Repetitionsfrågor: 5DV154 Tema 4: Förbränningsstrategier för raketer modellerade som begynnelsevärdesproblem

Relevanta dokument
Numeriska metoder för ODE: Teori

Ordinära differentialekvationer,

Teknisk beräkningsvetenskap I 5DV154

Numeriska metoder för ODE: Teori

Numeriska metoder för ODE: Teori

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Differentialekvationer. Repetition av FN5 (GNM kap 6.

Lösningsanvisningar till vissa av de icke obligatoriska workout-uppgifterna i Beräkningsvetenskap II

Föreläsning 9. Absolutstabilitet

Absolutstabilitet. Bakåt Euler Framåt Euler

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp, Del A

Ordinära differentialekvationer,

0.31 = f(x 2 ) = b 1 + b 2 (x 3 x 1 ) + b 3 (x 3 x 1 )(x 3 x 2 ) = ( ) + b 3 ( )(

LAB 4. ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER. 1 Inledning. 2 Eulers metod och Runge-Kuttas metod

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

Sammanfattning (Nummedelen)

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

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Runge-Kuttas metoder. Repetition av FN6 (GNM kap 6.

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

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Lösningsförslag till tentamensskrivningen i Numerisk analys

AUTONOMA DIFFERENTIALEKVATIONER

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

2D1250 Tillämpade numeriska metoder II

Laboration 2 Ordinära differentialekvationer

dy dx = ex 2y 2x e y.

Laboration 4. Numerisk behandling av integraler och begynnelsevärdesproblem

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

Laboration 4. Numerisk behandling av integraler och begynnelsevärdesproblem

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 2

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

(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.

Välkomna till Reglerteknik Föreläsning 2

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Lösningsförslag, tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 1, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 19 oktober 2011, kl. 8:00 13:00.

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

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

Tentamen i Beräkningsvetenskap I, DV, 5.0 hp, OBS: Kurskod 1TD394

Laboration 6. Ordinära differentialekvationer och glesa system

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

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

Analys av jämviktslägen till differentialekvationer

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA671

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 ).

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

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

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Pepe Winkler tel

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 30 augusti 2002 TID:

Matlab övningsuppgifter

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

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

Exempel ode45 parametrar Miniprojekt 1 Rapport. Problemlösning. Anastasia Kruchinina. Uppsala Universitet. Januari 2016

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,

Omtentamen i DV & TDV

Stabilitet m.a.p. begynnelsedata

Olinjära system (11, 12.1)

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

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

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

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

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

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

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

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik fk M (TSRT06)

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

Ordinära differentialekvationer, del 1

STABILITET FÖR LINJÄRA HOMOGENA SYSTEM MED KONSTANTA KOEFFICIENTER

Diagonalisering och linjära system ODE med konstanta koe cienter.

= = i K = 0, K =

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Torsdag 28 aug 2008 TID:

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

2D1240 Numeriska metoder gk II för T2, VT Störningsanalys

Sammanfattning av föreläsning 11. Modellbygge & Simulering, TSRT62. Föreläsning 12. Simulering. Föreläsning 12. Numeriska metoder och Simulering

FMNF15 HT18: Beräkningsprogrammering Numerisk Analys, Matematikcentrum

Teknisk Beräkningsvetenskap I Tema 3: Styvhetsmodellering av mjuk mark med icke-linjära ekvationer

Veckans teman. Repetition av ordinära differentialekvationer ZC 1, 2.1-3, 4.1-6, 7.4-6, 8.1-3

TMV151/181 Matematisk analys i en variabel M/Td, 2013 MATLAB NUMERISK LÖSNING AV ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER

Ordinära differentialekvationer fortsättning

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

Föreläsningsanteckningar Linjär Algebra II Lärarlyftet

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

10 1 Felgraf. Fel Antal steg

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.

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

Kända och okända funktioner

TANA19 NUMERISKA METODER

, 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.

