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

Relevanta dokument
Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

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.

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

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen: Lösningsförslag

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 18 augusti 2016

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Institutionen för matematik SF1626 Flervariabelanalys. Lösningsförslag till tentamen Måndagen den 5 juni 2017 DEL A

Tentamen SF1626, Analys i flera variabler, Svar och lösningsförslag. 2. en punkt på randkurvan förutom hörnen, eller

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

Lösningsförslag till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

6. Räkna ut integralen. z dx dy dz,

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Problem inför KS 2. Problem i matematik CDEPR & CDMAT Flervariabelanalys. KTH -matematik

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Visa att vektorfältet F har en potential och bestäm denna. a. F = (3x 2 y 2 + y, 2x 3 y + x) b. F = (2x + y, x + 2z, 2y 2z)

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Lösning till kontrollskrivning 1A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

Övningstenta: Lösningsförslag

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.

Kontrollskrivning 1A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

av envariabelfunktionen g(t) och flervariabelfunktionen t = h(x, y) = x 2 + e y.)

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

= 0 genom att införa de nya

1. För vilka värden på konstanterna a och b är de tre vektorerna (a,b,b), (b,a,b) och (b,b,a) linjärt beroende.

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

TATA44 ösningar till tentamen 13/01/ ) Paraboloiden z = 2 x 2 y 2 skär konen z = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 = 2 x 2 y 2. Med

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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).

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

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

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 10 januari 2017

Tentan , lösningar

Omtentamen (med lösningar) MVE085 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

För studenter i Flervariabelanalys Flervariabelanalys MA012B ATM-Matematik Mikael Forsberg

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

f(x, y) = ln(x 2 + y 2 + 1). 3. Hitta maximala arean för en rektangel inskriven i en ellips på formen x 2 a 2 + y2

Inlämningsuppgift nr 2, lösningar

Bestäm ekvationen för det plan som går genom punkten (1,1, 2 ) på kurvan och som spänns

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

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

Tentamen i TATA43 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 21 mars 2016

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen: Lösningsförslag

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 8 13

u av funktionen u = u(x, y, z) = xyz i punkten M o = (x o, y o, z o ) = (1, 1, 1) i riktningen mot punkten M 1 = (x 1, y 1, z 1 ) = (2, 3, 1)

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

(x 3 + y)dxdy. D. x y = x + y. + y2. x 2 z z

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

x f x + y f y x. 2 Funktionen f(x, y) uppfyller alltså given differentialekvation.

Campus och distans Flervariabelanalys mag ATM-Matematik Mikael Forsberg och Yury Shestopalov (Mikael Forsberg)

Tentamen i Flervariabelanalys, MVE , π, kl

Tentamen MVE085 Flervariabelanalys

Vektoranalys, snabbrepetition. Vektorfält

INGA HJÄLPMEDEL. Lösningarna ska vara försedda med ordentliga motiveringar. xy dxdy,

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 14 mars 2011,

Övningar till Matematisk analys III Erik Svensson

Hjälpmedel: utdelad ordlista, ej räknedosa Chalmers tekniska högskola Datum: kl

Omtentamen MVE085 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 27 maj, 2013

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

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Kap Globala extremvärden, extremproblem med bivillkor.

TMV036/MVE350 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt KI, del C

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

Optimering med bivillkor

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

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

TATA44 Lösningar 26/10/2012.

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

Figur 1: Postföretagets rektangulära låda, definitioner.

A = D. r s r t dsdt. [(1 + 4t 2 ) 3/2 1]dt (1) där det sista steget fås genom variabelbytet u = 1 + 4s 2. Integralen. (1 + 4t 2 ) 3/2 dt

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE , kl

TMV036 Analys och linjär algebra K Kf Bt, del C

SF1600, Differential- och integralkalkyl I, del 1. Tentamen, den 9 mars Lösningsförslag. f(x) = x x

1. Beräkna och klassificera alla kritiska punkter till funktionen f(x, y) = 6xy 2 2x 3 3y 4 2. Antag att temperaturen T i en punkt (x, y, z) ges av

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen

Kap 5.7, Beräkning av plana areor, rotationsvolymer, rotationsareor, båglängder.

