} + t { z t -1 - z t (16-8)t t = 4. d dt. (5 + t) da dt. {(5 + t)a} = 4(5 + t) + A = 4(5 + t),

Relevanta dokument
1. Beräkna volymen av det område som begränsas av paraboloiden z = 4 x 2 y 2 och xy-planet. Lösning: Volymen erhålles som V = dxdydz.

(4 2) vilket ger t f. dy och X = 1 =

A dt = 5 2 da dt + A 100 =

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

ÚÚ dxdy = ( 4 - x 2 - y 2 È Î

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

, x > 0. = sinx. Integrera map x : x 3 y = cosx + C. 1 cosx x 3. = kn där k är. k = 1 22 ln 1 2 = 1 22 ln2, N(t) = N 0 e t. 2 t 32 N 1.

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

= a - bp(t), dp dt. = ap - bp 2. = 5000P - P 2. = 5000P dt

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

1 dy. vilken kan skrivas (y + 3)(y 3) dx =1. Partialbråksuppdelning ger y y 3

För startpopulationer lika med de stationära lösningarna kommer populationerna att förbli konstant.

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

= = i K = 0, K =

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206). Webbaserad kurs i differentialekvationer I, SF1656.

SVAR: Det är modell 1 som är rimlig för en avsvalningsprocess. Föremålets temperatur efter lång tid är 20 grader Celsius.

= e 2x. Integrering ger ye 2x = e 2x /2 + C, vilket kan skrivas y = 1/2 + Ce 2x. Här är C en godtycklig konstant.

Partiella differentialekvationer och randvärdesproblem Separabla PDE Klassiska ekvationer och randvärdesproblem

dt = x 2 + 4y 1 typ(nod, sadelpunkt, spiral, centrum) och avgöra huruvida de är stabila eller instabila. Lösning.

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1210 och 5B1230 Matematik IV, för B, M, och I.

y(0) = e + C e 1 = 1

= 1, fallet x > 0 behandlas pga villkoret. x:x > 1

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

Lösningsförslag till tentamensskrivning i SF1633 Differentialekvationer I. Tisdagen den 7 januari 2014, kl

= x 2 - x, x (0) = x dt. dx dt = 1. x 0 - (x 0-1)e t och för t 0 = ln x 0

1. (4p) Para ihop följande ekvationer med deras riktingsfält. 1. y = 2 + x y 2. y = 2y + x 2 e 2x 3. y = e x + 2y 4. y = 2 sin(x) y

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

+, C = e4. y = 3 4 e4 e -2 x +

Lösningsförslag till Tentamen, SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 1) 24 oktober 2014 kl 8:00-13:00.

Lösningsförslag till tentamen i SF1683 och SF1629 (del 1) 18 december xy = y2 +1

Lösning till tentamen i SF1633 Differentialekvationer I för BD, M och P, , kl

Repetition, Matematik 2 för lärare. Ï x + 2y - 3z = 1 Ô Ì 3x - y + 2z = a Ô Á. . Beräkna ABT. Beräkna (AB) T

y + 1 y + x 1 = 2x 1 z 1 dy = ln z 1 = x 2 + c z 1 = e x2 +c z 1 = Ce x2 z = Ce x Bestäm den allmänna lösningen till differentialekvationen

= x 1. Integration med avseende på x ger: x 4 z = ln x + C. Vi återsubstituerar: x 4 y 1 = ln x + C. Villkoret ger C = 1.

har ekvation (2, 3, 4) (x 1, y 1, z 1) = 0, eller 2x + 3y + 4z = 9. b) Vi söker P 1 = F (1, 1, 1) + F (1, 1, 1) (x 1, y 1, z 1) = 2x + 3y + 4z.

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

x ( f u 2y + f v 2x) xy = 24 och C = f

Rita även grafen till Fourierserien på intervallet [ 2π, 4π]. (5) 1 + cos(2t),

SF1633, Differentialekvationer I Tentamen, torsdagen den 7 januari Lösningsförslag. Del I

Rita även upp grafen till Fourierseriens summa på intervallet [ 2π, 3π], samt ange summans värde i punkterna π, 0, π, 2π. (5) S(t) = c n e int,

Tentamen: Lösningsförslag

( ) = 2x + y + 2 cos( x + 2y) omkring punkten ( 0, 0), och använd sedan detta ( ).