Vi skalla främst utnyttja omskrivning av en matris för att löas ett system av differentialekvaioner. 2? Det är komplicerat att

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

Ordinära differentialekvationer

ALA-c Innehåll. 1 Linearization and Stability Uppgift Uppgift Egenvärdesproblemet Uppgift

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

ODE av andra ordningen, och system av ODE

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

Komplettering till kursboken i Numeriska beräkningar. 1 Beräkningsfelsanalys. 1.1 Uttryck med kancellation

Transkript:

Institutionen för datavetenskap Umeå universitet december 06 Teknisk beräkningsvetenskap I Repetitionsfrågor: 5DV54 Tema 4: Förbränningsstrategier för raketer modellerade som begynnelsevärdesproblem Del : Ordinära differentialekvationer. Skriv följande ekvationer på standardform för begynnelsevärdesproblem (a Duffings ekvation: (b Blasius ekvation: (c Van der Pols ekvation: y + δy + σ(y 3 y = γsinωt f + f f = 0 y y ( y y = 0.. Sant eller falskt: Om en lösning y till ett begynnelsevärdesproblem för en ODE uppfyller y(t + när t +, då är ODEn instabil. 3. Klassificera följande ODEer som stabil, asymptotiskt stabil eller instabil med avseende på begynnelsevärden. (a y y = t, (b y y = t, (c y + y = t ; (d y = t. 4. Sant eller falskt: kan en numerisk metod vara instabil när den tillämpas på en ODE som är stabil med avseende på begynnelsevillkor? 5. Förklara vad som menas med följande termer som används i samband med numerisk lösning av initialvärdesproblem för ordinära differentialekvationer: (a implicita och explicita metoder; (b trunkeringsfel; (c noggrannhetsordning. 6. Implicit numeriska metoder för lösning av begynnelsevärdesproblem för ordinära differentialekvationer har normalt ett mycket större utbud av tidssteg för vilka metoden är stabil jämfört med explicita metoder. Varför används inte alltid implicita metoder? 7. Begynnelsevärdesproblemet för den ordinära differentialekvationen y = f (t, y kan lösas numeriskt med hjälp av så kallade α schemat: där 0 α. y k+ = y k + t αf (t k+, y k+ + ( αf (t k, y k ], (a Vilka metoder erhålls när man väljer α = 0,, respektive /? (b Bestäm noggrannhetsordningen för schemat för alla 0 α. (c För alla 0 α, bestäm stabilitetsvillkoret på den negativa reella axeln, d.v.s. villkoret för stabilitet för schemat när det appliceras på ekvationen y = λy där λ < 0. (d Vilka förändringar måste göras för att omvandla α-schemat till Heuns metod?

8. Begynnelsevärdesproblemet för den ordinära differentialekvationen y = f (t, y kan lösas numeriskt med hjälp av schemat: (a Är metoden explicit eller implicit? y k+ = y k + t 3f (tk, y k f (t k, y k ]. (b Härled metodens noggrannhetsordning. 9. Vad menas med ett styvt system av ordinära differentialekvationer. Varför rekommenderas implicita metoder ofta för numerisk lösning av dessa system?

Lösningar. (a Låt = y, och skriv problemet som systemet ( ( y = γsinωt δ σ(y 3 y (b Låt g = f, h = g (= f och få f g g = h h f h (c Genom att sätta = y erhålls systemet ( ( y = ( y + y. Falskt. Villkoret för stabilitet är att lösningskurvorna för olika begynnelsevillkor inte divergerar när t +. 3. En skalär, linjär ODE skriven på formen y = λy + f (t är stabil när R(λ 0, asymptotisk stabil när R(λ < 0 och ostabil annars (alltså om R(λ > 0. Således är (a och (b instabila, (c är asymptotiskt stabil och (d är stabil. 4. Sant per definition. 5. (a I en implicit metod innehåller approximationen av tillståndet vid nästa tiddsteg y k+ funktionsevalueringar där y k+ förekommer som argument (eller del därav. I explicita metoder används endast funktionsevalueringar som beror på nuvarande samt tidigare approximatinoer, dvs. y k, y k, y k,... (b Trunkeringsfelet är skillnaden mellan den numeriska och den exakta lösningen efter ett tidssteg. (c Metoden har noggrannhetsordning p om det lokala trunkeringsfelet är O( t p+. 6. Vi måste lösa en, vanligtvis icke-linjär, ekvation vid varje tidssteg om vi använder en implicit metod; om vi å andra sidan använder en explicit metod så behöver vi inte lösa någon ekvation. Alltså, kräver en implicit metod mycket fler aritmetiska operationer per tidssteg, jämfört med en explicit metod. Alltså är det effektivare att använda sig av en explicit metod så länge som tidsstegsbegränsningen som behövs för att ge stabilitet inte är alltför restriktiv (maximalt tillåtna t är inte för litet. 7. (a Euler framåt (α = 0, Euler bakåt (α = och trapetsmetoden (α = /. (b Det lokala felet L k+ definieras som L k+ = y(t k+ y k+, där y(t löser y = f (t, y, y(t k = y k. Genom användning av schemat har vi att L k+ = y(t k+ y k t αf (t k+, y k+ + ( αf (t k, y k ] = y(t k+ y(t k t αf (t k+, y(t k+ L k+ + ( αf (t k, y(t k ] = Taylor utveckling av f med avseende på en störning i den andra komponenten] = y(t k+ y(t k t αf (t k+, y(t k+ αd f (t k+,ξl k+ + ( αf (t k, y(t k ], där ξ (y(t k+ L k+, y(t k+. Genom att skriva om detta får vi att ( tαd f (t k+,ξ L k+ = y(t k+ y(t k t αf (t k+, y(t k+ + ( αf (t k, y(t k ]..

