SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Relevanta dokument
SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 27 maj, 2013

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

Lösningsförslag till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösning till kontrollskrivning 1A

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 18 augusti 2016

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

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

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Tentamen: Lösningsförslag

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

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).

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 10 januari 2017

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.

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

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Tentamen: 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.

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

Kontrollskrivning 1A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentan , lösningar

Tentamen i TATA43 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Övningstenta: Lösningsförslag

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)

Inlämningsuppgift nr 2, lösningar

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

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

f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) f(x, y, z) = (x 2 + yz, y 2 x ln x) 3. Beräkna en vektor som är tangent med skärningskurvan till de två cylindrarna

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 14 mars 2011,

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 26 maj, 2014

6. Räkna ut integralen. z dx dy dz,

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

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

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

Tentamen MVE085 Flervariabelanalys

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Tentamen i Flervariabelanalys, MVE , π, kl

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Lösningar till tentamen i Matematik II, 5B1116, 5B1136 för Bio. E,I,K,ME, Media och OPEN, tisdagen den 13 april 2004.

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

MMA127 Differential och integralkalkyl II

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

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

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

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

Tentamen (med lösningar) MVE085 Flervariabelanalys

För studenter i Flervariabelanalys Flervariabelanalys MA012B ATM-Matematik Mikael Forsberg

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

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

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

Differentialens geometriska betydelse

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE035

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 21 mars 2016

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE , kl

Omtentamen (med lösningar) MVE085 Flervariabelanalys

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.

Flervariabelanalys E2, Vecka 3 Ht08

= 0 genom att införa de nya

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

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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)

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

Figur 1: Postföretagets rektangulära låda, definitioner.

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 14 19

MVE035. Sammanfattning LV 1. Blom, Max. Engström, Anne. Cvetkovic Destouni, Sofia. Kåreklint, Jakob. Hee, Lilian.

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

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

Transkript:

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 DEL A. Bestäm alla punkter på ytan z = x 2 + 4y 2 i vilka tangentplanet är parallellt med planet x + y + z =. 4 p) Lösning. Tangentplanet till ytan som ges av F x, y, z) = x 2 +4y 2 z = har normalvektor grad F x, y, z) = 2x, 8y, ) i punkten x, y, z). Planet x + y + z = har normalvektor,, ). Planen är parallella om deras normalvektorer pekar i samma riktning, alltså om 2x, 8y, ) = c,, ) för något tal c. Från den tredje komponenten ser vi att detta bara är uppfyllt om c =. Första och andra komponenterna säger sedan att x = /2 och y = /8 vilket svarar mot punkten /2, /8, 5/6) på ytan. Svar: Punkten /2, /8, 5/6).

2 SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 2. Beräkna volymen av det område som begränsas av ytorna z = x 2 och z = 2 x 2 2y 2. 4 p) Lösning. De två ytorna skär varandra då x 2 = z = 2 x 2 2y 2 vilket är en kurva ovanför enhetscirkeln x 2 + y 2 =. Det aktuella området ligger alltså ovanför enhetscirkelskivan D = {x, y) : x 2 + y 2 } och begränsas underifrån av z = x 2 och ovanifrån av z = 2 x 2 2y 2. Områdets volym ges av V = 2 x 2 2y 2 ) x 2) dx dy = 2 x 2 y 2) dx dy. D För att beräkna denna integral byter vi till polära koordinater, 2π V = 2 ) ) r 2 r dr dϕ Svar: Volymen är π. = 4π = π. r r 3 ) dr D

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 3 3. Låt F = y 2, x 2 ) och betrakta kurvintegralen F dr. γ a) Beräkna integralen när γ = γ som är linjesegmentet från punkten, ) till punkten, ). 2 p) b) Beräkna integralen när γ = γ 3 som är den del av enhetscirkeln i första kvadranten som går från punkten, ) till, ). 2 p) Lösning. Svar:

