Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 1

Relaterede dokumenter
Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 3

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 4

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

Selvstudium 1, Diskret matematik

Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

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

Matematik. 1 Matematiske symboler. Hayati Balo,AAMS. August, 2014

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

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

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (dads)

Reeksamen i Calculus

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (DM507)

MM501 forelæsningsslides

Maple. Skærmbilledet. Vi starter med at se lidt nærmere på opstartsbilledet i Maple. Værktøjslinje til indtastningsområdet. Menulinje.

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

matx.dk Differentialregning Dennis Pipenbring

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

(Prøve)Eksamen i Calculus

INSTITUT FOR DATALOGI, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Algebra - Teori og problemløsning

Afgør for hver af følgende rækker om den er divergent, betinget konvergent eller absolut konvergent. 2 n. n=1 2n (n + 1)2 1 = 2(n + n+1

f(x)=2x-1 Serie 1

Matricer og lineære ligningssystemer

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

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

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Januar 2019

Analyse 1, Prøve 2 Besvarelse

Prøveeksamen MR1 januar 2008

Differential- regning

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

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

Varmeligningen og cosinuspolynomier.

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

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

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012.

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

Andengradsligninger. Frank Nasser. 12. april 2011

Løsningsforslag MatB December 2013

Reeksamen i Calculus

APPENDIX A INTRODUKTION TIL DERIVE

Aflevering 4: Mindste kvadraters metode

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

Svar på opgave 336 (Januar 2017)

Grundlæggende køretidsanalyse af algoritmer

Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

Andengradsligninger. Frank Nasser. 11. juli 2011

Emneopgave: Lineær- og kvadratisk programmering:

Differentialregning. Ib Michelsen

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

Skabelon til funktionsundersøgelser

LINALG JULENØD 2013 SUNE PRECHT REEH

for matematik på C-niveau i stx og hf

Differential- ligninger

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

Eksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet. 5.

Løsningsvejledning til eksamenssæt fra januar 2008 udarbejdet af René Aagaard Larsen i Maple

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

LinAlgDat 2014/2015 Google s page rank

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

Lineære sammenhænge. Udgave Karsten Juul

Danmarks Tekniske Universitet

Danmarks Tekniske Universitet

Matematik for økonomer 3. semester

Matematik B-niveau STX 7. december 2012 Delprøve 1

Eksamen i Calculus Tirsdag den 3. juni 2014

Matematik B. Anders Jørgensen

Mini-formelsamling. Matematik 1

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

Polynomier. Frank Villa. 26. marts 2012

Skriftlig Eksamen DM507 Algoritmer og Datastrukturer

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

Besvarelse til eksamen i Matematik F2, 2012

Opgave 1. Hvilket af følgende tal er størst? Opgave 2. Hvilket af følgende tal er mindst? Opgave 3. Hvilket af følgende tal er størst?

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

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2017

MM502+4 forelæsningsslides

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

(c) Opskriv den reelle Fourierrække for funktionen y(t) fra (b), og afgør dernæst om y(t) er en lige eller ulige funktion eller ingen af delene.

ØVEHÆFTE FOR MATEMATIK C FORMLER OG LIGNINGER

Eksamen i Calculus Mandag den 4. juni 2012

Teoretiske Øvelsesopgaver:

Matematik A-niveau - bestemmelse af monotoniforhold (EKSEMPEL 1): Side 94 opgave 11:

Formelsamling. Ib Michelsen

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

Reeksamen i Calculus

Mikro II, Øvelser 1. a 2bx = c + dx. 2b + d

Lektion 1. Tal. Ligninger og uligheder. Funktioner. Trigonometriske funktioner. Grænseværdi for en funktion. Kontinuerte funktioner.

Besvarelse af stx_081_matb 1. Opgave 2. Opgave 1 2. Ib Michelsen, 2z Side B_081. Reducer + + = + + = Værdien af

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012

Fagets IT Introduktion til MATLAB

Funktionalligninger. Anders Schack-Nielsen. 25. februar 2007

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (dads)

Projekt 2.2 Omvendt funktion og differentiation af omvendt funktion

Supplerende opgaver. S1.3.1 Lad A, B og C være delmængder af X. Vis at

Matematik A, STX. Vejledende eksamensopgaver

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

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

Transkript:

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet 1 Lineær Algebra (LinAlg) Afleveringsopgave 1 Eventuelle besvarelser laves i grupper af - 3 personer og afleveres i to eksemplarer med 3 udfyldte forsider (4 hvis kvittering ønskes) i 1.dels-administrationen senest torsdag den 6. september kl. 13.15. B: En sådan besvarelse tæller 5% med i den skriftlige eksamenskarakter, men kun hvis den er bedre løst end eksamenssættet! Fourier-analyse af periodiske funktioner En funktion f siges at være periodisk med perioden T, hvis f(t + T) = f(t) for alle t R. F.eks. synes følgende reelle funktion at være periodisk med perioden 4, idet f(t + 4) = f(t) ses at gælde for i alt fald de t, der ligger i intervallet [0, 5]. 1,5 10,0 7,5 5,0,5 0,0 0 4 t 6 8 Spørgsmål 1 Argumentér for, at følgende tre funktioner er periodiske med perioden 4: cos( π t), cos(π t) + 3 sin(5π t), eij π 4 t, hvor j er et heltal, og i = 1. Mange naturlige fænomener forekommer at være periodiske. F.eks. (støjfri) lyd, lys og vekselstrøm, der er periodiske funktioner af tiden t, og krystalstrukturer, der er periodiske funktioner af rum-variablen t. Hvis funktionen f : R R er periodisk med perioden T og desuden også differentiabel, kan f(t) skrives som en uendelig sum af følgende form: f(t) = a 0 + a 1 cos( πt) + b T 1 sin( πt) + a T cos( πt) + b T sin( πt) T +a 3 cos(3 πt) + b T 3 sin(3 πt) + a T 4 cos(4 πt) + b T 4 sin(4 πt) +... T = a 0 + j=1 a j cos ( j π T t) + b j sin ( j π T t), hvor a j og b j er reelle konstanter. Den uendelige sum kaldes for den reelle funktion f s Fourier-række.

Hvis f er mange gange differentiabel med de høj-ordens afledede tæt ved 0, vil Fourier-koefficienterne a 0, a 1, b 1, a, b,... aftage relativt hurtigt mod 0 for voksende index. Dette betyder, at sådanne funktioner f er næsten lig med en endelig sum af de første led i Fourier-rækken: f(t) f M (t) = a 0 + M 1 j=1 a j cos ( j π T t ) + b j sin ( j π T t ). år man Fourier-analyserer en given periodisk funktion f, prøver man at finde Fourier-koefficienter, så grafen for f M minder om grafen for f, idet man så ud fra koefficienterne kan se, hvor meget funktionen f indeholder af de lave og de høje frekvenser (cos(10 π T t) svinger 10 gange så hurtigt som cos(π T t)). I denne opgave skal vi prøve at Fourier-analysere funktionen f, hvis graf er på forsiden. Vi prøver først at finde koefficienter svarende til M = i den endelige sum: f(t) f (t) = a 0 + a 1 cos( π 4 t) + b 1 sin( π 4 t). Eksempel på bestemmelse af Fourier-koefficienter Der er tre ukendte koefficienter, som vi gerne vil finde: a 0, a 1 og b 1. Vi aflæser derfor 3 af f s værdier på grafen, f.eks. følgende: f(0) = 1, f(1) = 7, f(3) = 9. Indsætter vi t = 0, 1 og 3 i f (t), får vi derimod: f (0) = a 0 + a 1, f (1) = a 0 + b 1, f (3) = a 0 b 1. Via Maple kan vi nu finde de tre koefficienter i f, der sikrer, at f har den samme værdi som f i t = 0, 1 og 3. Vi beder Maple løse de tre ligninger f (0) = 1, f (1) = 7, f (3) = 9 mht. de tre ubekendte koefficienter a 0, a 1 og b 1 : solve({ a0 + a1 = 1, a0 + b1 = 7, a0 - b1 = 9},[a0, a1, b1]); og Maple giver svaret: [[ a0 = 8, a1 = 4, b1 = -1 ]] Dvs. f (t) = 8 + 4 cos ( π t) sin ( π t), hvis graf skærer grafen for f i t = 0, 1 og 3: 1,5 10,0 7,5 5,0,5 0,0 0 4 t 6 8

