Matematik F2 Opgavesæt 1

Relaterede dokumenter
Matematik F2 Opgavesæt 1

Matematik F2 - sæt 1 af 7, f(z)dz = 0 1

Matematik F2 Opgavesæt 2

Projekt 6.3 Caspar Wessel indførelse af komplekse tal

Komplekse tal. x 2 = 1 (2) eller

MM501 forelæsningsslides

Nøgleord og begreber Komplekse tal Test komplekse tal Polære koordinater Kompleks polarform De Moivres sætning

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

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

Komplekse tal og rækker

Trigonometri. for 8. klasse. Geert Cederkvist

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

(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.

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

FORSØGSVEJLEDNING. Kasteparablen

Komplekse tal. Mike Auerbach. Tornbjerg Gymnasium, Odense 2015

Det skrå kast uden luftmodstand

DesignMat Komplekse tal

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Kinematik. Ole Witt-Hansen 1975 (2015) Indhold. Kinematik 1

Noter om komplekse tal

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

Introduktion til Grafteori

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

Inden der siges noget om komplekse tal, vil der i dette afsnit blive gennemgået en smule teori om trigonometriske funktioner.

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

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

Idenne note giver vi et eksempel på, hvorledes det er vigtigt at holde sig

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

Besvarelse til eksamen i Matematik F2, 2012

Geometri med Geometer II

Bølgeligningen. Indhold. Udbredelseshastighed for bølger i forskellige stoffer 1

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

DesignMat Lineære differentialligninger I

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

Komplekse tal. enote Indledning

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

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

ELEKTRISKE KREDSLØB OG DYNAMISKE SYSTEMER

Komplekse tal. enote Indledning

Mere om differentiabilitet

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

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

Eksamen i Matematik F2 d. 19. juni Opgave 2. Svar. Korte svar (ikke fuldstændige)

DesignMat Lineære differentialligninger I

Definition 13.1 For en delmængde af vektorer X R n er det ortogonale komplement. v 2

En sumformel eller to - om interferens

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

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

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

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

Keplers ellipse. Perihel F' Aphel

Kompleks Funktionsteori

1. Vis, at hvis realdelen af en holomorf (analytisk) funktion er konstant (på et åbent område) er funktionen konstant.

Lorentz kraften og dens betydning

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

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

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Projekt 2.3 Euklids konstruktion af femkanten

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

Formelsamling - MatF2. Therkel Zøllner og Amalie Christensen 27. juni 2009

Differentialkvotient af cosinus og sinus

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Hvad er matematik? C, i-bog ISBN

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

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

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

Curling fysik. Elastisk ikke centralt stød mellem to curling sten. Dette er en artikel fra min hjemmeside:

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

Polynomier af én variabel

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

Eulers equidimensionale differentialligning

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

Institut for Matematik, DTU: Gymnasieopgave. I. De komplekse tals historie. Historien om 3. grads ligningerne

Komplekse Tal. Frank Villa. 15. februar 2013

Komplekse Tal. Frank Nasser. 15. april 2011

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Januar 2019

Pointen med Differentiation

Statistisk mekanik 6 Side 1 af 11 Hastighedsfordeling for ideal gas. Enatomig ideal gas

Impedans. I = C du dt (1) og en spole med selvinduktionen L

Vektorer. koordinatgeometri

Statistisk mekanik 5 Side 1 af 11 Hastighedsfordeling for ideal gas. Enatomig ideal gas

Matematik F2 Opgavesæt 6

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

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

Algebra - Teori og problemløsning

Projektopgave 1. Navn: Jonas Pedersen Klasse: 3.4 Skole: Roskilde Tekniske Gymnasium Dato: 5/ Vejleder: Jørn Christian Bendtsen Fag: Matematik

Vektorer og lineær regression

Additionsformlerne. Frank Villa. 19. august 2012

Analyse 1. Matthias Christandl

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

2. Fourierrækker i en variabel

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

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Eksamen i Calculus Fredag den 8. januar 2016

GEOMETRI. Generelt om vinkler. Notation for vinkler: u, A, BAC. Topvinkler er lige store, x = y

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Transkript:

Opgaer uge 1 I denne uge er temaet komplekse tal og komplekse funktioner af en kompleks ariabel. De første opgaer skulle gerne øge jeres fortrolighed med komplekse tal. I kan med fordel repetere de basale regneregler i bogens appendix A.5, eller i jeres noter fra MatIntro. I de efterfølgende opgaer kigger i nærmere på, hornår komplekse funktioner er differentiable og introducerer i den forbindelse Cauchy- Riemann betingelserne. Betingelserne er gengiet her: Cauchy-Riemann: En kompleks funktion kan skries på formen f(z) = u(x, y)+ i(x, y), hor funktionerne u og er relle og hor z = x + iy. x og y er også reelle. His funktionen f(z) er kompleks differentiabel i punktet z, så gælder der, at u x = y og u y = x. (1) På de næste sider finder I 11 opgaer, som skal genopfriske og øge jeres ener til at arbejde med komplekse tal. Nederst i opgaesættet finder I desuden en række ekstra opgaer for de ekstra nysgerrige og ambitiøse. Der burde ære opgaer nok til at fylde tiden ud. His I ikke når de aller sidste opgaer er det ikke nogen katastrofe, men det er igtigt at I blier fortrolige med komplekse tal. God fornøjelse. Opgae 1: Angi det komplekse tal z = 1 + i 2 2 på formen z = r exp(iφ). Udregn z 2 og z 3 både for formen x + iy og r exp(iφ). Had er lettest? Opgae 2: Skri følgende komplekse tal på formen x + iy hor x, y R: a) (5 + 2i)(4 i) b) c) 1 3 4i 5 + 2i 5 4i 1 Version: 19. april 2017

