Eksamen i Mat F, april 2006

Relaterede dokumenter
Eksamen i Mat F, april 2006

Matematik F Et bud på hvordan eksamenssæt løses

Mat H 2 Øvelsesopgaver

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

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

MATEMATIK 3 EN,MP 17. september 2014 Oversigt nr. 1

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

Prøveeksamen MR1 januar 2008

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

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

(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.

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 13

MATEMATIK 3 ET,MP, FYS, NANO 29. august 2012 Oversigt nr. 1

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

DOK-facitliste DOK. DOK-facitliste 1

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 10

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

INSTITUT FOR MATEMATIK OG DATALOGI. TIDLIGERE EKSAMENSOPGAVER MM01 Juni 1993 marts 2006

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Nøgleord og begreber Analysens hovedsætning Stamfunktioner Itereret integral Test itereret integral Fubinis sætning Test Fubini Eksempler Test produkt

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

(Prøve)Eksamen i Calculus

Opgave 1 Opskriv følgende vinkler i radianer 180, 90, 135, 270, 60, 30.

MATEMATIK 3 EN,MP 30. august 2013 Oversigt nr. 1

Sætning (Kædereglen) For f(u), u = g(x) differentiable er den sammensatte funktion F = f g differentiabel med

Kortfattet svar til eksamen i Matematik F2 d. 21. juni 2017

Reeksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

MM502+4 forelæsningsslides

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

Indhold. Litteratur 11

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [DL] 1, 2

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

Besvarelse til eksamen i Matematik F2, 2012

Reeksamen i Calculus

Gamle eksamensopgaver (DOK)

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

Nøgleord og begreber Separable ligninger 1. ordens lineær ligning August 2002, opgave 7 Rovdyr-Byttedyr system 1. ordens lineært system Opgave

Epistel E2 Partiel differentiation

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

Kompleks Funktionsteori

Reeksamen i Calculus

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

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

Prøveeksamen i Calculus

Matematisk modellering og numeriske metoder

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

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Januar 2019

Vektorfelter langs kurver

Fourier transformationen

Matematik F2 Opgavesæt 6

Eksamen i Calculus Mandag den 4. juni 2012

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

MASO Uge 7. Differentiable funktioner. Jesper Michael Møller. Uge 7. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

Bevægelsens Geometri

Partielle afledede og retningsafledede

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

8 Regulære flader i R 3

Reeksamen i Calculus

Opgaver til Maple kursus 2012

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Mat 1. 2-timersprøve den 17. maj 2016.

Note om Laplace-transformationen

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

20 = 2x + 2y. V (x, y) = 5xy. V (x) = 50x 5x 2.

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Matematik F2 Opgavesæt 2

Gradienter og tangentplaner

Nøgleord og begreber Analysens hovedsætning Stamfunktioner Itereret integral Test itereret integral Fubinis sætning Test Fubini Eksempler Test produkt

INSTITUT FOR MATEMATIK OG DATALOGI. TIDLIGERE EKSAMENSOPGAVER MM501 Calculus I, MM502 Calculus II Januar 2006 juni 2010

Matematisk modellering og numeriske metoder

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

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

Eksamen i Calculus Tirsdag den 3. juni 2014

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

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

Supplerende opgaver. 0. Opgaver til første uge. SO 1. MatGeo

Den todimensionale normalfordeling

Calculus Uge

Differentialligninger af første orden

Differentialregning i R k

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

Antag at. 1) f : R k R m er differentiabel i x, 2) g : R m R p er differentiabel i y = f(x), . p.1/18

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

Besvarelser til Calculus Reeksamen August 2017

DOK DOK-facitliste 1. DOK-facitliste

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

Reeksamen i Calculus

z j 2. Cauchy s formel er værd at tænke lidt nærmere over. Se på specialtilfældet 1 dz = 2πi z

Vektorfelter. enote Vektorfelter

Transkript:

Eksamen i Mat F, april 26 Opgave Lad F være et vektorfelt, givet i retvinklede koordinater som: Udregn F og F: F x F = F x i + F y j + F z k = F y = z 2 F z xz y 2 F = F x + F y + F z = + + x. F = F z F x F y Fy Fz Fx 2z = z 2y Lad F være et vektorfelt, givet i cylinderkoordinater som: Udregn F og F: F = F ρ e ρ + F φ e φ + F z e z, (F ρ, F φ, F z ) = (ρz,, ρ 2 ). Vi bruger vektornotationen: v ρ v = v ρ e ρ + v φ e φ + v z e z = v φ v z F = ρf ρ ρ ρ F = ρ ρ ( F z φ F ρ ( ρfφ ρ + F φ ρ ) ρf φ Fz ρ Fρ φ φ + F z = 2z + +. ) = ρ 2ρ = ρe φ