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Transkript:

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud SF163, ifferential- och integralkalkyl II, del 2, flervariabel, för F1. Tentamen torsdag 19 augusti 21, 14. - 19. Inga hjälpmedel är tillåtna. Svar och beräkningar skall motiveras! 1. Vad är definitionsmängden till f(x, y) = 3 x 4y + 4 x 2 y 2? Antar f största resp. minsta värden? Varför? Lösning: Uttrycken under kvadratrotstecknen måste vara icke-negativa, dvs x och 4 x 2 y 2. etta är de enda villkoren. Alltså blir definitionsmängden halvcirkelskivan x 2 + y 2 4, x. efinitionsmängden är begränsad (ligger i cirkelskiva med radie 2) och sluten (randen ingår), dvs kompakt. Funktionen f är kontinuerlig på en kompakt mängd, varför största och minsta värden antas. 2. Bestäm skärningspunkter och skärningsvinklar mellan kurvorna 4x 3 + 4y 2 = 13 och 4y 2 4x 3 = 5. Lösning: Addition av ekvationerna ger 8y 2 = 18, dvs y = ± 3 2. Insättning ger då 4x 3 = 4, med lösning x = 1. et finns alltså två skärningspunkter: (1, ± 3 2 ). Skärningsvinkeln är vinkeln mellan gradienterna till funktionerna 4x 3 + 4y 2 och 4y 2 4x 3. essa är (±12x 2, 8y). eras skalärprodukt är 144x 4 + 64y 2 som i båda skärningspunkterna blir 144+64 9 4 =. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer). 3. Bestäm värdemängden till f(x, y) = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 1 + 2x. Lösning: Vi noterar först att x 2 + y 2 1 + 2x kan skrivas (x 1) 2 + y 2 2. Funktionen f(x, y) = x 2 + y 2 är icke-negativ överallt och antar värdet i origo, som ingår i definitionsmängden. etta måste vara det minsta värdet. et finns ingen kritisk punkt, så det återstår att undersöka randen. På randen är f = 1 + 2x, och 1 2 x 1 + 2 (sätt y = ). Funktionens största värde erhålles för x = 1 + 2: et är 3 + 2 2. 4. Transformera differentialekvationen yz x xz y = xyz, där z är en godtycklig C 1 -funktion av (x, y) och de nya variablerna är u = x 2 + y 2 och v = e x2 /2. 1

Lösning: Kedjeregeln ger yz x xz y = y(z uu x + z vv x) x(z uu y + z vv y) =y(z u 2x + z v ( x)e x2 /2 ) x(z u 2y + z v ) = xyz ve x2 /2, så ekvationen blir xyz ve x2 /2 = xyz vilket kan förenklas till uz v = z. 5. Visa att ytorna x 2 y 2 z 2 = 1 och x 2 + 2y 2 + 3z 2 = 6 i en omgivning till (1, 1, 1) skär varandra längs en kurva. Bestäm ekvationen för kurvans tangentlinje genom (1, 1, 1). Lösning: Skriv ekvationerna ovan F (x, y, z) = = G(x, y, z). Vi vill lösa ut y och z som funktioner av x. Villkoret för detta är, att de partiella derivatorna F y, F z, G y, G z alla är i punkten (1, 1, 1). Man kontrollerar att detta gäller. Kurvans tangentlinje har riktningsvektorn F (1, 1, 1) G(1, 1, 1) = (2, 2, 2) (2, 4, 6) = ( 5, 2, 3). Tangentlinjen kan nu parametriseras som r(t) = (1 5t, 1 2t, 1 + 3t). 6. Beräkna den upprepade integralen ( π/2 ) π/2 cos y 2 dy dx. Lösning: Man måste kasta om integrationsordningen och börja med att integrera m.a.p. x. Gränserna blir x y, y π/2, och integralen π/2 ( y ) cos y 2 dx dy = π/2 y cos y 2 dy = 1 2 7. Beräkna arean av ytan 2z = x 2 y 2, x 2 + y 2 1, x y. x [ sin y 2 ] π/2 = 1 2. Lösning: Låt beteckna halvcirkelskivan x 2 + y 2 1, x y. å är arean 1 + (z x) 2 + (z y) 2 dxdy = 1 + x 2 + y 2 dxdy = π/2 3π/2 dφ 1 + r 2 rdr = π 6 (23/2 1). 8. a) Uttryck i kartesiska koordinater den punkt som i sfäriska (rymdpolära) koordinater ges av r = 2, θ = π/3, φ = π/2. b) Uttryck i sfäriska koordinater den punkt där x = y = 1 och z = 2. Lösning: a) Vi har x = r sin θ cos φ, y = r sin θ sin φ och z = r cos θ. en sökta punkten blir därför (, 2 3/2, 2 1/2) = (, 3, 1). b) Vi får r = x 2 + y 2 + z 2 = 1 + 1 + 2 = 2, φ = π/4 och z = 2 1 2 så att θ = π/4. 2

