SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Relevanta dokument
SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 21 mars 2016

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 18 augusti 2016

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

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

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

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen: Lösningsförslag

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 10 januari 2017

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Tentamen MVE085 Flervariabelanalys

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

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.

Tentamen: Lösningsförslag

Omtentamen (med lösningar) MVE085 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Lösning till kontrollskrivning 1A

Övningstenta: Lösningsförslag

6. Räkna ut integralen. z dx dy dz,

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).

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Måndagen den 16 mars 2015

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i Flervariabelanalys, MVE , π, kl

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Inlämningsuppgift nr 2, lösningar

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 Tentamen Måndagen den 26 maj, 2014

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

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Omtentamen MVE085 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

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)

Tentamen: 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

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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)

Tentamen MVE085 Flervariabelanalys

= 0 genom att införa de nya

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.

Tentan , lösningar

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

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

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Bedömningskriterier till tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

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

23 Konservativa fält i R 3 och rotation

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

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Bedömningskriterier till tentamen Torsdagen den 4 juni 2015

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

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

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

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 TMA044 Flervariabelanalys E2

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

Integranden blir. Flödet ges alltså av = 3

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 27 maj, 2013

SF1649, Vektoranalys och komplexa funktioner Tentamen, måndagen den 19 december Lösningsförslag. F n ds,

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

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

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

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE , kl

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

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

För studenter i Flervariabelanalys Flervariabelanalys MA012B ATM-Matematik Mikael Forsberg

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 14 mars 2011,

SF1626 Flervariabelanalys

Tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

AB2.4: Kurvintegraler. Greens formel i planet

Figur 1: Postföretagets rektangulära låda, definitioner.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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.

Tentamen (med lösningar) MVE085 Flervariabelanalys

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

Lektion 3. Partiella derivator, differentierbarhet och tangentplan till en yta, normalen i en punkt till en yta, kedjeregeln

Transkript:

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 DEL A 1. Låt S vara ellipsoiden som ges av ekvationen x 2 + 2y 2 + 3z 2 = 5. (a) Bestäm en normalvektor till S i en punkt (x, y, z ) på S. (2 p) (b) Bestäm de värden på konstanten d för vilka planet x + 2y + 6z = d är ett tangentplan till S. (2 p) Lösningsförslag. (a) Eftersom ytan är en nivåyta för funktionen f(x, y, z) = x 2 + 2y 2 + 3z 2 ges en normalvektor av gradienten, dvs f(x, y, z ) = (2x, 4y, 6z ). (b) För att x + 2y + 6z = d ska vara ett tangentplan måste f vara parallell med (1, 2, 6) i dessa punkter, dvs (2x, 4y, 6z ) = (t, 2t, 6t) för något t. Detta ger (x, y, z ) = t(1/2, 1/2, 1) när vi sätter in det i ekvationen får vi t 2 4 + 2t2 4 + 3t2 = 5 dvs 15t 2 = 2 t = ±2/ 3. Detta ger d = x + 2y + 6z = t/2 + t + 6t = 15 2 t = ±5 3. Svar. (a) (2x, 4y, 6z ) är en normalvektor till ellipsoiden i punkten (x, y, z ). (b) d = ±5 3.

2 SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 2. Låt F vara vektorfältet F(x, y, z) = (y +2z, x+3z, 2x+3y) låt C vara den räta linjen från (1, 1, 1) till (3, 3, 3). (a) Beräkna kurvintegralen F dr genom att använda en parametrisering av kurvan C C. (2 p) (b) Visa att F är konservativt beräkna samma kurvintegral med hjälp av en potential. (2 p) Lösningsförslag. (a) En parametrisering av kurvan ges av r(t) = (t, t, t) på intervallet 1 t 3. Då får vi r (t) = (1, 1, 1) kurvintegralen blir 3 3 F dr = (3t, 4t, 5t) (1, 1, 1) dt = 12t dt C 1 = [ 6t 2] 3 = 6 1 (32 1 2 ) = 6 8 = 48. (b) För att bestämma en potential integrerar vi först första komponenten i x-led får Φ(x, y, z) = xy + 2xz + g(y, z). När vi deriverar detta med avseende på y får vi x + g = x + 3z därmed g(y, z) = 3yz + h(z). Till slut ger derivering med y avseende på z att 2x + 3y + h (z) = 2x + 3y vi kan välja h(z) =. Därmed är Φ(x, y, z) = xy + 2xz + 3yz en potential till F vektorfältet är konservativt. Vi kan nu beräkna kurvintegralen som F dr = Φ(3, 3, 3) Φ(1, 1, 1) C = (9 + 18 + 27) (1 + 2 + 3) = 54 6 = 48. 1 Svar. (a) F dr = 48. C (b) Φ(x, y, z) = xy + 2xz + 3yz är en potential till F.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 3 3. Låt f(x, y) = cos(y) + ln(1 + x) för de x y där detta uttryck är väldefinierat. Bestäm konstanterna a, b c så att f(x, y) = a + bx + cy + O(x 2 + y 2 ). Detta betyder att det finns en konstant M sådan att f(x, y) (a + bx + cy) M(x 2 + y 2 ) för alla punkter (x, y) i en omgivning av origo. (4 p) Lösningsförslag. Polynomet a + bx + cy måste vara Taylorpolynomet av grad 1 till funktionen f för att villkoret ska vara uppfyllt. Vi beräknar värdet i origo som f(, ) = cos() + ln(1 + ) = 1 = 1. Alltså ska a = 1. Vidare ska b vara partiella derivatan med avseende på x i origo vi får f x = 1 2 cos(y) + ln(1 + x) 1 1 + x Till sist får vi b = f x (, ) = 1 2 cos() + ln(1 + ) 1 1 + = 1 2. f y = 1 2 ( sin(y)) cos(y) + ln(1 + x) c = f y (, ) = 1 2 ( sin()) =. cos() + ln(1 + ) Svar. Konstanterna ges av a = 1, b = 1/2 c =.

