UPPSTÄLLDA SAMBAND SKALL MOTIVERAS (gärna med en enkel skiss). Uppgifterna är inte avsiktligt ordnade efter hur svåra de är.

Relevanta dokument
Tentamen i Fourieranalys MVE030 för F2 och Kf2 och Fouriermetoder MVE290 för TM2

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,

Analytisk mekanik för MMT, 5C1121 Tentamen, , kl

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

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

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

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

1. Låt kommutatorn verka på en vågfunktion och inför att ˆp x = i h d. d2 (xψ(x)) ) = h 2 (x d2 Ψ(x) = i2 hˆp x Ψ(x) [ev] E n = 13, 6 Z2 n 2

Rita även grafen till Fourierserien på intervallet [ 2π, 4π]. (5) 1 + cos(2t),

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

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

Introduktion till partiella differentialekvationer

Formelsamling, Kvantmekanik

Edwin Langmann (Epost: x u(x, t); f (x) = df(x)

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

TENTAMEN I KVANTFYSIK del 1 (5A1324 och 5A1450) samt KVANTMEKANIK (5A1320) med SVAR och LÖSNINGSANVISNINGAR Tisdagen den 5 juni 2007

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

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

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

Tentamen: Lösningsförslag

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

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.

LÖSNING TILL TENTAMEN I STJÄRNORNA OCH VINTERGATAN, ASF010

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 ).

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

Tentamen i Mekanik - Partikeldynamik TMME08

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösning till kontrollskrivning 1A

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 10 januari 2017

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

(ii) Beräkna sidoförskjutningen d mellan in- och utgående strålar, uttryckt i vinklarna θ i och tjocklekar t i. (2p)

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen i Matematisk analys, HF1905 exempel 1 Datum: xxxxxx Skrivtid: 4 timmar Examinator: Armin Halilovic

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

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 7 poäng, FyL2 Tisdagen den 19 juni 2007 kl 9-15

Föreläsning 9. Induktionslagen sammanfattning (Kap ) Elektromotorisk kraft (emk) n i Griffiths. E(r, t) = (differentiell form)

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

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

Institutionen för teknikvetenskap och matematik. Kurskod/kursnamn: F0004T, Fysik 1. Tentamen datum: Skrivtid:

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 15-18, 30/11-12/

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

Lösningsförslag till tentamen i 5B1107 Differential- och integralkalkyl II för F1, (x, y) = (0, 0)

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

6. Räkna ut integralen. z dx dy dz,

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

Varför låter musikinstrument

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

Mekanik 2 f or F Obligatorisk del

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

Associerade Legendre-funktioner och klotytefunktioner Ulf Torkelsson

1. (a) Bestäm funktionen u = u(t, x), t > 0 och 0 < x < L, som uppfyller. u(t, 0) = 0, u x (t, L) = 0 u(0, x) = Ax(2L x)

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

TMV036 Analys och linjär algebra K Kf Bt, del C

Tentamen Fysikaliska principer

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

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

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Lösningsförslat ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Luft. film n. I 2 Luft

Signal- och bildbehandling TSBB14

Tentamen, Matematik påbyggnadskurs, 5B1304 fredag 20/ kl

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

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

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

Extra övningsuppgifter i Fourieranalys, 2012/13

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

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

Tentamen MVE085 Flervariabelanalys

Signal- och bildbehandling TSBB14

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

Kvantfysik SI1151 för F3 Tisdag kl

2. För ljudvågor i en gas, innesluten i ett sfärisk skal, gäller vågekvationen. u tt = c 2 u

1.1 Gradienten i kroklinjiga koordinatsystem

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Tentamen i FEM för ingenjörstillämpningar (SE1025) den 15 mars 2011 kl

Program: DATA, ELEKTRO

Transkript:

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för Fysik och teknisk fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I FYP34 TILLÄMPAD FOURIERANALYS Tid: Lördag 9 apri 8, k 8 3 3 3 Pats: V Ansvarig ärare: Uf Torkesson, te. 3-77 336 arbete, 3-4544 bostad, 733-668 mobi Hjäpmede: Miniräknare med tömt minne. Standard Math Tabes, Beta, Physics Handbook, Oe Branders bå formesaming, Arfken & Weber Mathematica Methods for Physicists. Aa formesamingar ska vara fria från egna anteckningar bortsett från korrektioner av tryckfe. En begränsad mängd anteckningar är tiåtna i Arfken & Weber. Lösningarna redovisas på kurshemsidan den apri Resutaten ansås senast fredagen den 9 maj. Tentamensgranskning fredagen den 9 maj k..3 -. i O78B. Varje uppgift ger maximat 3 poäng. För godkänt krävs minst 7 poäng och för VG 7 poäng. UPPSTÄLLDA SAMBAND SKALL MOTIVERAS gärna med en enke skiss. Uppgifterna är inte avsiktigt ordnade efter hur svåra de är.. Beräkna Fourierserieutveckingen för en periodisk funktion med perioden, och som på intervaet < x < a ges av f x F x a, där a och F är godtyckiga konstanter. Lösning: F { [ a x inπ a F c n a F x a ] a e inπx/a { [ a n π x a e inπx/a ] a a a x inπ a n π a e inπx/a dx a e inπx/a dx a e inπx/a dx } }

F { n π e inπ + F n π einπ { 4a n π n + [ a n π in 3 π 3 e inπ e inπ inπa e inπx/a ] a } } F n n π. Vi måste beräkna c separat c a F x a dx F ] a [x x3 3a F a a 3 + a a 3 3 F. Atså kan vi skriva Fourierserien som f x 3 F F + n π n e inπx/a + e inπx/a 3 F + 4F π n. Beräkna Fouriertransformen av funktionen där Ψ, κ och ω är konstanter. Ψ t Ψ e κt sin ω t, cos nπx/a n. 3 n Lösning: Ψ ω Ψ e κt sin ω t e iωt dt Ψ Ψ i Vi inför nu de nya integrationsvariaberna så att av vi kan skriva Fouriertransformen som Ψ ω Ψ i e κt i e κt e iω ωt dt + e iω t e iωt e iωt dt ω ω ω 5 ω ω + ω. 6 e κt e iω t dt + Ψ i e κt e iω t dt e ω /4κ + e ω /4κ κ κ Ψ i κ e ω +ω/4κ e ωω/κ e ωω/κ. 7 e κt e iω+ωt dt. 4

3. En oändigt ång stav har temperaturfördeningen fx vid tiden. Bestäm temperaturfördeningen T x, t om vi kan skriva värmeedningsekvationen där κ är en konstant. T t T κ x, Lösning: Med en Fouriertransform i x-riktningen kan vi skriva ösningen som T x, t F k, t e ikx dk, 8 och F k, t Differentiaekvationen bir då som har ösningen Begynnesevikoret ger oss F k, Atså har vi och vi kan skriva T x, t e ikx dx. 9 k F k, t F κ t, F k, t φ k e k κt. T x, e ikx dx φ k F k, t Vi inverterar nu Fouriertransformen T x, t e ikx f x f x e ikx dx. f x e ikx dx, 3 f x e ikx dxe k κt. 4 f x e ikx dx e k κt dk f x e ikx x e k κt dkdx 4πκt e x x /4κt dx. 5 3

4. En svängande sträng dämpas av en friktionskraft som är proportione mot strängens hastighet. Den uppfyer dådifferentiaekvationen Ψ t c Ψ x h Ψ t, där Ψx, t är strängens avvikese från jämviktsäget, och c och h är konstanter, och x, och dessutom gäer att h < πc/. För strängen gäer randvikoren Ψ, t Ψ, t, samt begynnesevikoren Ψ x, f x och Bestäm Ψ. Ψ t x,. Lösning: Ansätt så att X d T dt Vi separerar ekvationen d T T dt Ψ x, t X x T t, 6 c T d X dx dt hx dt. 7 + hdt c d X dt X dx λ. 8 För X får vi ekvationen som har ösningen d X dx λ X, 9 c X x A cos λx c Randvikoret X ger oss att A, och + B sin λx c. ger oss att X B sin λ c λ c, mπ. 4