Opgave 2 Lad vektorfeltet F og kurven C være givet i retvinklede koordinater som: F x y cos t F = F y = x, C : t sin t, t [, π/4] F z xz Udregn linieintegralet C F dr : For kurven C har vi: dr = dx dt dy dt dz dt sin t dt = cos t dt og for vektorfeltet F(r) når r C: y(t) sin t F = x(t) = cos t x(t)z(t) cos t dvs vi skal udregne: F(r) dr = ( sin 2 t + cos 2 t)dt π/4 ( sin 2 t + cos 2 t) dt = π/4 cos 2t dt = 2. Bemærk at da ( F) z = er linieintegralet uafhængigt af kurven C der løber fra P = (,,) til P 2 = (,,) så længde kurven ligger i planen z = (Greens sætning for planen). Dvs vi kan faktisk vælge en anden kurve der gør det lettere at udregne linie-integralet, f.eks. den rette linie fra (,,) til (/ 2,, ) (som giver nul bidrag) og dernæst den rette linie fra (/ 2,, ) til (/ 2, / 2, ) (som giver /2). 2

Opgave 3 Lad vektorfeltet F være givet i retvinklede koordinater som: F x 2xy F = F y = x 2 + z 2. F z 2zy Vis at F er et konservativt vektorfelt, dvs at F =, og find et skalarfelt Φ(x, y, z) således F = Φ. Udregn linieintegralet F dr fra P = (,, ) til P 2 = (,, ) langs en vilkårlig kurve der forbinder P og P 2. F = F z F x F y Fy Fz Fx dvs F er konservativt. Vi kan finde Φ(r) fra Φ(r) = = r 2z 2z 2x 2x F dr = langs enhver kurve C fra to r. Lad os vælge den rette linie fra til r: x(t) tx x C : t y(t) = ty, t [, ] dr = dt y. z(t) tz z Φ(r) = Vi kan nu finde r F dr = [ ] (2xy)x + (x 2 + z 2 )y + (2zy)z P2 P F dr = Φ(P 2 ) Φ(P ) = t 2 dt = (x 2 + z 2 )y. 3

Opgave 4 Lad S være den lukkede flade der er omspænder en kasse med sidelængder og sidehøjder, og hjørner med koordinater (a, b, c) hvor a, b, c kan antage værdierne og (se Fig., figur til venstre). Figure : Lad F være vektorfeltet x F = r = y. z Udregn S F ds. Man kan udregne integralet direkte udfra definitionen af fladeintegraler, men det er lettere at bruge divergenssætningen: F ds = F dv. V F = r F = 3, dvs vi finder for enhedsterningen: V F dv = 3. 4

Opgave 5 Lad S være samme flade som i opgave 4, bortset fra at låget med koordinater z = ikke er med. Fladen har altså en rand C (se Fig., figur til højre). Lad F være vektorfeltet y 2 F = x 2. x 2 y Udregn F og kald dette nye vektorfelt V. Udregn S V ds, eventuelt ved brug af Stokes sætning. F = F z F x F y Fy Fz Fx = x 2 2xy 2x 2y Man kan selvfølgeligt udregne flade-integralet lige ud af landevejen. Stokes sætning: F ds = F dr. Vi kan bruge Stokes sætning på to måder: S C () Vi kan udregne linie-integralet langs randen C af S. Der er fire liniestykker: () y =, x [, ]: F dr = F x dx = y 2 dx = da y =. (2): x =, y [, ]. F dr = F y ( dy) = dy da F y = x 2 =. (liniestykket gennemløbes fra y = til y =, derfor dy.) (3): y =, x [, ]. F dr = F x dx = dx da F x = y 2 =. (4): x =, y [, ]. F dr = F y ( dy) = da F y = x 2 =. Vi får derfor bidrag fra (2) og (3): F dr = dy + dx = 2. (2) Da fladeintegralet iflg Stokes sætning kun afhænger af randen, kan vi vælge at deformere fladen kontinuert (men med samme rand) og udregne det nye fladeintegral. Det er naturligt at deformere fladen til netop det låg vi har fjernet sammenlignet med opg. 4, dvs z = (hvor normalen nu peger nedad): ds = e z dxdy. Man får da: dx dy V ( e z ) == dx dy (2x + 2y) = 2. 5