4 SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 DEL B 4. En partikel färdas i en bana som beskrivs av parametriseringen r(t) = (cos πt + sin πt, cos πt sin πt, πt), t 4. (a) Beräkna partikelns hastighet, r (t), acceleration, r (t). (1 p) (b) Visa att hastigheten accelerationen är vinkelräta mot varandra. (1 p) (c) Beräkna sträckan som partikeln har färdats under intervallet t 4. (2 p) Lösningsförslag. (a) r (t) = ( π sin πt + π cos πt, π sin πt π cos πt, π) r (t) = ( π 2 cos πt π 2 sin πt, π 2 cos πt + π 2 sin πt, ). (b) Genom att beräkna skalärprodukten r (t) r (t) kan vi se att de är vinkelräta. r (t) r (t) = π 3 (cos πt sin πt)(cos πt + sin πt) +π 3 (cos πt + sin πt)(cos πt sin πt) + π =, vilket visar att de är vinkelräta. (c) Farten hos partikeln ges av r (t) vi får detta som r (t) = ( π sin πt + π cos πt) 2 + ( π sin πt π cos πt) 2 + π 2 = 2 (sin 2 πt + cos 2 πt) + π 2 = π 3. Därmed kan vi beräkna sträckan som partikeln färdats som 4 r (t) dt = 4 π 3 dt = 4π 3. Svar. (a) Hastigheten är r (t) = ( π sin πt + π cos πt, π sin πt π cos πt, π) accelerationen r (t) = ( π 2 cos πt π 2 sin πt, π 2 cos πt + π 2 sin πt, ). (c) Sträckan är 4π 3.

5. Området D i planet ges av SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 5 (x 2 + y 2 x) 2 x 2 + y 2 villket i polära koordinater motsvaras av olikheten r 1 + cos θ. Bestäm koordinaterna till masscentret av området D om dess densitet är konstant. (4 p) Lösningsförslag. För att beräkna masscentrum behöver vi beräkna arean A de båda integralerna I x = x dxdy I D y = y dxdy. D Arean ges av 1+cos θ [ ] r 2 1+cos θ A = rdrdφ = dθ 2 För I x får vi I x = = 1 2 (1 + cos θ) 2 dθ = 1 2 = 1 2 ( + + π) = 3π 2. = 1 3 = 1 3 1+cos θ r cos θ rdrdφ = (1 + cos θ) 3 cos θ dθ (1 + 2 cos θ + cos 2 θ) dθ [ r 3 3 ] 1+cos θ (cos θ + 3 cos 2 θ + 3 cos 3 θ + cos 4 θ) dθ cos θ dθ = 1 (cos θ + 3 cos 2 θ + 3 cos 3 θ + (1 sin 2 θ) cos 2 θ) dθ 3 = 1 ( cos θ + 4 cos 2 θ + 3 cos 3 θ 1 ) 3 4 sin2 2θ dθ = 1 ( + 4π + π ) = 5π 3 4 4. 1+cos θ [ ] r 3 1+cos θ I y = r sin θ rdrdφ = sin θ dθ 3 = 1 (1 + cos θ) 3 sin θ dθ = 1 ] (1 + cos θ)4 [ =. 3 3 4 Vi får nu x-koordinaten för masscentrum som I x /A = (5π/4)/(3π/2) = 5/6 y- koordinaten som I y /A =. Svar. Masscentrum ligger i punkten (5/6, ).

