Lösningar av uppgifter hörande till övning nr 5.

Relevanta dokument
Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar.

Ht Läsanvisningar till Hilbertrum och partiella differentialekvationer. Del 1. Ur Anton, Rorres; Elementary Linear Algebra

Oändligtdimensionella vektorrum

Om ortonormerade baser i oändligtdimensionella rum

Vektorgeometri för gymnasister

ÖVN 11 & 12 DEL B - DIFFTRANS - DEL2 - SF Nyckelord och innehåll

Egenvärden och egenvektorer

8. Euklidiska rum 94 8 EUKLIDISKA RUM

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 8

Egenfunktionsutvecklingar

K 4-1. Introduktion till Egenvärden och SVD. Egenvärdesproblemet. Egenvektorn. Egenskaper

Norm och QR-faktorisering

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Torsdag, 17 mars 2016

12. SINGULÄRA VÄRDEN. (u Av) u v

Sammanfattning av Hilbertrumteorin

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

Datorövning 2. - Tag med lärobok och övningshäfte till övningen. - Fyll före övningenen i svaren på frågorna på sidan 5 i denna handledning.

ÖVN 11 & 12 DEL A - DIFFTRANS - DEL2 - SF Nyckelord och innehåll. Inofficiella mål

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Fredagen den 23 oktober, 2009 DEL A

Tillämpningar av komplex analys på spektralteori

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

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

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

k=0 kzk? (0.2) 2. Bestäm alla holomorfa funktioner f(z) = f(x + iy) = u(x, y) + iv(x, y) sådana att u(x, y) = x 2 2xy y 2. 1 t, 0 t 1, f(t) =

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A. (1 p) (c) Bestäm avståndet mellan A och linjen l.

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,

Fourierserier: att bryta ner periodiska förlopp

Övningar. c) Om någon vektor i R n kan skrivas som linjär kombination av v 1,..., v m på precis ett sätt så. m = n.

Lösningsförslag till tentamen i SF1683, Differentialekvationer och Transformmetoder (del 2) 4 april < f,g >=

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

Provräkning 3, Linjär Algebra, vt 2016.

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

MVE022 Urval av bevis (på svenska)

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

1. (Dugga 1.1) (a) Bestäm v (3v 2u) om v = . (1p) and u =

19. Spektralsatsen Spektralsatsen SPEKTRALSATSEN

Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar.

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

Vektorerna är parallella med planet omm de är vinkelräta mot planets normal, dvs mot

Instuderingsfrågor i Funktionsteori

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

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.

Vektorgeometri för gymnasister

Övningar. MATEMATISKA INSTITUTIONEN STOCKHOLMS UNIVERSITET Avd. Matematik. Linjär algebra 2. Senast korrigerad:

Multiplicera 7med A λ 1 I från vänster: c 1 (Av 1 λ 1 v 1 )+c 2 (Av 2 λ 1 v 2 )+c 3 (Av 3 λ 1 v 3 ) = 0

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 16 januari 2009 TID:

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

LÖSNINGAR TILL LINJÄR ALGEBRA kl 8 13 LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK. 1. Volymen med tecken ges av determinanten.

Vektorgeometri för gymnasister

6.1 Skalärprodukt, norm och ortogonalitet. TMV141 Linjär algebra E VT 2011 Vecka 6. Lärmål 6.1. Skalärprodukt. Viktiga begrepp

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) Måndagen den 13 juni 2005

denna del en poäng. 1. (Dugga 1.1) (a) Beräkna u (v 2u) om v = u och u har längd 3. Motivera ert svar.