9. Beräkna C (x2 y) dx+y dy där C är den positivt orienterade enhetscirkeln som förbinder (1, ) med ( 1, ). Lösning: Kurvan parametriseras med x = cos t, y = sin t, t : π. Kurvintegralen blir π [ 1 I = ((cos 2 t sin t)( sin t)+sin t cos t) dt = 3 cos3 t + 1 2 (t + 1 2 sin 2t) + 1 ] π 2 sin2 t. Sinustermerna ger inget bidrag. Återstår 2 3 + π 2 = I. 1. Är något av vektorfälten F = ( y x x y, ) och F = (, ) konservativt utanför origo? Varför/varför inte? Bestäm potentialfunktion i x 2 +y 2 x 2 +y 2 x 2 +y 2 x 2 +y 2 förekommande fall. Lösning: Om F = (P, Q) måste Q x = P y gälla för konservativitet. Båda vektorfälten uppfyller detta villkor utanför origo. Ett konservativt fält måste uppfylla villkoret C F dr = om kurvan C är sluten. En enkel räkning visar att för det första vektorfältet, F = ( y x, ), blir denna integral 2π, t ex då C är den positivt orienterade enhetscirkeln, ett varv. Alltså är detta vektorfält inte x 2 +y 2 x 2 +y 2 konservativt. x y För det andra vektorfältet, F = (, ), ser man att φ = 1 x 2 +y 2 x 2 +y 2 2 ln(x2 +y 2 ) är en potentialfunktion, så detta vektorfält är konservativt. 11. Låt f(x, y) = 2xy/(x 2 + y 2 ) α/2, (x, y) (, ). a) För vilka (reella) värden på α har f ett (ändligt) gränsvärde i origo? b) Med f(, ) som gränsvärdet i a), beräkna f x och f y i origo. c) Under vilket villkor på α blir f differentierbar i origo? (Värdena på f och dess första partiella derivator i origo är som i a) och b).) Lösning: a) I polära koordinater gäller f(x, y) = 2 cos φ sin φr 2 α, med (ändligt) gränsvärde endast då exponenten är strikt positiv, dvs 2 α >, eller α < 2. å blir gränsvärdet i origo noll. b) Vi antar α < 2 och sätter f(, ) =. Vi får (för x ) 1 x (f(x, ) f(, )) = 1 x ( ) =, så den partiella derivatan m.a.p. x existerar i origo och antar vardet. Samma sak gäller den partiella derivatan m.a.p. y. Alltså: f x(, ) = f y(, ) =. c) Vi sätter f(x, y) = f(x, y) f(, ) xf x(, ) yf y(, ). Att f är differentierbar i (, ) betyder, att f(x, y)/ x 2 + y 2 då (x, y) (, ). I vårt fall är f(x, y) x 2 + y 2 = 2xy (x 2 + y 2 ) (α+1)/2 = 2 cos φ sin φr2 (α+1). 3

