z n + a n 1 z n 1 + + a 1 z + a 0. (1) Antag, at alle koefficienterne a j, j = 0,..., n er hele tal. Antag, at polynomiet P (z) har en rod z 0, som er et rationalt tal, dvs. z 0 = p, hvor p og q er hele q tal, og at brøken er uforkortelig. Vis, at der så nødvendigvis må gælde, at a n er delelig med q, og samtidig, at a 0 er delelig med p. Det giver en metode til at undersøge, om et givet polynomium har reelle rationale rødder. Afprøv metoden på polynomiet 3z 3 2z 2 + 12z 8. Bestem alle rødder i dette polynomium. Del III Vi skal nu se på en række spørgsmål vedrørende differentialligninger og deres løsninger. Vi ser på en ligning 2 u t (x, t) 2 u 2 c2 (x, t) = 0. (2) x2 Her er c en fast reel konstant. Ligningen (2) kaldes en partiel differential ligning, da den ukendte funktion har to variable, og ligningen involverer de partielle afledede efter disse to variable. Ligningen (2) kaldes bølgeligningen. Vi skal se på en række egenskaber ved den. Vi antager i det følgende, at alle funktionerne er to gange differentiable. Side 2 af 8

5. Antag, at u 1 (x, t) og u 2 (x, t) begge er løsninger til (2). Vis, at så er linearkombinationen u(x, t) = c 1 u 1 (x, t) + c 2 u 2 (x, t) også en løsning. Overvej, at dette resultat også gælder for komplekse funktioner u 1 og u 2, og komplekse konstanter c 1 og c 2. En løsning til bølgeligningen beskriver (idealiseret) svingninger i en uendelig streng. Værdien u(x, t) til tiden t angiver udsvinget på position x, se Figur 1. Vi vil nu forsøge at finde løsninger til (2). 1.5 1.25 1.0 0.75 0.5 u(x,t) 0.25 0.0 1 0 1 x 2 3 Figur 1: Graf af u(x, t) til tiden t. 6. Vi gætter på en kompleks funktion u(x, t) = e αx+βt, hvor α og β er komplekse konstanter. Vis, at hvis u(x, t) er en løsning til (2), så må der gælde, at β 2 = c 2 α 2. Det er et rimeligt krav at forlange, at funktionen u(x, t) er begrænset, dvs. at der findes en konstant M > 0, således at for alle x og t gælder, at u(x, t) Side 3 af 8

M. Vis, at det leder til betingelserne Re α = 0 og Re β = 0. Sæt α = ik, hvor k er en reel konstant, og konkluder, at vi har fundet fire familier af reelle løsninger cos(k(x + ct)), cos(k(x ct)), sin(k(x + ct)), sin(k(x ct)). 7. Løsningerne ovenfor kan fortolkes som bølger, der bevæger sig enten til højre eller til venstre, med hastigheden c, som derfor kaldes bølgernes udbredelseshastighed. Giv denne forklaring, for eksempel ved at starte i et punkt (x, 0) og følge udbredelsen for t > 0. En anden måde er at tegne niveaukurver for en funktion cos(k(x ct)) i x-t-planen. Vælg selv værdier for k og c, for at lave tegninger. 8. Man kan få bølger med en vilkårlig bølgeform. Bølgeformen er beskrevet ved en funktion F (x). Vis, at u(x, t) = F (x ct) er en løsning til (2). Vis tilsvarende, at for en anden bølgeform G(x) er også en løsning til (2). u(x, t) = G(x + ct) Man kan vise, at den generelle løsning til (2) altid kan skrives på formen u(x, t) = F (x ct) + G(x + ct), (3) altså en superposition af en bølge, der bevæger sig til højre, og en der bevæger sig til venstre. 9. Der findes også løsninger til bølgeligningen, der er stående bølger, dvs. bølgeformen skifter kun amplitude, og ikke position. Vi vil forsøge at finde stående bølger ved at gætte på en løsning af formen (k er en reel konstant) u(x, t) = v(x) sin(kct). (4) Indsæt i bølgeligningen (2), udled en anden ordens sædvanlig differentialligning for v(x), find den generelle løsning til denne ligning, og forklar hvilke bølgetyper løsningerne (4) svarer til. Side 4 af 8

10. Som nævnt overnfor, så kan bevægelsen af en svingende streng beskrives ved hjælp af løsninger til bølgeligningen (2). Man kan specificere begyndelsestilstanden for en svingende streng ved at specificere position og hastighed i ethvert punkt. Vi ser på den situation, hvor vi starter med en position givet ved en funktion f(x) og starter i hvile. Dvs. begyndelsesbetingelserne er u(x, 0) = f(x), (5) u (x, 0) = 0. t (6) Brug den generelle løsning fra (3) til at vise, at så er løsningen givet ved u(x, t) = 1 2( f(x ct) + f(x + ct) ). Fortolk dette resultat, og skitser eventuelt løsningen for et valg af f. Her er et eksempel på en sådan illustration. Begyndelsestilstanden er skitseret i Figur 2, og løsningen er skitseret for 3 x 3, 0 t 3 i Figur 3. Der er valgt c = 1 her. Åbne spørgsmål. Betragt det generelle begyndelsesværdiproblem for (2) givet ved begyndelsesbetingelserne u(x, 0) = f(x), (7) u (x, 0) = g(x). t (8) Her angiver f(x) begyndelsespositionen og g(x) starthastigheden, for position x langs strengen. Vis, at den generelle løsning er givet ved u(x, t) = 1 2 ( f(x ct) + f(x + ct) ) + 1 2c Denne formel blev udledt af d Alembert i 1747. Teorispørgsmål. Til denne opgave hører følgende emner fra teorien. 1. De komplekse tal, og nogle af deres egenskaber. x+ct x ct g(s)ds. 2. Polynomier og deres rødder. Faktorisering af polynomier. Side 5 af 8

3. Den komplekse eksponentialfunktion. 4. Andengradsligning og binom ligning. 5. Anden ordens lineær differentialligning med konstante koefficienter. 6. Første ordens lineær differentialligning. 7. Gættemetoden til løsning af anden ordens inhomogen lineær differentialliging med konstante koefficienter. 8. Kædereglen for funktioner af flere variable. Side 6 af 8

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 2 1 0 1 x 2 Figur 2: Graf af begyndelsestilstand f(x). Side 7 af 8

1.0 3.0 0.75 2.5 3 2 x 1 0.5 0.25 0.0 0.0 0 0.5 1.0 t 1.5 2.0 1 Figur 3: Graf af løsning u(x, t). Side 8 af 8