Opgave 6 Find den fuldstændige løsning u(x, y) til den partielle differentialligning x 2 u + u y =. Find den løsning der opfylder randbetingelsen: u(, y) = y 2 for alle y. Find den løsning der opfylder randbetingelsen u(x, ) = x for alle x. Den karakteristiske ligning: dx x 2 = ydy dx x = 2 y dy 2 y2 + x = p, hvor p er en integrationskonstant. Den fuldstændinge løsning er derfor: F ( 2 y2 + x ), F en vilkårlig funktion u(, y) = y 2 F ( 2 y2 + ) = y 2 F (z) = 2z 2 u(x, y) = y 2 + 2 x 2. u(x, ) = x F (/x) = x F (z) = /z u(x, y) = 2 y2 + x = 2x xy 2 + 2 6

Opgave 7 Find den fuldstændige løsning u(x, y) til den partielle differentialligning 3 2 u 2 + 4 2 u + 2 u 2 =. Find den løsning der opfylder randbetingelserne: u(x, ) = sin x, u(x, y) = 3 y= Den generelle løsning er f(x + λ y) + g(x + λ + y), λ 2 ± + 4λ ± + 3 =. dvs λ ± =, 3, og den generelle løsning er u(x, y) = f(x 3y) + g(x y), f og g arbitrære funktioner Fra () og (2) fås: u(x, ) = sin x f(x) + g(x) = sin x f (x) + g (x) = cos x () u(x, y) = 3 3f (x) g (x) = 3 y= (2) f (x) = 2 cos x + 3 2 f(x) = 2 sin x + 3 2 x + k. dvs fra () fås og endelig: u(x, y) = g(x) = sin x f(x) = 3 2 sin x 3 2 x k, ( 2 sin(x 3y) + 3 ) ( 3 2 (x 3y) + 2 sin(x y) 3 ) 2 (x y) (3) = 2 sin(x 3y) + 3 sin(x y) 3y. (4) 2 7

Opgave 8 Betragt bølgeligningen 2 u = 2 u 2 t. (5) 2 og antag at x [, L] samt at funktionen u(x, t) opfylder randbetingelserne: u(x, t) = x= u(x, t) =. (6) x=l Brug separation af variable, u(x, t) = X(x)T (t), til at finde løsningerne til (5)-(6). Separation af variable giver: X (x) = k 2 X(x), T (t) = k 2 T (t). (7) Løsning: Randbetingelser: X = A cos kx + B sin kx, T = C cos kt + D sin kt. X () = X (L) = B =, k n = nπ L. Generelle løsning: u(x, t) = n= cos k n x (C n cos k n t + D n sin k n t) Bemærk: havde man brugt k 2 i stedet for k 2 i (7) så havde man kun haft den trivielle nul-løsning til randbetingelserne: X () = X (L) =. Derfor er dette valg uinteressant for den generelle løsning. 8

Opgave 9 Betragt bølgeligningen fra opgave 8 med x [, L], men uden randbetingelsen (6). Antag i stedet at der til tiden t= gælder: u(x, ) = x(l x) u(x, t) =. (8) L 2 t t= Find (igen ved brug af separation af variable) den løsning til (5) som opfylder (8), (løsningen kan udtrykkes som en Fourierrække). (Hjælp: Følgende integral kan være nyttigt: 2 y( y) sin πny dy = ( cos πn)) π 3 n 3 Separation af variable giver: X(x) = k 2 X(x), T (t) = k 2 T (t), Vi har igen: X = A cos kx + B sin kx, T (t) = C sin kt + D cos kt Nu giver den anden randbetingelsen at C =. Den første randbetingelse giver derfor (da T () = D som vi kan sætte lig ): X() = X(L) =, dvs A =, k n = πn/l. Løsningen har derfor formen: u(x, t) = n> B n sin k n x cos k n t, hvor u(x, ) = x(l x) = B L 2 n sin πnx L n> Det ses at det er den almindelige Fourierrækken for funktionen x(l x)/l 2 hvis den udvides fra [, L] til [ L, L] som en ulige funktion, dvs til x(l x )/L 2, idet vi da har at Fourierrækken kun indeholder sinus-led samt at sin πn L = sin 2πn 2L B n er derfor bestemt ved standard formlen for Fourierrækker: B n = 2 L x(l x ) 2L L L 2 sin 2πnx 2L dx = 2 y( y) sin πny dy, hvor vi har brugt at både x(l x ) L 2 B n = og sin 2πnx 2L er ulige samt y = x/l. Vi får endelig: 4( cos nπ) π 3 n 3 = 8 π 3 n 3 for n ulige, for n lige. 9