I eksemplet ovenfor var M = åbenbart for lille, så f M (t) kom ikke til at ligne f(t) ret meget. Men for store værdier af M vil ovenstående fremgangsmåde kræve mange flere simple aritmetiske operationer (dvs. +,,* og /) end der er nødvendigt. Et af formålene med denne opgave er at lære at finde Fourier-koefficienterne via den hurtige og meget anvendte metode, der kaldes FFT (dvs. Fast Fourier Transformation), og som kun kan forstås via kendskab til komplekse tal. Grunden til at FFT er en hurtig metode, skyldes tre ting: 3 I) Idet cos(ωt) = 1 (eiωt + e iωt ) og sin(ωt) = i (eiωt e iωt ) (jf. TL, s. 104!), kan f M (t) skrives på formen f M (t) = M 1 j= (M 1) c j e ij π T t, hvor c 0 = a 0 c j = a j ib j for j = 1,.., M 1 c j = a j+ib j dvs. for j = 1,.., M 1 Spørgsmål : Vis venligst at f M (t) kan skrives på ovennævnte form. a 0 = c 0 a j = c j + c j for j = 1,.., M 1 b j = i(c j c j ) for j = 1,.., M 1 II) Lad være det ulige tal M 1 eller det lige tal M, og antag, at vi ønsker at finde de ukendte koefficienter i f,m (t) = M 1 j= ( M) c j e ij π T t, så f,m (k T ) = f(k T ) for k = 0, 1,..., 1. Det er nu ikke længere nødvendigt, at kalde Maple s Solve, for løsningen er faktisk givet ved følgende eksplicitte regneudtryk:. c j = 1 1 f(k T ) e ijk π, j = ( M),.., 1, 0, 1,.., M 1. Spørgsmål 3: Sæt = 8, og benyt regneudtrykket ovenfor til at finde og plotte funktionen f 8,4, der minder en del om f. Benyt I) til at udregne a 0, a 1, b 1, a, b, a 3 og b 3. Af grafen for f kan man aflæse følgende: 1 3 5 7 t 0 1 3 f(t) 1 8.5 7.0 8.9 4.0 1.5 9.0 13.1 III) Umiddelbart synes udregningen af de koefficienter c ( M),.., c M 1 at koste i størrelsesorden multiplikationer og additioner, hvilket er en væsentlig besparelse i forhold til Maple s Solve, der bruger i størrelsesorden 3 operationer! Men hvis vælges som en -potens, f.eks. = n, kan udregningen faktisk gøres endnu hurtigere, nemlig via n multiplikationer og additioner!

Det er desværre ikke så let at forstå denne sidste del af FFT-algoritmen, men lad os alligevel prøve at forstå bare noget af den. Først definerer vi de tal 4 X j = 1 1 f(k T ) e ijk π, j = 0, 1,.., M 1, M, M + 1,.., 1. De første M af tallene ved vi er lig med c 0,.., c M 1, og de efterfølgende er faktisk lig med c ( M),.., c 1 (i den rækkefølge!). Spørgsmål 4 Argumentér venligst for at c ( j) = 1 1 f(k T )ei( j)k π = Xj, j = M, M + 1,.., 1. For j = 0, 1,..., 1 skal vi altså have beregnet tallene X j = 1 hvor W = e iπ. 1 f T e ijk 1 π 1 = f T W jk Lad være en -potens, f.eks. n. Vi vil beregne alle X j erne via ca. n operationer, men pga. sværhedsgraden bliver der ikke flere spørgsmål i denne opgave! Sum-indekset k [0, n 1] skrives nu i -talssystemet via n bit: k = (k n 1 k n..k 0 ) = k n 1 n 1 + k n n +... + k 1 + k 0 = k n 1 + k n + k 4 n 3 +... + k 8 1 + k 0 hvor k i {0, 1} og udtrykket for X j kan derfor omskrives til en sum af en sum af en sum.. : X j = 1 1 1 1 1 f k 0 =0 k 1 =0 k n =0 k n 1 =0 = 1 1 1 1 1 f k 0 =0 k 1 =0 k n =0 k n 1 =0 T W j(k n 1(/)+k n (/4)+k n 3 (/8)+..+k 1 +k 0 ) T (W j(/) ) k n 1 (W j(/4) ) k n (W j ) k1 (W j ) k 0 Lad os se nærmere på en af W faktorerne, f.eks. W j(/8). Heltallet j kan skrives som (j mod 8) + 8 (j div 8), og da W er 1, ser vi, at W j(/8) ikke afhænger af (j div 8)-værdien: W j(/8) = W (j mod 8)(/8) (W ) (j div 8) = W (j mod 8) (/8). Hvis vi også skriver indekset j {0, 1,.., 1} i -tals-systemet: j = (j n 1 j n..j 0 ) = j n 1 n 1 + j n n +... + j 1 + j 0, kan de moduli, som vi får brug for, beskrives via bittene j n 1, j n,..j 0. F.eks.: j mod 8 = j + j 1 + j 0 = (j j 1 j 0 ). Vi får således, at