TATA42: Föreläsning 5 Serier ( generaliserade summor )

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 9 juni 2011 kl

Sammanfattning. Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar. Värmeledning i en begränsad stav med variabelseparation

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

8(x 1) 7(y 1) + 2(z + 1) = 0

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Lördagen den 5 juni, 2010 DEL A

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

Enklare matematiska uppgifter

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

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförsag till modelltentamen

Linjär algebra på 2 45 minuter

. (2p) 2x + 2y + z = 4 y + 2z = 2 4x + 3y = 6

Vektorgeometri för gymnasister

9.3. Egenvärdesproblem

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

Prov i matematik Civilingenjörsprogrammen EL, IT, K, X, ES, F, Q, W, Enstaka kurs LINJÄR ALGEBRA

LÖSNINGAR LINJÄR ALGEBRA LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK

Mer om generaliserad integral

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

1 Diagonalisering av matriser

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 1

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

November 24, Egenvärde och egenvektor. (en likformig expansion med faktor 2) (en rotation 30 grader moturs)

gränsvärde existerar, vilket förefaller vara en naturlig definition (jämför med de generaliserade integralerna). I exemplet ovan ser vi att 3 = 3 n n

Trigonometriska formler Integraler och skalärprodukter Fourierserier Andra ortogonala system. Fourierserier. Fourierserier

Linjär Algebra, Föreläsning 9

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

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

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

4x az = 0 2ax + y = 0 ax + y + z = 0

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Om konvergens av serier

Lösningsförslag envariabelanalys

1 Positivt definita och positivt semidefinita matriser

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 6

TATA 57/TATA80 18 augusti Lösningar 1) Lösning 1: Z-transformering av ekvationen (med hänsyn tagen till begynnelsevillkoren) ger.

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

Analys av jämviktslägen till differentialekvationer

. b. x + 2 y 3 z = 1 3 x y + 2 z = a x 5 y + 8 z = 1 lösning?

Transkript:

Lösningar av uppgifter hörande till övning nr 5. H.7 a) Antag att p är ett polynom med grad p < n. Då kan p skrivas som en linjärkombination av ortogonalpolynomen p k, där k < n. Alltså är p c k p k, m < n. k Då är (p n p) c k (p n p k ) k ty alla skalärprodukter (p n p k ), ty k < n. b) Framställ även här p som en linjärkombination av p, p, p,..., dvs Då blir (p k p) p c j p j () j c j (p k p j ) c k (p k p k ) j Men då k, och är (p k p). Därför är c k då k, och. Av () följer då att p c j p j dvs grad p 3, ty p är ej identiskt noll. j3 H.3 Enligt premisserna är p n (x)p m (x) ett polynom av grad n + m. Vi kan då utveckla polynomet i basen {p n }. Alltså är p n (x)p m (x) där c k är Fourierkoefficienterna, dvs n+m k c k p k (x) c k (p k p n p m ) (p k p k ) om k < n m, () ty då är (p k p n p m ) p k (x)p n (x)p m (x)w(x) dx p k (x)p m (x)p n (x)w(x) dx (p k p m p n ) I I

ty n > k + m och p k (x)p m (x) är ett polynom med lägre gradtal än n. Enligt () är då p n (x)p m (x) n+m kn m c k p k (x) (3) H.3 Vi använder resultatet i H.3 med m men byter alla c k mot d k för att inte c k ska beteckna två olika saker. Om p (x) vet vi att det är ett förstagradspolynom. Skriv p (x) αx + β, där α och β är konstanter. Enligt (3) får vi således att p n (x)(αx + β) d n p n (x) + d n p n (x) + d n+ p n+ (x) (4) Vi löser nu ur (4) ut p n+. Vi får där a n p n+ (x) (a n x + b n )p n (x) + c n p n, α d n+, b n β d n d n+ och c n d n d n+ Är vi klara med beviset? Inte helt. Vi bör hitta något argument för att d n+. Men om d n+ så kommer polynomen i vänster och i höger led i (4) att få olika grad. Därför är d n+ och vi är klara. H.33 Här är f n [ x x n n+ dx n + ] n + Alltså gäller att f n n + då n dvs f n då n i -normen. Vidare är Alltså gäller att [ x f n x n n+ dx n + f n ] n + n + då n dvs f n då n i -normen. Vi avslutar med maximumnormen. dvs f n då n i -normen. f n sup x n då n x