6 SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 6. Vektorfältet F = (F 1, F 2, F 3 ) är definierat i rummet uppfyller div F = x 2 + y 2 + z 2. Vi känner dessutom till att F 3 (x, y, z) = y 2 + xz. Ytan S är övre halvan av enhetssfären som beskrivs av x 2 + y 2 + z 2 = 1, z, dess orientering ges av att normalvektorn N = (x, y, z) har positiv riktning. Beräkna flödet av F genom S. (4 p) Lösningsförslag. I med att vi känner till divergensen överallt kan vi använda divergenssatsen för att beräkna flödet ut genom den slutna yta som utgör randen till halvklotet H som ges av x 2 + y 2 + z 2 1 z. Detta flöde blir enligt divergenssatsen π/2 1 (x 2 + y 2 + z 2 ) dxdydz = r 2 r 2 sin φdrdφdθ H = = [θ] 1 dθ [ r 5 ] 1 r 4 dr π/2 [ cos φ] π/2 sin φ dφ 5 = 1 5 1 = 5 För att få reda på flödet ut genom den buktiga delen av ytan behöver vi dra bort flödet ut genom bottenytan. Där har vi en normalvektor (,, 1) vilket ger ett flöde D (y 2 + xz) dxdy där D är enhetscirkeln i xy-planet. I med att z = där har vi flödet 1 Flödet genom den buktiga ytan blir därmed ( 5 π ) 4 r 2 sin 2 θ rdrdθ = π 4. = 13π 2. Svar. Flödet genom ytan blir 13π/2.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 7 DEL C 7. Låt f(x, y, z) vara en två gånger kontinuerligt deriverbar funktion av variablerna x, y z som endast beror på avståndet från origo. Det vill säga f(x, y, z) = g(r) för någon två gånger deriverbar funktion g(r), där r = x 2 + y 2 + z 2. Laplaceoperatorn 2 definieras av att 2 f = 2 f x 2 + 2 f y 2 + 2 f z 2. Beräkna 2 f uttryckt i r, funktionen g(r) dess derivator, för r >. (4 p) Lösningsförslag. Enligt kedjeregeln får vi f x = g (r) r x Eftersom r = x 2 + y 2 + z 2 får vi ( ) 2 2 f r x = 2 g (r) + g (r) 2 r x x. 2 r x = 2x 2 x 2 + y 2 + z 2 = x r 2 r x = 1 r x x r = r2 x 2. 2 r 2 r 3 På grund av symmetrin får vi motsvarande för y z. Därmed har vi 2 f = 2 f x + 2 f 2 y + 2 f ( 2 z 2 ) ( ) x = g 2 (r) r + y2 2 r + z2 r + g 2 x 2 (r) + r2 y 2 + r2 z 2 2 r 2 r 3 r 3 r 3 = g (r) + g (r) 3r2 r 2 = g (r) + 2 r g (r). r 3 Svar. 2 f = g (r) + 2g (r)/r för r >.

8 SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 8. Visa att ekvationen 4x 2 + 3y 2 + cos(2x 2 + y 2 ) = 1 endast har lösningen (x, y) = (, ). (4 p) Lösningsförslag. Vi kan visa att det bara finns en lösning genom att visa att vänsterledet är större än 1 i alla andra punkter. För att visa det ser vi på möjliga lokala extrempunkter. I med att funktionen är deriverbar överallt måste en lokal extrempunkt uppfylla att gradienten av vänsterledet är nollvektorn. Låt f(x, y) = 4x 2 + 3y 2 + cos(2x 2 + y 2 ). Vi får då att f(x, y) = ( 8x 4x sin(2x 2 + y 2 ), 6y 2y sin(2x 2 + y 2 ) ) = ( 4x(2 sin(2x 2 + y 2 )), 2y(3 sin(2x 2 + y 2 ) ) I med att sinus aldrig kan anta värdena 2 eller 3 finns bara en kritisk punkt detta är origo. Utanför ellipsen med ekvation 4x 2 + 3y 2 = 3 tar funktionen bara värden större än eller lika med två. Eftersom origo är den enda kritiska punkten innanför denna ellips måste funktionen vara större än 1 i alla punkter utanför origo.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen 216-6-7 9 9. Låt u(x, y) vara en harmonisk funktion, d.v.s. en funktion som uppfyller 2 u x + 2 u =, för alla x, y. 2 y2 (a) Ange en kurvintegral som beräknar medelvärdet v(r) av u(x, y) över alla punkter (x, y) som ligger på en cirkel med radie r kring origo. (1 p) (b) Det går att beräkna derivatan v (r) genom att derivera innanför integraltecknet. Visa att v(r) är en konstant funktion genom att använda divergenssatsen på kurvintegralen för v (r). (2 p) (c) Använd detta till att visa att v(r) = u(, ) för alla r >. (1 p) Lösningsförslag. (a) Vi ska beräkna medelvärdet över en cirkel med radie r kring origo får då v(r) = 1 r u(r cos θ, r sin θ) rdθ = 1 (b) Vi deriverar v(r) får då v (r) = 1 ( u u (r cos θ, r sin θ) cos θ + x y = 1 ( u r x = 1 r u(r cos θ, r sin θ) dθ. ) (r cos θ, r sin θ) sin θ u (r cos θ, r sin θ) cos θ + (r cos θ, r sin θ) sin θ y dθ. ) rdθ grad u N ds. C r Den sista integralen är en flödesintegral som vi kan beräkna med hjälp av divergenssatsen får då v (r) = 1 grad u N ds = 1 div grad u ds. r C r r D r Eftersom div grad u = 2 u x 2 + 2 u y 2 = ger detta att v (r) =. (c) I med att v (r) = har vi att v(r) = C där C är en konstant. För att bestämma konstanten ser vi på gränsvärdet då r går mot noll. På grund av kontinuiteten har vi att medelvärdet på en cirkel med radie r måste gå mot värdet i origo när r går mot noll. Därmed är C = u(, ) v(r) = u(, ) för alla r >.