6. Temperaturen u(x) i positionen x av en stav uppfyller värmeledningsekvationen. u (x) + u(x) = f(x), 0 x 2, u(0) = 0 u(2) = 1,

Relevanta dokument
Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

1+v(0)kt. + kt = v(0) . Detta ger sträckan. x(t) = x(0) + v(0) = x(0) + 1 k ln( 1 + v(0)kt ).

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

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

) + γy = 0, y(0) = 1,

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

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

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

Tentamen, SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 2) 10 januari 2017 kl. 14:00-19:00. a+bx e x 2 dx

Tentamen del 1 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

Tentamen, del 2 Lösningar DN1240 Numeriska metoder gk II F och CL

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

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

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 13 jan 2014

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 11-14, 16/11-28/

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

Laboration 1 i SF1544: Öva på Matlab och konstruera en optimal balk Avsikten med denna laboration är att:

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Pepe Winkler tel

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

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Måndag 14 januari 2002 TID:

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 2

LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN 2 SF1664

MVE500, TKSAM Avgör om talserierna är konvergenta eller divergenta (fullständig motivering krävs). (6p) 2 n. n n (a) n 2.

dy dx = ex 2y 2x e y.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Lösningsförslag, Tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 2, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 9 juni 2011, kl.

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Milo Viviani MVE500, TKSAM-2

Tentamen, SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 2) 11 april 2017 kl. 8:00-13:00

SF1544 LABORATION 2 INTEGRATION, MONTE-CARLO OCH BLACK-SCHOLES EKVATION FÖR OPTIONER

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

(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.

Tentamen del 2 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

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

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

Lösningsförslag till tentamen i SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 2) 8 januari 2018

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar.

Tentamen i Envariabelanalys 2

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA671

Tentamen, del 2 DN1240 Numeriska metoder gk II för F

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

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

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

MVE500, TKSAM-2. (c) a 1 = 1, a n+1 = 4 a n för n 1

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

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

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e x2 /4 2) = 2) =

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 22 oktober 2018 kl

Laboration 1: Optimalt sparande

Teorifrågor. 6. Beräkna konditionstalet för en diagonalmatris med diagonalelementen 2/k, k = 1,2,...,20.

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

Kryssproblem (redovisningsuppgifter).

} + 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),

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Lördag 26 maj 2001 TID:

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

x 2 = lim x 2 x 2 x 2 x 2 x x+2 (x + 3)(x + x + 2) = lim x 2 (x + 1)

Tentamen del 2 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 2 juni 2014

SF1664 Tillämpad envariabelanalys med numeriska metoder Lösningsförslag till tentamen DEL A

FMNF15 HT18: Beräkningsprogrammering Numerisk Analys, Matematikcentrum

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

Institutionen för Matematik, KTH Lösningar till tentamen i Analys i en variabel för I och K (SF1644) 1/ e x h. (sin x) 2 1 cos x.

= = i K = 0, K =

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

dx/dt x y + 2xy Ange även ekvationerna för de mot de stationära punkterna svarande linjariserade systemen.

Högskolan i Skövde (SK, JS) Svensk version Tentamen i matematik Lösningsförslag till 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,

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

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

y = sin 2 (x y + 1) på formen µ(x, y) = (xy) k, där k Z. Bestäm den lösning till ekvationen som uppfyler begynnelsevillkoret y(1) = 1.

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 17 januari 2013

Tentamen i Matematisk analys MVE045, Lösningsförslag

, 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.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Onsdagen den 5 juni, 2013

TMA 671 Linjär Algebra och Numerisk Analys. x x2 2 1.

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

x) 3 = 0. 1 (1 + 2x) Bestäm alla reella tal x som uppfyller att 0 x 2π och att tangenten till kurvan y = sin(cos(x)) är parallell med x-axeln.

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

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1/TM1, TMA

A dt = 5 2 da dt + A 100 =

SF1635, Signaler och system I

Program: DATA, ELEKTRO

UPPSALA UNIVERSITET Envariabelanalys IP1/Hösten L.Höglund, P.Winkler, S. Zibara Ingenjörsprogrammen Tel: , ,

Matematik 5 svar. Kapitel Test Blandade uppgifter Kapitel a) dy

Partiella differentialekvationer och randvärdesproblem Separabla PDE Klassiska ekvationer och randvärdesproblem

4x 2 dx = [polynomdivision] 2x x + 1 dx. (sin 2 (x) ) 2. = cos 2 (x) ) 2. t = cos(x),

SF1545 Laboration 1 (2015): Optimalt sparande

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 12 januari 2015

5B1134 Matematik och modeller Lösningsförslag till tentamen den 11 oktober 2004

Högskolan i Skövde (SK, YW) Svensk version Tentamen i matematik

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

ODE av andra ordningen, och system av ODE

Transkript:

Institutionen för Matematik, KTH Tentamen del 2 Analytiska och numeriska metoder för differentialekvationer SF1523 8.-11. 18/8 217 Formelsamlingen BETA är tillåtet hjälpmedel men ej miniräknare. Råd för att undvika poängavdrag: Skriv lösningar med fullständiga meningar och utförliga motiveringar. Del 2 rättas om del 1 är godkänd. Betygsgränser: D 1, C 2, B 3 och A 4 poäng. Maximalt kan 5 poäng erhållas. Det finns två alternativa uppgifter 7, varav ast en får lösas. 6. Temperaturen u(x) i positionen x av en stav uppfyller värmeledningsekvationen där f(x) = 1x 2. u (x) + u(x) = f(x), x 2, u() = u(2) = 1, 6a.(5p) Formulera en finit differensmetod för att approximera temperaturen u. 6b.(7p) Skriv ett matlabprogram som utför approximationen i uppgift 6a. 6c.(3p) Byt högerledet f(x) mot 1x 2 ( sin(u(x)) 1 ) 2 och formulera en numerisk metod för detta ickelinjära randvärdesproblem. 6a. Gör indelningen x n = n x, n =, 1, 2,..., N +1 med steglängden x = 2/(N +1) och approximationen u n u(x n ), där u n uppfyller systemet av finita differensekvationer u n+1 2u n + u n+1 ( x) 2 + u n = f(x n ), n = 1,..., N u =, u N+1 = 1, med f(x) = 1x 2. Vi har de obekanta u = (u 1,..., u N ) T och ekvationerna kan skrivas Au = b med N N matrisen A, 2 + x 2 om n = m, A mn = 1 om n m = 1, n = 1,... N, m = 1,..., N, annars, och högerledet b R N, där b n = ( x) 2 1x 2 n, n = 1,..., N 1, och b N = 1( x) 2 x 2 N +1. 6b. Ett exempel på Matlabkod är 1