Den punktvisa gränsfunktionen f ges av { om x < f(x) om x H.36 Enligt läroboken sidan 78-79 gäller att γ k ϕ k konvergerar mot ett element i Hilbertrummet H precis då den numeriska serien γ k är konvergent. (Här är liksom i boken är {ϕ k } en ortonormerad bas i H.) Låt oss ställa detta i förhållande till en definition av begreppet Hilbertrum. Definition. Ett pre-hilbertrum H kallas ett Hilbertrum om det till varje följd (u n ) n av vektorer i H sådan att u n u m då min(n, m) (5) finns en vektor u i H sådan att följden konvergerar mot u dvs sådan att u n u då n (6) Det kan i sammanhanget nämnas att en följd (u n ) n för vilken (5) gäller kallas en Cauchyföljd. Med den terminologin kan vi formulera definitionen på följande sätt: Ett Hilbertrum är ett pre-hilbertrum där varje Cauchyföljd konvergerar mot en vektor i rummet. Låt oss nu se hur definitionen hänger ihop med de inledande raderna i lösningen av denna uppgift. Säg att γ k ϕ k konvergerar mot en vektor, säg u, i Hilbertrummet H. Då ger Parsevals sats att Alltså är den numeriska serien γ k u < γ k är konvergent. Låt oss nu omvänt anta att den numeriska serien γ k är konvergent och att rummet H är ett Hilbertrum. Vi ska då visa att det finns en vektor u i H sådan att serien γ k ϕ k konvergerar i H och att dess summa är u. 3

Sätt u n γ k ϕ k. Om n > m är då u n u m γ k ϕ k ty serien γ k ϕ k km+ km+ γ k ϕ k ( γ k då min(n, m) km+ γ k ϕ k jm+ γ j ϕ j ) γ k är konvergent. Eftersom H är ett Hilbertrum så finns en vektor u i H - se (6) - sådan att dvs dvs serien u n u då n γ k ϕ k u då n γ k ϕ k konvergerar i H och dess summa är u. a) I denna uppgift är alla γ k varför konvergerar ej serien γ k ϕ k i Hilbertrummet H. b) Här är γ k k varför ej serien γ k k ϕ k i Hilbertrummet H. c) Här är γ k k varför γ k serien k ϕ k mot en vektor i Hilbertrummet H. d) Här är γ k k varför γ k serien k ϕ k mot en vektor i Hilbertrummet H., som är divergent. Alltså, som är divergent. Alltså konvergerar k, som är konvergent. Alltså konvergerar k, som är konvergent. Alltså konvergerar k4 4

H.38 Låt u vara en egenvektor med egenvärdet λ till operatorn A, dvs Au λu, där u. Eftersom (u Au) (u λu) λ (u u) är λ. > H.39 I denna uppgift vet vi att (Au Av) (u v) för alla u, v i D A. Därför kan vi välja v u egenvektor med egenvärdet λ. Då är Alltså är (u u) (Au Au) (λu λu) λ(λu u) λλ(u u) > λλ λ λ (Egenvärdena är således komplexa tal belägna på enhetscirkeln.) H.45 Enligt förutsättningarna är Ap k ett polynom vars grad inte överstiger k. Ett dyligt polynom kan skrivas som en linjärkombination av ortogonalpolynomen p, p,..., p k. Sätt k Ap k c j p j (7) Kan vi visa att c j då j < k är vi klara, ty då är Ap k c k p k, dvs p k är en egenvektor med egenvärdet c k. Men för Fourierkoefficienterna i (7) gäller att k c k (p j Ap k ) (p j p j ) ty (p j Ap k ) [A symmetrisk ] (Ap j p k ) ty p k är ortogonalt mot varje polynom med lägre gradtal, speciellt mot Ap j. H.47 Vi börjar med att visa att A är symmetrisk, dvs att (u Av) (Au v) där både u och v ligger i D A, dvs båda funktionerna ligger i C [, ] och u () u() v () v(). Vi ska jobba i Hilbertrummet L [, ] och med den skalärprodukt det innebär. Vi får att (u Av) u(x)( v (x)) dx [ partialintegrera] [u(x)v (x)] + u (x)v (x) dx u (x)v (x) dx (8) 5