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i matematik. f(x) = ln(ln(x)),

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

Tentamensskrivning, Kompletteringskurs i matematik 5B1114. Onsdagen den 18 december 2002, kl

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Tentamen i Matematisk analys, HF1905 exempel 1 Datum: xxxxxx Skrivtid: 4 timmar Examinator: Armin Halilovic

(y 2 xy) dx + x 2 dy = 0 y(e) = e. = 2x + y y = 2x + 3y 2e 3t, = (x 2)(y 1) y = xy 4. = x 5 y 3 y = 2x y 3.

(2xy + 1) dx + (3x 2 + 2x y ) dy = 0.

Lösningsförslag till tentamen i SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 1)

x(t) I elimeringsmetoden deriverar vi den första ekvationen och sätter in x 2(t) från den andra ekvationen:

(x + 1) dxdy där D är det ändliga område som begränsas av kurvorna

d dx xy ( ) = y 2 x, som uppfyller villkoret y(1) = 1. x, 0 x<1, y(0) = 0. Bestäm även y( 2)., y(0) = 0 har entydig lösning.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

dy dx = ex 2y 2x e y.

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1119, Vektoranalys, för Open.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

SF1646 Analys i flera variabler Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Komplettering: 9 poäng på tentamen ger rätt till komplettering (betyg Fx).

x (t) = 2 1 u = Beräkna riktnings derivatan av f i punkten a i riktningen u, dvs.

Lösningsförslag obs. preliminärt, reservation för fel

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1202/2 Diff och Trans 2 del 2, för F och T.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 21 mars 2016

Sammanfattning av ordinära differentialekvationer

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

Föreläsningen ger en introduktion till differentialekvationer och behandlar stoff från delkapitel 18.1, 18.3 och 7.9 i Adams. 18.

u(x) + xv(x) = 0 2u(x) + 3xv(x) = sin(x) xxx egentliga uppgifter xxx 1. Sök alla lösningar till den homogena differentialekvationen

1. Beräkna hastigheten, farten och accelerationen vid tiden t för en partikel vars rörelse beskrivs av r(t) = (2 sin t + cos t, 2 cos t sin t, 2t).

y= x dx = x = r cosv $ y = r sin v ,dxdy = rdrdv ' 2* så får vi att

Matematiska Institutionen L osningar till v arens lektionsproblem. Uppgifter till lektion 9:

6. Räkna ut integralen. z dx dy dz,

i utvecklingen av (( x + x ) n för n =1,2,3º. = 0 där n = 1,2,3,

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK. LÖSNINGAR FLERDIMENSIONELL ANALYS, FMA kl 8 13

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

SF1635, Signaler och system I

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Prov i Matematik Prog: NV, Lär., fristående Analys MN UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Michael Melgaard, tel

1 x dx Eftersom integrationskonstanten i (3) är irrelevant, kan vi använda oss av 1/x som integrerande faktor. Låt oss beräkna

= ye xy y = xye xy. Konstruera även fasporträttet med angivande av riktningen på banorna. 5. Lös systemet x

Lösningar till MVE017 Matematisk analys i en variabel för I x 3x y = x. 3x2 + 4.

a) Bestäm samtliga asymptoter (lodräta/vågräta/sneda). b) Bestäm samtliga stationära punkter och deras karaktär (min/max/terrass). c) Rita grafen.

Provtentamen i Matematik 2, 5B1116, för B,E,I,IT,M,Media och T, ht 2001

MA2001 Envariabelanalys 6 hp Mikael Hindgren Tisdagen den 9 januari Skrivtid:

Repetitionsuppgifter

TMV036 Analys och linjär algebra K Kf Bt, del C

1. Bestäm definitionsmängden och värdemängden till funktionen f(x,y) = 1 2x 2 3y 2. Skissera definitionsmängden, nivålinjerna och grafen till f.

Prov i matematik Distans, Matematik A Analys UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. 1. En svängningsrörelse beskrivs av

AB2.8: Laplacetransformation av derivator och integraler. Differentialekvationer

Transkript:

Tentamensskrivning i Matematik IV, 5B110 Måndagen den 1 oktober 005, kl 1400-1900 Hjälpmedel: BETA, Mathematics Handbook Redovisa lösningarna på ett sådant sätt att beräkningar och resonemang är lätta att följa Svaren skall ges på reell form Del 1 är avsedd för betyg och omfattar 6 uppgifter För godkänt krävs att 5 moduler är godkända Del är avsedd för högre betyg, 4 och 5, och omfattar 0 poäng Poängfördelning på del : 11-14 ger 5 poäng vardera För betyg 4 krävs förutom godkänt på del 1 även minst 9 poäng på del För betyg 5 krävs förutom godkänt på del 1 även minst 15 poäng på del OBS! GODÄNDA MODULER TILLGODORÄNAS ENDAST FRÅN HÖSTEN 005 OBS! Del 1 Modul 1 En 00 l s tank innehåller 40 l rent vatten En saltlösning med 1/4 kg salt per liter pumpas in med 16 l/min Den väl blandade lösningen pumpas ut med 8 l/min När är tanken full? Bestäm även saltmängden i tanken vid detta tillfälle Tanken är full då 00 = 40 + t(16-8), dvs efter 0 minuter Låt saltmängden i tanken vid tiden t vara A(t) Saltmängden uppfyller differentialekvationen da dt = 1 4 16 - da dt + A 5 + t = 4 Vi har en linjär differentialekvation av första ordningen Multiplicera med en integrerande faktor (5 + t) da dt + A = 4(5 + t), d dt {(5 + t)a} = 4(5 + t) Integrera med avseende på t: (5 + t)a = (5 + t) + C Vid t = 0 är A = 0 Detta ger C = -50 Saltmängden vid en godtycklig tidpunkt t är A(t) = (5 + t) - 50 5 + t Då tanken är full är saltmängden i tanken A(0) = 50-50 = 48 kg 5 SVAR: Tanken är full efter 0 minuter och då är saltmängden 48 kg Modul A 40 + (16-8)t 8 Differentialekvationen t y + t y - y = 0, t > 0 satisfieras av funktionen y 1 = t -1 Bestäm den allmänna lösningen till differentialekvationen t y + t y - y = t, t > 0 Vi ansätter y = z t -1 t { z t -1 - z t - - z t - + z t - } + t { z t -1 - z t - }- z t -1 = t Förenkling ger: t z - z = t Vi reducerar ordningen genom att sätta u = z, u = z Vi får: t u - u = t och sätter in i den inhomogena differentialekvationen Omformning ger : t -1 u - t - u = 1 d, dt (t -1 u) =1 Integrera med avseende på t: t -1 u = t + A, z = u = t + At Integrera med avseende på t: z = t + A t + B = t + Ct + B Insättning i ansatsen ger : y = t -1 + Ct + Bt

SVAR: Den sökta lösningen är y = t + Ct + Bt -1 Modul Bestäm den lösning till differentialekvationen y + 9y = 9tU(t - 4) som uppfyller villkoren y(0) = 0 och y (0) = Laplacetransformera : s Y(s) - sy(0) - y (0) + 9Y(s) = 9L {(t - 4 + 4)U(t - 4) } Insättning av villkoren och transformation av högerledet ger: s Y(s) - + 9Y(s) = 9 1 s + 4 s Lös ut den obekanta funktionens Laplacetransform Partialbråksuppdelning ger: Återtransformering ger: SVAR: Den sökta lösningen är e-4s Y(s) = s + 9 + Á 9 s (s + 9) + 9 4 s(s + 9) e-4s Y(s) = s + 9 + 1 s - 1 s + 9 + 4 s - 4s s + 9 e-4s y(t) = sint +U(t - 4) t - 4-1 sin(t - 4) + 4-4 cos(t - 4) y(t) = sint +U(t - 4) t - 4-1 sin(t - 4) + 4-4 cos(t - 4) Modul 4 Bestäm den lösning till den partiella differentialekvationen u x + u y = u som uppfyller vilkoret u(x,0) = e x + 4e -5x Vi använder variabelseparation och ansätter härvid u(x,y) = X(x)Y(y) X (x)y(y) +X(x) Y (y) = X(x)Y(y) X (x) X(x) + Y (y) Y(y) = 1 X (x) X(x) = 1 - Y (y) Y(y) = l Insättning i differentialekvationen ger: Dividera med X(x)Y(y) : Omformning ger: Detta ger oss följande system av differentialekvationer: Ï X (x) - lx(x) = 0 Y (y) - 1 - l Y(y) = 0 Differentialekvationerna är linjära med konstanta koefficienter och de har följande lösningar: Ï X(x) = Ae lx 1 Á Y(y) = Be -l y Insättning i ansatsen ger: u(x,y) = Ae lx Be 1 Á -l y = Ce lx + Á 1 -l Även linjärkombinationer av lösningar är lösning u(x,y) = C i e l i x + Det givna villkoret ger u(x,0) = e x + 4e -5x =  C i e l i x " i  " i y för varje val av konstanterna 1 -l Á i y