Opgae 3: Vis at for to komplekse tal z, w C gælder: (zw) = z w, hor x betyder den kompleks konjungerede af x. Brug dette til at ise at z w og zw er hinandens konjungerede. Opgae 4: Lad c = a + ib ære et fast komplekst tal og lad R ære et positit reelt tal. Vis at z c = R er ligningen for en cirkel med centrum c og radius R, når man tænker på de komplekse tal som planen R 2. Gør det først ed at regne og dernæst ed at lae en figur i den komplekse plan. Find nu maximum og minimum for z his z + 3 4i = 2 - dette gøres absolut lettest på en figur. Opgae 5: Vis at for faste komplekse tal a og b er z a = z b ligningen for en ret linie og bestem hilken linie. Det gøres lettest på en figur. (Det kan også gøres ed at regne). Opgae 6: Betragt ligningen (z 1) 10 = z 10 a) Vis geometrisk at de 9 løsninger ligger på en ertikal ret linie med real-del Re(z) = 1/2 (Tip: Brug foregående opgae og at Obs: gælder kun den ene ej.) (z 1) 10 = z 10 z 1 = z. b) Diider begge sider med z 10. Dette gier ligningen w 10 = 1, med w = (z 1)/z. Løs denne, hilket nemmest gøres på polær form. Brug løsningen til at løse den oprindelige ligning. c) Udtryk z på formen x + iy og erificer (a). Opgae 7: Vis at for z = 1 er Im z (z + 1) = 0 2 Gør det først ed at regne, altså sæt z = exp(iθ) og så bare derudaf. Prø dernæst at finde et geometrisk argument. 2 Version: 19. april 2017

Opgae 8: For en reel funktion af en reel ariabel kan i i et (x, y)-koordinatsystem på et stykke papir tegne en funktion y = f(x) og med et enkelt blik på tegningen få en god fornemmelse af funktionen. For en kompleks funktion af en kompleks ariabel er det lidt særere. Vi kan skrie w = f(z) = u(x, y) + i(x, y), hor w = u + i og z = x + iy og x, y, u, er reelle. Så i skal bruge fire dimensioner til en tegning. Og det kan i ikke. Lidt fornemmelse kan i dog godt få alligeel. Betragt f.eks. w = z 2. Horledes il en halcirkel i z-planen (z = re iθ, r konstant og θ [0, π] komme til at se ud i w-planen? Horledes il en linie gennem origo z = re iθ, r [0, ), θ konstant komme til at se ud? Indsæt z = x + iy i funktionen w = z 2, og identificer u(x, y) og (x, y) i dette tilfælde. Betragt nu de to funktioner u(x, y) = k og (x, y) = k (hor k R). Begge funktioner har asymptoter. Find dem. Had hedder funktioner som disse? Oerej horfor det ar brugbart at tage disse skridt selom i stadig ikke kan plotte w(z) i 4 dimensioner Opgae 9: Eulers formel e iφ = cos φ + i sin φ udledes ofte som en potensrækkeudiklingen. His I ikke har set det, så skri potensrækken for eksponentialfunktionen af en imaginær ariabel. Find realdel og imaginærdel her for sig og identificer de to potensrækker med cosinus og sinus. En anden mulighed er at udnytte Cauchy-Riemann betingelserne (1) sammen med det naturlige kra at e z skal ære differentiabel og at e x+iy = e x e iy = u(x, y) + i(x, y) = e x φ(y) + ie x ψ(y). Løs de fremkomne differentialligninger for φ og ψ med naturlige begyndelsesbetingelser (F.eks. at de er 0 og 1 i y = 0 eller omendt.) Opgae 10: Eulers formel gælder også generelt for komplekse tal: e iz = cos z + i sin z. Brug dette til at ise at sinus og cosinus er giet ed cos z = eiz + e iz, 2 sin z = eiz e iz 2i 3 Version: 19. april 2017