Ytterligare en partialintegration ger att (u Av) [u (x)v(x)] u (x)v(x) dx Au(x)v(x) dx (Au v) Symmetrin är bevisad. För att visa att A är positivt semidefinit återvänder vi till (8) men väljer där v u. Då gäller att (u Au) u (x)u (x) dx u (x) dx (9) Således är A positivt semidefinit. Men vi kan lätt visa att A är positivt definit, ty om likhet råder i (9) så är u (x) och u är konstant. Men u(), varför konstanten är. Avslutningsvis ska vi nu studera operatorns egenvärden och egenfunktioner. Säg att Au λu, u. Eftersom A är positivt definit är λ >.Vi ska alltså finna icke-triviala lösningar till u (x) λu(x), u () u() Enligt diferentialekvationen är u(x) a cos λx+b sin λx, där b, ty u (). Således är u(x) a cos λx, där a, ty u(x). Det återstående kravet att u() leder då till att cos λ λ k π + kπ λ k (k + /) π, k,,,... Svar: Egenvärden λ k (k + /) π, k,,,... Egenfunktioner cos(k + /)πx H.48 Huvuddragen i lösningen är desamma som i föregående uppgift. Dock uppstår här och var andra räknetekniska svårigheter. Symmetrin. (u Av) u(x)( v (x)) dx [u(x)v (x)] + u (x)v (x) dx u()v () + u (x)v (x) dx () u()v () + [u (x)v(x)] + u (x)v(x) dx u()v () + u ()v() + (Au v) u ()v () + u ()v() + (Au v) u () (v () + v()) +(Au v) (Au v) 6

Symmetrin är bevisad. Positiv definit. Med u v ger () i kombination med villkoren i D A att (u (Au) > om u. Egenvärden och egenfunktioner. Med de krav som finns i D A kan vi formulera egenvärdesproblemet som u (x) λu(x), u (), u () + u(), u(x) Liksom i förra övningen blir u(x) a cos λx, där a. Villkoret u () + u() betyder att a λ sin λ + a cos λ cot λ λ Egenvärdena är således kvadraten på de positiva rötterna till ekvationen cot x x. Denna ekvation kan vi inte lösa exakt. Lösningarna kan dock illustreras grafiskt som x-koordinaterna för skärningspunkterna mellan kurvorna y x och y cot x. Vi får då bilden till höger. Den första roten är cirka.9, den andra cirka π, den tredje cirka π, den fjärde cirka 3π etc. y Egenfunktionsutveckling. Allmänt gäller således att λ k (k ) π om k är stort. Med λ k ω k blir egenfunktionerna ϕ k cos ω k x, k,, 3,.... Enligt sats H.6 utgör egenfunktionerna en ortogonal bas i L [, ]. Vi kan då utveckla den konstanta funktionern u(x) i denna bas. Vi får att c k ϕ k där Fourierkoefficienterna c k ges av c k (ϕ k ) (ϕ k ϕ k ) cos ω kx dx cos ωx dx sin ω k ω k +cos ω k x dx π π 3π sin ω k ω k + sin ω k 4ω k 4 sin ω k ω k + sin ω k x H.5 a) En jämförelse med boken på sidorna 3-33 och 3 visar att A är en singulär Sturm-Liouvilleoperator med w(x). Som skalärprodukt ska vi x välja skalärprodukten i L (w, I), där I (, ), dvs (u v) u(x)v(x) dx x 7

b) Räkningarna liknar i stort dem vi genomförde i uppgifterna H.47 och H.48. Dock måste vi först korrigera definitionsmängden. D A { u C (, ) u och u begränsade } Räkningarna ser ut på följande sätt ( (u Av) u(x) ( ) ) x x v (x) dx x ( ) u(x) x v (x) dx [u(x) x v (x)] + u (x) x v (x) dx x u (x)v (x) dx [ x u (x)v(x)] ( x u (x)) v(x) dx x ( x u (x)) v(x) dx Au(x)v(x) dx (Au v) x x c) Vi börjar med u(x). Då blir Au u Alltså är en egenfunktion med egenvärdet. Vidare är Ax x ( x ) x x x x Alltså är x en egenfunktion med egenvärdet. Slutligen räknar vi på A(x ) ( ) x 4x x x (4x) x x x x 4 4x 4( x ) 8x 4 4(x ) Alltså är x en egenfunktion med egenvärdet 4. d) Integralen kan tolkas som skalärprodukten mellan de ortogonala polynomen och x. Alltså är integralen. 8