Identifiering ger: Ï C 1 =, l 1 =, C = 4, l = - 5 Övriga C i = 0 Den sökta lösningen är u(x,y) = e x - 1 y + 4e -5x + y SVAR: u(x,y) = e x - 1 y -5x + y + 4e Modul 5 Beräkna volymen av den kropp som begränsas av paraboloiderna z = x + y och z = 18 - x - y Volymen ges av trippelintegralen V = ÚÚÚ dxdydz Randkurva till det aktuella området i xy-planet erhålles ur ekvationen z = x + y = 18 - x - y Vi får x + y = 9, en cirkel med radien lika med tre Integrera först med avseende på z 18- x - y Ï V = ÚÚÚ dxdydz = ÚÚ Ú zdz dxdy = ÚÚ{ 18 - x - y }dxdy D z= x + y xy D xy Inför polära koordinater V = ÚÚ { 9 - r }rdrdq = p Ú (9 r - r )dr = p 18-4 SVAR: Volymen V = 81p Modul 6 Beräkna flödet av vektorfältet u = e y, e x, z z = x + y, 0 z 4 och x + y z, z = 4 D rj Flödet ut ur kroppen ges av F = ÚÚ S r= 0 ( ) = 81p ( ) ut ur den kropp som begränsas av ytorna u n ds, där n är den utåtriktade enhetsnormalen och S är kroppens totala begränsningsyta Vi använder divergenssatsen F = ÚÚ u n ds = divudxdydz divu = S ÚÚÚ Á x, y, z u = Á x, y, z ey, e x, z Integrera först med avseende på z ( ) = z Ï 4 F = ÚÚÚ zdxdydz = ÚÚ Ú zdz dxdy = ÚÚ { 16 - x -y }dxdy D z = x + y xy D xy Inför polära koordinater: F = ÚÚ { 16 - r }rdrdq = p (16r - r Ú )dr = p 16 4-1 44 =18p SVAR: Utflödet är F = 18p Anmärkning: F = ÚÚÚ zdxdydz = zdxdy D xy Del D rj 4 r = 0 Ï ÚÚ = z p(x + y ) = z pz 4 = Ú z pz dz = p 4 4 =18p z = 0

11 a För vilka startvärden y(0) = y 0 existerar gränsvärdet lim y(t) tæ b Bestäm en kontinuerlig lösning till begynnelsevärdesproblemet dy dx Ï x, 0 x <1 + xy = f (x), f (x ) =, y(0) = 0, x 1 då y (t) = y(y - )(y - ) a Vi gör en kvalitativ analys av differentialekvationen och bestämmer först de stationära lösningarna Dessa erhålles då derivatan är lika med noll Vi får y 1 = 0, y = och y = Vi fortsätter med att studera derivatans tecken i olika y-intervall Ï y > fi y > 0 y växer > y > fi y < 0 y avtar > y > 0 fi y > 0 y växer 0 > y fi y < 0 y avtar 0 Gränsvärdet lim y(t) för startvärden i intervallet 0 y 0 tæ Observera att gränsvärdet för startvärdena y 0 = y 1 = 0 och y 0 = y = är noll respektive tre För startvärden i intervallet 0 < y 0 < är gränsvärdet lika med b Den givna differentialekvationen är linjär av första ordningen Multiplicera ekvationen med en integrerande faktor En sådan integrernde faktor är e Ú xdx Vi erhåller då e x dy dx + ex xy = Vänstra ledet kan nu skrivas en derivata: Ï ex x, 0 x <1 0, x 1 d Ï { dx ex y} = ex x, 0 x <1 0, x 1 1 Ï Integrera med avseende på x : e x y = ex + C 1, 0 x <1 C, x 1 Utnyttja först det givna begynnelsevillkoret y(0) = Detta ger = 1 + C 1, C 1 = 1 Insatt ovan ger y = + Ï e- x, 0 x < 1 C e -x, x 1 = e x Det återstår att bestämma den andra konsten Den sökta lösningen skall 1 vara kontinuerlig Då skall höger- och vänstergränsvärdet för lösningen i x = 1 vara lika Detta ger oss + e-1 = C e -1, C = e + SVAR: a Gränsvärdet lim y(t) för startvärden i intervallet 0 y 0 tæ Ï 1 + e -x, 0 x <1 b En kontinuerlig lösning till begynnelsevärdesproblemet är y = e + e- x, x 1