Vis nu at sinus er analytisk, hilket er ækialent til at ise, at den opfylder Cauchy-Riemann betingelserne. (Tip: Indsæt z = x + iy og omskri til formen sin(z) = u(x, y) + i(x, y)). Opgae 11: For en kotientrække gælder: 1 + z + z 2 + + z n 1 = zn 1 z 1 (2) Sæt n = 2m og is at summen så kan skries S l + S u med S l = 1 + z 2 + z 4 + + z 2m 2 S u = z + z 3 + + z 2m 1 Vis at S u = zs l og bestem dermed S u. Indsæt z = exp(iθ) og is ed at se på realdel og imaginærdel her for sig, at cos θ + cos 3θ + + cos(2n 1)θ = sin 2nθ 2 sin θ, og at sin θ + sin 3θ + + sin(2n 1)θ = sin2 (nθ). sin θ Er du oerbeist om at (2) er sand? Prø et. at beise det ed induktion: Antag først at formlen gælder for n. Vis at det følger at den så også gælder for n = n+1. Vis da at det gælder for n = 1, hilket burde ære triielt. Er det nok til at beise (2)? Horfor? Ekstra opgaer Historisk brug af komplekse tal Komplekse tal ble første gang brugt i 1500 tallet som ulolige rødder til at løse tredjegradsligner. Descartes kaldte dem imaginære, fordi de i starten kun ble brugt til at finde reelle løsninger. Det er en lidt ærgelig sprogbrug, der har hængt ed, selom komplekse tal ikke er en anderledes abstraktion end 0 og negatie tal. Vi skal nu se hordan komplekse rødder optræder i et problem, der både er formuleret med reelle tal og har reelle løsninger: For at løse den kubiske ligning x 3 = 3px + 2q gør følgende: 4 Version: 19. april 2017

a) Få den geniale ide at sætte x = s + t og is, at x er løsning his st = p og s 3 + t 3 = 2q. b) Eliminer t fra disse to ligninger og løs den resulterende kadratiske ligning i s 3. c) Bestem så også t. Det kan gøres uden regning ud fra en symmetribetragtning mellem s og t i p = st og s 3 + t 3 = 2q. d) Find så at x = 3 q + q 2 p 3 + 3 q q 2 p 3 e) Benyt metoden på x 3 = 15x + 4. Et hurtigt gæt iser også at ligningen har et heltal som løsning. Vis at de to løsninger stemmer oerens. (Det er ikke helt let). Inspirationsopgae Denne opgae illustrerer hordan komplekse tal kan forståes som geometriske operationer. Lad T betegne en translation af den komplekse plan med det komplekse tal, altså T z = z +. To translationer efter hinanden skries T T w og har effekten: (T T w )z = T (T w z) = (z + w) + = z + (w + ) = T w+ z Den inerse til T skries T 1 og det gælder at T T 1 = T 1 T = I hor I er den identiske afbildning. Desuden er T 1 = T Er det åbenlyst? En rotation omkring et punkt a med en inkel θ il i skrie R θ a. Det er formentligt klart at en rotation omkring origo R θ 0 kan skries R θ 0z = e iθ z Vis nu ed at benytte at R θ a = T a R θ 0 Ta 1 tegning og tænk oer det) at (his det ikke er oplagt så la en R θ az = e iθ z + a(1 e iθ ) = e iθ z + k Vi kan altså skrie R θ a = T k R θ 0. En rotation omkring et punkt a kan altså betragtes som en rotation omkring origo efterfulgt af en translation med a(1 e iθ ). 5 Version: 19. april 2017

Prø at tegne et simpelt eksempel med a reel. Find billedet af et punkt b på den reelle akse b > a direkte ed en rotation om a og ed formlen oenfor. Omendt kan en rotation omkring origo R θ 0 efterfulgt af en translation T a altid skries som en enkelt rotation: Vis at c = /(1 e iθ ) T R θ 0 = R θ c Det omendte gælder også: R α 0 T a = R α p Bestem p For to på hinanden følgende rotationer gælder: hor R φ b Rθ a = R φ+θ c, c = aeiφ (1 e iθ ) + b(1 e iφ ) 1 e i(φ+θ) Vis at dette gælder his φ + θ ikke er et multiplum af 2π. His på den anden side φ + θ = 2nπ med n et heltal så er e i(φ+θ) = 1. Vis at i dette tilfælde gælder: R φ b Rθ a = T med = (1 e iφ )(b a) His fx φ = θ = π fås Illustrer dette på en figur. R π b R π a = T 2(b a) Endelig kan man definere en dilatations operation Da r,θ. (Dilatation betydekr noget i retning af udidelse. Meningen er at Da r,θ z drejer z om punktet a med inklen θ og samtidig forstørrer eller formindsker længden med faktoren r. Så D r,θ 0 z = re iθ z Dilatation omkring et ilkårligt punkt fås så præcist som rotation om et ilkårligt punkt: Da r,θ = T a D r,θ 0 Ta 1. 6 Version: 19. april 2017

De komplekse tal som R 2 I denne opgae skal i se idere på hordan komplekse tal kan betragtes som ektorer i R 2. Betragt to tal a, b C. Disse kan betragtes som ektorerne: a = ( ) x y og b = ( ) u Find nu a b med udgangspunkt i a, b på formen x + iy og dernæst på formen re iφ. Bemærk at his a = r a e iθa og b = r b e iθ b, så er θ := θb θ a inklen mellem de to ektorer. Se på real-delen og imaginær-delen af a b: Re(a b) = (xu + y) = r a r b cos θ, Im(a b) = (x uy) = r a r b sin θ. Kan du genkende udtrykkene fra ektorregning? 7 Version: 19. april 2017