X j = 1 1 1 1 k 0 =0 k n =0 k n 1 =0 = 1 1 1 1 f k 0 =0 k n =0 k n 1 =0 5 f T (W j0(/) ) k n 1 (W (j 1j 0 ) (/4) ) k n (W (j n 1j n..j 0 ) ) k 0 T (W j 0 n 1 ) k n 1 (W (j 1j 0 ) n ) k n (W (j n 1j n..j 0 ) 0 ) k 0, Idéen i FFT-algoritmen er nu at beregne disse summer indefra og ud via n gennemløb af en for-løkke. De tre trin i FFT-algoritmens sidste del: a) Lav først en tabel, der indeholder værdierne W 0, W 1, W,.., W 1 og en tabel X, der fra starten opfylder X[(k n 1 k n..k 1 k 0 ) ] = f T for k = 0, 1,..., 1. Erklær desuden en hjælpe-tabel Xhelp = array(0.. 1). b) Udfør herefter nedenstående for-løkke, hvor vi efter det første gennemløb har de aller-inderste summer lagret i passende X elementer: X[(j 0 k n..k 1 k 0 ) ] = for m from 0 to n-1 do a) Sæt 1 k n 1 =0 f T (W j 0 n 1 ) kn 1 ( ) ( ) (0 kn..k 1 k 0 ) (1 kn..k 1 k 0 ) = f T + f T W j 0 n 1. Xhelp[(j 0 j 1..j m 1 j m k n m..k 0 ) ] := X[(j 0 j 1..j m 1 0 k n m..k 0 ) ] + X[(j 0 j 1..j m 1 1 k n m..k 0 ) ] W (jmj m 1..j 0 ) n 1 m for alle bit-kombinationer, og b) Sæt X lig med Xhelp end do c) De ønskede X værdier er X j = X (jn 1 j n..j 0 ) = 1 X[(j 0j 1..j n 1 ) ], og man bør være opmærksom på, at tabel-værdierne dels mangler at blive divideret med og dels er ordnet anderledes end følgen X 0, X 1, X,...

Eksempel 6 Vi prøver nu at benytte de tre trin a), b) og c) til at finde de = 3 = 8 koefficienter, som blev beregnet i Spørgsmål 3. W 0 = W 8 W = e iπ = e i π 4 er i, så vi starter ud med tabellerne W 3 W W W 0 W 1 W W 3 W 4 W 5 W 6 W 7 1 (1 i) i ( 1 i) 1 ( 1 + i) i (1 + i) og X(000) X(001) X(010) X(011) X(100) X(101) X(110) X(111) 1 8.5 7.0 8.9 4.0 1.5 9.0 13.1 Da W j 0 n 1 = W 4j 0 = ( 1) j 0, får vi i første gennemløb af for-løkken: Xhelp[(0 k 1 k 0 ) ] := X[(0 k 1 k 0 ) ] + X[(1 k 1 k 0 ) ] 1, og Xhelp[(1 k 1 k 0 ) ] := X[(0 k 1 k 0 ) ] + X[(1 k 1 k 0 ) ] ( 1), for alle k 1 - og k 0 -bit, og Xhelp-værdierne kopieres herefter over i X-tabellen: X(000) X(001) X(010) X(011) X(100) X(101) X(110) X(111) 16 10 16 8 7 4. Da W (j 1j 0 ) n = W (j 1j 0 ) = ( i) (j 1j 0 ), får vi i andet gennemløb af for-løkken: Xhelp[(0 0 k 0 ) ] := X[(0 0 k 0 ) ] + X[(0 1 k 0 ) ] 1, Xhelp[(0 1 k 0 ) ] := X[(0 0 k 0 ) ] + X[(0 1 k 0 ) ] ( 1), idet (j 1 j 0 ) = (1 0), Xhelp[(1 0 k 0 ) ] := X[(1 0 k 0 ) ] + X[(1 1 k 0 ) ] ( i), idet (j 1 j 0 ) = (0 1), Xhelp[(1 1 k 0 ) ] := X[(1 0 k 0 ) ] + X[(1 1 k 0 ) ] i. for alle k 0 -bit, og Xhelp-værdierne kopieres herefter over i X-tabellen: X(000) X(001) X(010) X(011) X(100) X(101) X(110) X(111) 3 3 0 1 8 + i 7 + 4.i 8 i 7 4.i I tredje og sidste gennemløb af for-løkken får vi Xhelp[(j 0 j 1 j ) ] := X[(j 0 j 1 0) ] + X[(j 0 j 1 1) ] W (j j 1 j 0 ) for alle (j 0 j 1 j ) = 0, 1,.., 7. Xhelp-værdierne divideres nu med = 8 og kopieres ind i X-tabellen, som derved får følgende indhold: X(000) X(001) X(010) X(011) X(100) X(101) X(110) X(111) X 0 X 4 X X 6 X 1 X 5 X 3 X 7 (= c 0 ) (= c 4 ) (= c ) (= c ) (= c 1 ) (= c 3 ) (= c 3 ) (= c 1 )