4 SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 DEL B 4. Kroppen K begränsas av en rak cirkulär kon och en sfär kring origo enligt figuren till höger. a) Beskriv K i cylindriska koordinater. p) b) Beskriv K i rymdpolära sfäriska) koordinater. p) c) Beräkna x + y + z) dx dy dz K genom att använda något av koordinatsystemen i deluppgift a eller b. 2 p) x z,, 3 ) y Lösning. a) Cylindriska koordinater ges av z som är avståndet till xy-planet, r som är avståndet till z-axeln, och ϕ som är vinkeln mot x-axeln för punktens projektion på xy-planet. Eftersom punkten,, 3) ligger på sfären så har denna sfär radie + + 3 = 2. Sfärens ekvation är alltså x 2 + y 2 + z 2 = 4, eller r 2 + z 2 = 4. Konen beskrivs av en ekvation z = kr för någon konstant k. Eftersom,, 3) ligger på konen har vi k = 3, och konens ekvation är z = 3r. Kroppen K ligger över enhetscirkelskivan. För kroppen K varierar alltså z mellan 3r och 4 r 2, radien r mellan och, och vinkeln ϕ mellan och 2π. b) Rymdpolära koordinater ges av avståndet r till origo, vinkeln ϕ runt z-axeln, samt vinkeln θ från z-axeln. För kroppen K varierar r mellan och 2, vinkeln ϕ hela varvet runt, ϕ 2π. Vinkeln θ varierar från för punkter på z-axeln till π/6 vilket är vinkeln till punkten,, 3). c) Av symmetriskäl integreras termerna x och y till noll. Vi ska alltså beräkna x + y + z) dx dy dz = z dx dy dz. K Cylindriska koordintater: I cylindriska koordinater är volymelementet dx dy dz = r dr dz dϕ och integralen blir 2π ) ) 4 r 2 z dx dy dz = rz dz dr dϕ K 3r K

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 5 2π ) = = = 2π 2π = π. r 4 r 2 3r 2)) dr 2 ) ) 2r 2r 3 dr 2 dϕ Rymdpolära koordinater: I rymdpolära koordinater är z = r cos θ och volymelementet dx dy dz = r 2 sin θ dr dθ dϕ. Integralen överförs till 2π π/6 2 ) ) z dx dy dz = r cos θ r 2 sin θ dr dθ dϕ K = 2π 2 = 2π 4 r 3 dr π/6 = 2π 4 8 = π. π/6 sin 2θ dθ 2 Svar: a) r, ϕ 2π, 3r z 4 r 2 b) r 2, ϕ 2π, θ π/6. c) Integralens värde är π. dϕ cos θ sin θ dθ dϕ

6 SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 5. Beräkna arean av den del S av den koniska ytan z = x 2 + y 2 som ligger över området x y 2 i xy-planet. 4 p) Lösning. Ytan S är parametriserad som en funktionsgraf z = fx, y) = x 2 + y 2 definierad över det område T i xy-planet som ges av y, x y 2. För en funktionsgraf z = fx, y) ges ytareaelementet ds av ds = + = + ) 2 f + x f y 2 x 2 + y 2 2x ) 2 dx dy ) 2 + = + x2 x 2 + y + y2 dx dy 2 x 2 + y2 = 2 dx dy. Alltså har vi att arean av ytan S är ds = Svar: Arean är 4 3 2. S = = = 4 3 T 2 dx dy y 2 ) 2 2 2y dx dy x 2 + y 2 2 dx ) 2 y 2) dy 2. dy