Atså har vi ösningarna För T har vi ekvationen d T dt som ger oss det karakteristiska poynomet X x B m sin mπx. 3 + hdt dt + T, 4 γ + hγ +, 5 med rötterna γ h ± h, 6 vika är kompexa. Atså kan vi skriva ösningen som T t C e ht e i m π c h t +C e ht e i m π c h t e C ht m π cos c m h π t + D sin 7 Då har vi att m dt dt he ht C cos h t + D sin h t +e ht h 8 Begynnesevikoret dt x, 9 dt ger oss att m π hc + D c h, 3 där vi kan ösa ut C D h h. 3 Atså kan ösningen skrivas som m π c Ψ x, t B me ht h m π cos c m h h π t + sin c h t sin mπx. m 3 C sin 5

Sutigen har vi begynnesevikoret Ψ x, f x m B m h h sin mπx, 33 som är utveckingen av f i en sinusserie. Atså har vi B m h h f x sin mπx dx, 34 så att koefficienterna ges av 5. Lös Lapace-ekvationen B m h m π c h Ψ f x sin mπx dx. 35 på ett cirkuärt membran med radien a. Antag att potentiaen på randen uppfyer randvikoret Ψa, ϕ fϕ. Lösning: I cyinderkoordinater skriver vi Lapaces ekvation som ρ Ψ + Ψ ρ ρ ρ ρ. 36 ϕ Vi ansätter Lapaces ekvation bir då Φ ρ Ψ ρ, ϕ R ρ Φ ϕ. 37 d dρ ρ dr dρ + R d Φ ρ, 38 dϕ som vi kan separera ρ d R dρ ρ dr d Φ dρ Φ dϕ λ. 39 Ekvationen för Φ kan skrivas d Φ dϕ λ Φ, 4 som har ösningen Φ ϕ A cos λϕ + B sin λϕ. 4 6

Denna ösning måste uppfya vikoret att Φ Φ, som ger oss att λ är ett godtyckigt heta m. Ekvationen för R kan sedan skrivas ρ d ρ dr m R, 4 dρ dρ som är Euer-ekvationen ρ d R dρ + ρdr dρ m R. 43 Om vi ansätter att R ρ n så får vi den karakteristiska ekvationen som ger oss med ösningen Atså har vi ρ n n ρ n + ρnρ n m ρ n, 44 n m 45 n ±m. 46 R ρ Cρ m + Dρ m. 47 Eftersom ösningen ska vara regujär för ρ så är D. Det innebär att den amänna ösningen är Ψ ρ, ϕ m Vårt randvikor ger oss nu att Ψ a, ϕ f ϕ där koefficienterna ges av A m cos mϕ + B m sin mϕ ρ m + A. 48 m A m cos mϕ + B m sin mϕ a m + A, 49 A m B m πa m πa m f ϕ cos mϕdϕ 5 f ϕ sin mϕdϕ 5 6. En tunn cirkuär skiva med radien a har en addning jämt fördead över sin yta. Beräkna den eektriska potentiaen utanför denna skiva. 7

Lösning: För att ösa probemet använder vi Greens funktion för Lapaces ekvation Φ r ρ r 4πɛ V r r d3 r, 5 som vi expanderar i kotytefunktioner Φ r ρ r 4π 4πɛ V m + r< r> + Y m θ, ϕ Y m θ, ϕ d 3 r. 53 Probemet är nu axisymmetriskt och θ π så att cos θ. Lägg nu märke ti att det föjer att P och P, och enigt rekursionsformen för Legendre-funktionerna har vi P n+ P n + P n n + n n + P n. 54 Vi kan nu förenka utveckingen av Greens funktion, så att potentiaen kan skrivas som Φ r ρ r r< 4πɛ V r + P cos θ P d 3 r > a r<!! P cos θ 4πɛ πa r> + r dr!! a r< ɛ a P cos θ r dr. 55 Om vi nu har att r > a så får vi!! Φ r ɛ a P cos θ ɛ a Om istäet r < a ɛ a Φ r ɛ a!! P cos θ ɛ!! {[!! P cos θ [ a r + > r + r + dr r + + r + ] a!! P cos θ a. 56 r+ { r r + P cos θ [ r + + r + 8 ] r r + dr + + a r r r r } dr r ] a } r

ɛ a ɛ a {!! r P cos θ + r a + r }!! + + P cos θ + r r a ɛ a!! P cos θ 4 + + r r a. 57 9