Högerledet ovan kan skrivas om enligt y(t k+ y(t k t αf (t k+, y(t k+ + ( αf (t k, y(t k ] Vilket ger oss att. = y(t k+ y(t k t αy (t k+ + ( αy (t k ] = Taylor utveckling] = y(t k + y (t k t + y (t k t + y (t k t 3 6 +O( t 4 y(t k t α (y (t k + y (t k t + y (t k t ] +O( t 3 + ( αy (t k ( = y (t k α t + y (t k 6 α t 3 +O( t 4. ( ( L k+ = y (t k α t + y (t k 6 α ( ( = y (t k α t + y (t k 6 α ( t 3 +O( t 4 tαd f (t k+,ξ t 3 +O( t 4 ( +O( t. Således har vi noggrannetsordning för α = / och annars. (b Alt.] Ett alternativ till ovanstående som kommer att ge samma ledande term i felutvecklingen (Det finns en sats och bevis för detta... är att sätta in den exakta lösningen till y = f (t, y i schemat, d.v.s. att ersätta y k = y(t k och y k+ = y(t k+ beräkna VL HL för schemat: y(t k+ y(t k t αf (t k+, y(t k+ + ( αf (t k, y(t k ] = y(t k+ y(t k t αy (t k+ + ( αy (t k ] = Taylor utveckling] = y(t k + y (t k t + y (t k t + y (t k t 3 6 +O( t 4 y(t k t α (y (t k + y (t k t + y (t k t ] +O( t 3 + ( αy (t k ( = y (t k α t + y (t k 6 α t 3 +O( t 4. Således har vi noggrannetsordning för α = / och annars. (c Tillämpning av schemat på testekvationen (y = λy ger vilket kan skrivas som y k+ = y k + t ( αλy k+ + ( αλy k, ( α tλy k+ = + t( αλ] y k. För stabilitet behöver vi y k+ y k, vilket gäller om och endast om + t( αλ. ( α tλ Eftersom λ < 0, kan vi skriva λ = λ och multiplicera båda sidor av likhet ( med α tλ = + α t λ 0 för att erhålla t( α λ + α t λ,

vilket ger följande två olikheter α t λ t( α λ + α t λ. Den högra olikheten är alltid uppfylld, medan den vänstra olikheten medför att t( α λ, vilket alltid är uppfyllt för / α. Således är schemat ovillkorligt stabilt för / α. Men för 0 α < / har vi stabilitetsvillkoret t λ α. (d Genom att välja α = / och ersätta f (t n+, y n+ med f (t n+,κ, där κ = y n + t f (t n, y n (extrapolation med framåt Euler får vi Heuns metod. 8. (a Schemat är explicit. (b Sätt in y k+ = y(t k+, y k = y(t k och y k = y(t k, där y är lösningen till y = f (t, y och beräkna VL HL för schemat: y(t k+ y(t k t = y(t k+ y(t k t 3f (tk, y(t k f (t k, y k ] 3 y (t k ] y (t k = Taylor expansion] = y(t k + y (t k t + y (t k t + y (t k t 3 6 +O( t 4 y(t k 3 t y (t k (y (t k y (t k t + y (t k t ] +O( t 3 = y (t k t 3 6 + y (t k t 3 Vilket visar att noggrannhetsordningen är. 4 +O( t 4 = 5 y (t k t 3 +O( t 4. 9. Ett styvt system innehåller vitt skillda tidsskalor, i fallet med ett linjärt ODE system u = Au så betyder detta att egenvärdena av matrisen A är vitt skilda i storlek. Tidsstegsbegränsningar för explicita metoder bestäms av de snabbaste tidsskalorna (den största realdelen hos egenvärdena av A, detta medför att många tidssteg behövs för att fånga förändringar i de långsamma tidsskalorna när man använder explicita metoder. Om man huvudsakligen är intresserad av de långsamma tidsskalorna så kan det vara mycket mer effektivt att använda implicita metoder.