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 7 6. En vattendroppe landar på ytan z = x 4 + x 2 y 3 + 2x i punkten,, 2) och där z-axeln pekar vertikalt uppåt. Därefter rinner den nedåt i ytans brantaste riktning. Ange den enhetsvektor i rummet som pekar i denna riktning. 4 p) Lösning. Ytan är en funktionsyta z = fx, y), där fx, y) = x 4 + x 2 y 3 + 2x. Riktningsderivatan f û, ) anger funktionsytans lutning i punkten som ligger ovanför punkten x, y) =, ) och i riktningen û i xy-planet. Vi ska först bestämma den riktning û som ger minst värde på denna riktningsderivata, dvs den riktning i xy-planet i vilken funktionsytan lutar brantast nedåt. Eftersom fx, y) är ett polynom är fx, y) differentierbar och riktningsderivatan kan beräknas med gradientformeln där f û, ) = f, ) û, ) f, ) = 4x 3 + 2xy 3 + 2, 3x 2 y 2) x,y)=, ) = 4, 3). Från gradientformeln ) ser vi att f û, ) är som minst när û pekar i samma riktningen som f, ), dvs. f, ) û = f, ) = 4, 3) 4, 3) I den riktningen har riktningsderivatan värdet = 4, 3) 42 + 3 2 = 4 5, 3 5). f û, ) = f, ) û = 4, 3) 4 5, 3 5) = 5. Eftersom riktningsderivatan f û anger ändringstakten ändring per längdenhet) för funktionsvärdet z = fx, y) i riktningen û så är den riktning i rummet ditåt funktionsytan lutar brantast nedåt v = 4, 3, 5). 5 5 Enhetsvektorn i denna riktning är ˆv = v 4 v =, 3, 5) 5 5 4 4, 3, 5) =, 3, 5) 5 5 = 4 ) 5 5 4 2 ) 5 + 3 2 5 + 5) 2 5 26, 3 5 26, 5 ). 26 Svar: Vattendroppen rinner i riktningen 4 5 26, 3 5 26, 5 26 ).

8 SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 DEL C 7. Låt f vara funktionen, x, y) =, ), fx, y) = x 3 y xy 3, x, y), ). x 2 + y 2 a) Visa att f är kontinuerlig i x, y) =, ). 2 p) b) Visa att f är differentierbar i x, y) =, ). 2 p) Lösning. a) Funktionen f är kontinuerlig i punkten x, y) =, ) om lim x,y),) fx, y) = f, ) =. Vi beräknar detta gränsvärde genom att gå över till polära koordinater x, y) = r cos ϕ, r sin ϕ). Då är x, y), ) samma som r. Vi har lim fx, y) x,y),) x,y),) r 4 r x 3 y xy 3 x 2 + y 2 cos 3 ϕ sin ϕ cos ϕ sin 3 ϕ ) r 2 r r 2 cos 3 ϕ sin ϕ cos ϕ sin 3 ϕ ) =. I sista likheten använde vi att de trigonometriska termern i parentesen utgör en begränsad funktion av ϕ, så när r går mot noll går hela uttrycket mot noll. Funktionen f är alltså kontinuerlig i origo. b) Alternativ : Funktionen f är differentierbar i origo om den har kontinuerliga partiella derivator i en omgivning av origo. Vi visar detta för f/ x. I punkter x, y), ) är f/ x = x4 y + 4x 2 y 3 y 5 x 2 + y 2 ) 2, vilket är en kontinuerlig funktion. I origo har vi f, ) f + h, ) f, )) x h h h h =. Som i deluppgift a) beräknar vi gränsvärdet av f/ x genom att övergå till polära koordinater, f lim x, y) = x,y),) x lim x,y),) r 5 r x 4 y + 4x 2 y 3 y 5 x 2 + y 2 ) 2 cos 4 ϕ sin ϕ + 4 cos 2 ϕ sin 3 ϕ sin 5 ϕ ) r 4

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 9 r cos 4 ϕ sin ϕ + 4 cos 2 ϕ sin 3 ϕ sin 5 ϕ ) r = = f, ), x och vi drar slutsatsen att f/ x är kontinuerlig även i origo. På samma sätt visar man att f/ y är en kontinuerlig funktion, och vi drar slutsatsen att f är en differentierbar funktion. Alternativ 2: Vi kontrollerar att f är differentierbar utgående från definitionen. Enligt definitionen är f differentierbar i origo om det finns konstanter A, A 2, och en funktion ρx, y) så att f + h, + k) f, ) = A h + A 2 k + h, k) ρh, k) och lim ρh, k) =. h,k),) Om vi löser ut ρ ur den första ekvationen ser vi att det andra villkoret är det samma som f + h, + k) f, ) A h A 2 k lim =. h,k),) h2 + k 2 I fall detta är uppfyllt så är konstanterna A och A 2 lika med värdet av de partiella derivatorna i punkten. Ovan har vi sett dessa partiella derivator har värdet noll. Vi gör alltså den kvalificerade gissningen att A = A 2 =, och visar att gränsvärdet är noll med detta val, lim h,k),) f + h, + k) f, ) A h A 2 k h2 + k 2 h,k),) h 3 k hk 3 h 2 + k 2 h2 + k 2 h 3 k hk 3 h,k),) h 2 + k 2 ) 3/2 r 4 cos 3 ϕ sin ϕ cos ϕ sin 3 ϕ ) r r 3 r r cos 3 ϕ sin ϕ cos ϕ sin 3 ϕ ) =. Vi har alltså visat att kravet i definitionen av differentierbarhet är uppfyllt med konstanterna A = A 2 =. Svar:

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 8. Bestäm största och minsta värdet av funktionen fx, y) = xy på den del av ellipsskivan x 2 + xy + y 2 2 där x y. 4 p) Lösning. Funktionen f är kontinuerlig och definierad på en kompakt mängd, alltså vet vi att den antar sina största och minsta värden i punkter i mängden. De största och minsta värdena finns antingen i stationära punkter i det inre av definitionsområdet, eller på randen till detta område. Vi börjar med att leta efter stationära punkter i det inre av definitionsområdet. Vi har grad fx, y) = y, x). Detta är endast noll i origo vilket är en punkt på randen till området. Det finns alltså inga inre stationära punkter. Sedan studerar vi f på randen till området. Ellipsen x 2 + xy + y 2 = 2 och den räta linjen y = x skär varandra i de två hörnpunkterna 2, 2) och 2, 2). Randen består alltså av kurvan x 2 + xy + y 2 = 2 för x y och linjen y = x från 2, 2) till 2, 2). Vi använder Lagranges metod för att hitta lokala max och min på kurvan gx, y) = x 2 + xy + y 2 = 2, x y. Lokala extrempunkter finns där grad fx, y) = λ grad gx, y) för någon konstant λ. Vi får y, x) = λ2x + y, x + 2y) eller { 2λx + λ )y =, λ )x + 2λy =. Detta linjära ekvationssystem har alltid lösningen x, y) =, ), den punkten ligger dock inte på ellipsen. För att det ska finnas andra lösningar måste ) 2λ λ det = 4λ λ 2λ 2 λ ) 2 = vilket är uppfyllt om λ = /3 eller λ =. För λ = /3 har vi x = y vilket ger punkterna ±2, 2) på ellipsen. För λ = har vi x = y vilket insatt i ellipsens ekvation ger x = ± 2 och x, y) = ± 2, 2). Endast punkten 2, 2) uppfyller villkoret x y. På linjen y = x, 2 x 2, har vi fx, x) = x 2. Vi ser att det minsta värdet är som antas i, ) och det största värdet är 4 som antas i ±2, 2). Sammanfattningsvis har vi hittat följande kandidater till största och minsta värde till funktionen f, f2, 2) = 4, f 2, 2) = 4, f 2, 2) = 2, f, ) =. Vi ser att funktionens största värde är 4 och det minsta är 2. Svar: Största värde är 4 och minsta värde är 2.

SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 9. Låt ϕx, y) vara siktvinkeln vid betraktandet av enhetscirkeln från en punkt x, y) i planet och sätt D = {x, y) : x 2 + y 2 > }. Undersök om ϕx, y) dx dy D är konvergent eller divergent. 4 p) y x, y) ϕ x Siktvinkeln ϕ = ϕx, y) Lösning. Från bilden till höger ser vi att x, y) så att ϕ ) sin = 2 r ϕ = 2 arcsin ). r Vi skriver integralen i polära koordinater, 2π ) ϕ dx dy = ϕr dr dϕ D = 2π ϕr dr., ) Eftersom sin x x för alla x är arcsinx) x för x, och ) ϕr = 2 arcsin r 2 r r r = 2. r ϕ/2

2 SF626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 23-5-27 Alltså har vi så integralen är divergent. Svar: Divergent. 2π ϕr dr t 2π t t lim t 2π =, ϕr dr 2 dr