Uttrycket har gränsvärde noll i origo, endast om 2 (α + 1) >, dvs α < 1. 12. Avgör om origo är en lokal extrempunkt till funktionen f(x, y, z) = arctan(xy + yz + zx) + 1 1+x 2 + 2 1+y 2 + 1 1+z 2 och bestäm i så fall dess karaktär. Lösning: Vi använder serieutvecklingar i en variabel: det gäller att arctan t = t t 3 /3 + t 5 /5... = t plus termer av ordning högre än 2. en geometriska serien ger 1/(1 + t 2 ) = 1 t 2 plus termer av ordning högre än 2. Vi får nu f(x, y, z) = xy + yz + zx + 1 x 2 + 2(1 y 2 ) + 1 z 2 + h.o.t. Frånvaron av förstagradstermer visar att f har en kritisk punkt i origo. Tecknet hos den kvadratiska formen ovan avgör dess karaktär. Vi sätter P (x, y, z) = x 2 + 2y 2 + z 2 (xy + yz + zx). Vi ska visa att P är positiv utanför origo. et betyder att f har ett strikt lokalt maximum i origo. Vi kan skriva P (x, y, z) = 1 2 (x y)2 + 1 2 (y z)2 + 1 2 (z x)2 + y 2. Alltså är P (x, y, z) överallt. Vidare gäller P (x, y, z) = endast om x y = y z = z x = y =, vilket ger x = y = z =. Saken är klar. 13. Undersök om kurvorna x 3 + 3x + y 3 + 3y = 7 2 och x2 + y 2 = 1 2 skär varandra. Lösning: Vi söker max och min av f(x, y) = x 3 + 3x + y 3 + 3y under bivillkoret g(x, y) = x 2 + y 2 1 2 =. Enligt Lagranges metod måste vi gradienterna till f och g vara parallella, vilket ger villkoret (x 2 + 1)y x(y 2 + 1) =, som leder till x = y. Insättning i bivillkorsekvationen ger x = ± 1 2 vilket ger funktionsvärdena f = ±(( 1 2 )3 + 3 1 2 ) 2 = ± 13 4. Eftersom 7/2 > 13/4 = f max, skär kurvorna INTE varandra. 14. Genom avbildningen (u, v) = (x 3, y 3 ) överförs cirkelskivan x 2 + y 2 1 i ett område E. Beräkna arean av E. Lösning: Vi observerar att avbildningen är bijektiv. Variabelbytesformeln ger att arean av E är A(E) = dudv = u xv y u yv x dxdy = =9 2π E 9x 2 y 2 dxdy = 9 1 8 2π (1 12 cos 4φ ) dφ cos 2 φ sin 2 φ dφ r 4 rdr = 3π 8. r 4 rdr 4

15. Beräkna massan av en tråd C som ligger som ligger i första kvadranten, på den del av skärningen mellan ytorna z = 2 x 2 2y 2 och z = x 2, från (, 1, ), till (1,, 1) då trådens densitet är ρ(x, y, z) = xy. Lösning: Parametrisera med x = t, där t : 1. å är z = t 2 och t = 2 t 2 2y 2, vilket ger y = 1 t 2. Uträkning ger båglängden ds = 1 + 4t 2 4t 4 1 t 2 dt, och xy = t 1 t 2, varför trådens massa är m = C ρ ds = t 1 + 4t 2 4t 4 dt. Substitutionen u = t 2 följd av dito v = 2u 1 ger m = 1 2 kan beräknas till 1 8 (π + 2). 2 v 2 dv, som 16. Beräkna volymen av området innanför de tre cylindrarna x 2 + y 2 = a 2, y 2 + z 2 = a 2 och z 2 + x 2 = a 2, där a >. Lösning: Låt först a = 1. Låt R 1 vara den del av kroppen som ligger i första oktanten och dessutom uppfyller x y. et är klart att den sökta volymen är 16 gånger volymen av R 1. R 1 begränsas av ytorna x 2 + z 2 = 1, x 2 + y 2 = 1 och y = x. ess volym blir V 1 = 1 x 2 dxdy, där är området givet av olikheterna x 2 + y 2 1 och x y. Övergång till polära koordinater ger V 1 = = 1 3 π/4 dφ π/4 [ π/4 1 r 2 cos 2 φ rdr = 1 (1 r 2 cos 2 φ) 3/2 3 cos 2 φ =... = 1 [ tan φ cos φ 1 ] π/4 = 1 3 cos φ 3 1 sin 3 φ cos 2 φ ] 1 r= dφ ( 3 2 1 ). 2 Hela volymen blir (för a = 1) blir därmed V (1) = 16 3 (3 2 1 2 ) och, för allmänt a >, V (a) = V (1)a 3. (Varför då?) 17. Beräkna kurvintegralen I = C y dx (x + 1) dy x 2 + y 2 + 2x + 1 där C är kurvan x + y = 4 ett varv i positiv led. 5

Lösning: Låt Γ vara cirkeln (x + 1) 2 + y 2 = 1, ett varv i positiv led och γ dito, men på enhetscirkeln. å gäller y dx (x + 1) dy x 2 + y 2 + 2x + 1 = y dx (x + 1) dy v du u dv (x + 1) 2 + y 2 = u 2 + v 2 = 2π. Γ Γ Beteckna med området mellan C och Γ. Vektorfältet F = (P, Q) ovan är C 1 på. Vidare gäller att Q x = P y. Greens formel ger nu I = C F dr = Γ F dr + (Q x P y) dxdy = 2π. γ 6