2 % Finit differensmetod for randvardesproblem N=1; %antal frihetsgrader dx=2/(n+1); % steglangd b=zeros(n,1); % hogerled u=zeros(n,1); % obekanta A=zeros(N,N); % matris for :N % bilda A,b, b(n) = 1*dx^2*(n*dx)^2; if n==n b(n)=b(n)+1; A(n,n)=2+dx^2; if n>1 A(n,n-1)=-1; if n<n A(n,n+1)= -1; u=a\b; %Ekvationslosning x=dx:dx:2-dx; plot(x,u) 6c. Högerledet i uppgift a byts nu mot b g(u) där g : R N R N med g n =.1 x 2 sin 2 (u n ), n = 1,..., N. De ickelinjära ekvationerna kan skrivas F(u) =, där F(u) = Au b + g(u). Newtons metod blir u(k + 1) = u(k) (F (u(k))) 1 F(u(k)), k =, 1, 2,..., och ett alternativ med fixpunktiterationer (där Jacobianen i Newtonmetoden approximeras av A) är Au(k + 1) = b g(u(k)), k =, 1, 2,... 7. En svängande sträng med utböjningen u(x, t), i positionen x vid tiden t, uppfyller vågekvationen 2 u(x, t) t 2 2 u(x, t) x 2 =, x 2, t,

3 med randvillkoren u(, t) = u(2, t) =, för t, och begynnelsevillkoren u(x, ) =, < x < 2, u(x, t) t t= = x, < x < 2. 7a.(1p) Bestäm utböjningen u(x, t). Svaret får innehålla en oändlig summa. 7b.(5p) Bestäm också tidpunkterna t när u(x, t) = för all x [, 2]. 7a. Variabelseparationsmetodens ansats u(x, t) = X(x)T (t) ger i ekvationen T (t)x(x) X (x)t (t) = så T (t) T (t) = X (x) X(x) = konstant = λ Ekvationen X (x) = λx(x) och negativt λ = α 2 ger den karakteristiska ekvationen m 2 + α 2 = med lösningen m = ±iα och X(x) = A cos(αx) + B sin(αx), för reella konstanter A, B. Randvillkoren ger A = och sin(2α) = som har lösningen α = 2 Om λ har vi bara lösningen X(x) =. Vi får då för heltal n. T (t) T (t) = π 2 n2 4 så T (t) = a n cos(t/2) + b n sin(t/2) och u(x, ) = ger a n =. Variabelseparationsmetoden har gett oss lösningen u(x, t) = b n sin(t/2) sin(x/2) och u t (x, t) = 2 b n cos(t/2) sin(x/2).

4 Begynnelsevillkoret x = u(x, )/ t = b n cos(/2) sin(x/2) ger Fourierkoefficienterna 2 och lösningen 2 1 b n = b n = 2 = 2 [ = ( 2 )2 ( 1) n 2 u(x, t) = sin(x/2) u (x, )dx t sin(x/2)xdx 2 cos(x/2) x ] 2 2 cos(x/2) + dx }{{} = 8( 1) n+1 sin(t/2) sin(x/2). n 2 π 2 7b. Villkoret u(x, t) = för alla x ger ekvationerna 8( 1)n+1 sin(t/2) = för alla n 2 π 2 n, som gäller om och ast om t är jämt heltal. (15p) Alternativ uppgift 7. Formulera och bevisa en sats om stabilitet för skalära differentialekvationer y (t) = g ( y(t) ) i en jämviktspunkt y 1 R. 8. (2p) Anta att antalet ton fisk i en sjö x : [, ) R bestäms av x (t) = ( 1 x(t) ) x(t) c, t, där c anger en konstant fiskefångst per tidsenhet. Hur stort kan c högst vara för att sjön ska ha ett fiskbestånd som inte dör ut. 8. De kritiska punkterna ger oss relevant information om lösningars asymptotik. De kritiska punkterna löser f(x) := (1 x)x c = som ger x = 1 ± 1 c. 2 4 Om c > 1/4 finns inga (reella) lösningar och x = f(x) är negativ (bortom noll) med lim t x(t) =. Om c < 1/4 och om x() > 1 1 c =: x 2 4 har vi lim t x(t) = 1 + 1 c =: x 2 4 + eftersom x + är en stabil kritisk punkt (ty f (x + ) < ). Om c < 1/4 och om x() < x har vi lim t x(t) =.

Om c < 1/4 och x() = x har vi x(t) = x. Om c = 1/4 och x() 1/2 har vi x(t) 1/2 och om x() < 1/2 har vi x(t) (ty x = (x 1/2) 2 ger med y = x 1/2 att y = y 2 som har lösningen y(t) = y()/(1 + ty()) och y() ger y() medan y() < ger y(t) ). Vi ser att fiskbeståndet inte dör ut om c 1/4 och x() x. 5