1 Studera det icke-linjära systemet Ï dx dt = (x + )y dy dt = x + 4y -1 genom att hitta alla kritiska punkter, bestämma deras typ(nod, sadelpunkt, spiral, centrum) och avgöra huruvida de är stabila eller instabila Lösning I kritiska punkter är tangentvektorn lika med nollvektorn Vi får 0 = (x + )y Á x + 4y -1 De kritiska punkterna är: (1,0) och (-1,0) Nu över till bestämning av de stationära punkternas karaktär Vi linjariserar det icke-linjära systemet Först beräknas Jacobimatrisen och därefter insättes respektive stationär punkt Jacobimatrisen J(x,y) = xy x + Á x 4 Insättning av (1,0) ger J(1,0) = 0 5 Á = A 4 Vi bestämmer matrisens egenvärden 0 = det(a - li) = -l 5 4 - l = l - 4l - 5 = (l +1)(l - 5) Egenvärdena är reella och med olika tecken Det linjariserade systemet uppvisar en sadelpunkt i (1,0) Detsamma gäller även för det icke-linjära systemet Insättning av (-1,0) ger J(-1, 0) = 0 5 Á = B - 4 Vi bestämmer matrisens egenvärden 0 = det(b - li) = -l 5 = l - 4l + 5 = (l - ) +1-4 - l Egenvärdena är komplexa och med positiv realdel Det linjariserade systemet uppvisar en instabil spiral i (-1,0) Detsamma gäller även för det icke-linjära systemet SVAR: De kritiska punkterna är (1,0) och (-1,0) (1,0) är en sadelpunkt och därmed instabil (-1,0) är en instabil spiralpunkt 1 Låt F(x, y, z) = f (r) där r = x + y + z Bestäm alla funktioner f (r) för vilka gäller div(gradf) = 1 då r > 0 r = x + y + z ger r x = 1 x + y + z x = x r gradf = ( f r x, f r y, f r z ) = f (r) r r, r y = y r och r = z z r div(gradf) = div( f (r) r r ) = x ( f (r) x r ) + y ( f (r) y r ) + z ( f (r) z r ) div(gradf) = f (r) x r div(gradf) = f (r) + x r + f (r) Ï 1 r + x -1 x r r + cykl f (r) Ï r - 1 r = f (r) + f (r) r =1 Vi har erhållit en linjär differentialekvation av ordning två där ordningen kan reducera

genom substitutionen z = f, z = f Vi får då z + z r = 1 Multiplicera med en integrerande faktor, r r z + zr = r, (r z ) = r Integrera med avseende på r : r z = r + A, f = z = r + Ar - Integrera med avseende på r : f = r 6 - Ar -1 + B = r 6 + C r + B, där C och B är godtyckliga konstanter SVAR: De sökta funktionerna är f (r) = r 6 + C r + B, r > 0 14 a) Visa att sinnx [ ] { }, n =1,,, utgör en mängd av ortogonala funktioner på intervallet 0, p b) Skriv funktionen f (x) = sin x på intervallet [ 0, p] som en linjärkombination av lämpliga ortogonala funktioner ovan c) Antag att funktionen f (x) = x 4 +1, 0 < x < är utvecklad i följande tre serier: en Fourierserie, en cosinusserie och en sinusserie Ange det värde mot vilket respektive serie konvergerar mot för x = 0 a) Vi visar att den inre produkten mellan två godtyckliga funktioner i den givna mängden är lika med noll på det givna intervallet p sin nx, sin mx = Ú sin nx sin mxdx = 1 0 0 p sin(n - m)x sin(n + m)x [ - ] = 0 = 1 n - m n + m 0 En väg att göra detta är att ansätta sin x = p Ú ( cos(nx - mx ) - cos(nx + mx ))dx b) Här gäller det att beskriva f (x) = sin x med hjälp av den givna funktionsföljden intervallet [ 0, p] En betydligt kortare väg är att utnyttja formeln sinx = sin x - 4sin x Den sökta linjärkombinationen blir: sin x = 4 sin x - 1 4 sinx  n=1 c) Respektive serie kommer att konvergera mot = { n m} = a n sinnx, multiplicera med sin mx och integrera över f (0+) + f (0-) I fallet med Fourierserien blir detta: 04 +1+ 4 +1 = 9 I fallet med cosinusserien blir detta: 04 +1+ 0 4 +1 =1 I fallet med sinusserien blir detta: 04 +1- (0 4 +1) = 0 SVAR: a) Se ovan b) sin x = 4 sin x - 1 sinx c) 9, 1 respektive 0 4