Numeriska metoder för fysiker Lördag , kl 10-14

Relevanta dokument
DN1212 Numeriska Metoder och Grundläggande Programmering DN1214 Numeriska Metoder för S Lördag , kl 9-12

DN1212+DN1214+DN1215+DN1240+DN1241+DN1243 mfl Tentamen i Grundkurs i numeriska metoder Del 2 (av 2) Lördag , kl 9-12

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

DN1212+DN1214+DN1215+DN1240+DN1241+DN1243 mfl Lördag , kl 9-12 Tentamen i Grundkurs i numeriska metoder Del 1 (av 2)

Tentamen del 1 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Sammanfattning (Nummedelen)

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 2

Laboration 3. Funktioner, vektorer, integraler och felskattning

LABORATION cos (3x 2 ) dx I =

Laboration 3. Funktioner, vektorer, integraler och felskattning

LABORATION 2. Trapetsregeln, MATLAB-funktioner, ekvationer, numerisk derivering

KTH 2D1240 OPEN vt 06 p. 1 (5) J.Oppelstrup

Tentamen i Beräkningsvetenskap I och KF, 5.0 hp,

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

Ansvariga lärare: Yury Shestopalov, rum 3A313, tel (a) Problem 1. Använd Eulers metod II (tre steg) och lös begynnelsevärdesproblemet

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

Lösningar tentamen i kurs 2D1210,

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 2 juni 2014

OH till Föreläsning 14, Numme I2, God programmeringsteknik

OH till Föreläsning 15, Numme K2, God programmeringsteknik

TMA226 datorlaboration

Tentamen, del 2 DN1240 Numeriska metoder gk II för F

OH till Föreläsning 5, Numme K2, Läsa mellan raderna. Allmän polynom-interpolation, S Ch 3.1.0

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 13 jan 2014

Laboration 6. Ordinära differentialekvationer och glesa system

LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN 2 SF1664

FÖRSÄTTSBLAD TILL TENTAMEN. ELLER (fyll bara i om du saknar tentamenskod): Datum: 16 januari Bordsnummer:

Omtentamen i DV & TDV

Mälardalens högskola Akademin för utbildning, kultur och kommunikation

Lösningsförslag Tentamen i Beräkningsvetenskap I, 5.0 hp,

OH till Föreläsning 12, NumMet O1, God programmeringsteknik

SF1664 Tillämpad envariabelanalys med numeriska metoder Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i Beräkningsvetenskap I/KF, 5.0 hp,

Laboration 4. Numerisk behandling av integraler och begynnelsevärdesproblem

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

Kontrollskrivning KS1T

Tentamen del 2 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Institutionen för Matematik, KTH Lösningar till tentamen i Analys i en variabel för I och K (SF1644) 1/ e x h. (sin x) 2 1 cos x.

DN1212 för M: Projektrapport. Krimskramsbollen. av Ninni Carlsund

Laboration 4. Numerisk behandling av integraler och begynnelsevärdesproblem

Uppgift 1 R-S. Uppgift 2 R-M. Namn:...

Facit Tentamen i Beräkningsvetenskap I (1TD393) STS ES W K1

Interpolation Modellfunktioner som satisfierar givna punkter

LAB 1. FELANALYS. 1 Inledning. 2 Flyttal. 1.1 Innehåll. 2.1 Avrundningsenheten, µ, och maskinepsilon, ε M

Samtliga deluppgifter i denna uppgift använder följande differentialekvation. Deluppgift a görs för hand

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

a = a a a a a a ± ± ± ±500

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

Högskolan i Skövde (SK, JS) Svensk version Tentamen i matematik Lösningsförslag till del I

Tentamen del 2 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA671

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Intervallhalveringsmetoden, GKN sid 73. Sekantmetoden, GKN sid 79

) + γy = 0, y(0) = 1,

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

Fixpunktsiteration. Kapitel Fixpunktsekvation. 1. f(x) = x = g(x).

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

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

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

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

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

MA2001 Envariabelanalys 6 hp Mikael Hindgren Tisdagen den 9 januari Skrivtid:

Lösningsförslag till tentamensskrivningen i Numerisk analys

Sidor i boken f(x) = a x 2 +b x+c

Lösandet av ekvationer utgör ett centralt område inom matematiken, kanske främst den tillämpade.

Tentamen i Beräkningsvetenskap I (1TD393)

Meningslöst nonsens. December 14, 2014

x sin(x 2 )dx I 1 = x arctan xdx I 2 = x (x + 1)(x 2 2x + 1) dx

Tentamen i Beräkningsvetenskap I (nya versionen), 5.0 hp, Del A

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen

NUMPROG, 2D1212, vt Föreläsning 1, Numme-delen. Linjära ekvationssystem Interpolation, Minstakvadratmetoden

LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN 2 SF1664

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

f(x + h) f(x) h f(x) f(x h) h

4 Fler deriveringsregler

Gamla tentemensuppgifter

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,

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

Frågorna 1 till 6 ska svaras med sant eller falskt och ger vardera 1

5 Om f (r) = 0 kan andraderivatan inte avgöra vilken typ av extrempunkt det handlar om. Återstår att avgöra punktens typ med teckenstudium.

Kurs DN1215, Laboration 3 (Del 1): Randvärdesproblem för ordinära differentialekvationer

OH till Föreläsning 5, Numme K2, GNM Kap 4-4.4A / GKN Kap 4.1A,(D),E Interpolation. Läsa mellan raderna. Allmän polynom-interpolation

20 Gamla tentamensuppgifter

Tentamen i matematik. f(x) = ln(ln(x)),

6 Derivata och grafer

5B1134 Matematik och modeller Lösningsförslag till tentamen den 12 januari 2005

Envariabelanalys 5B1147 MATLAB-laboration Derivator

Föreläsning 8, Numme i2,

f(x) = x 2 g(x) = x3 100 h(x) = x 4 x x 2 x 3 100

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

2D1210, Numeriska Metoder, GK I för V 2.

MMA127 Differential och integralkalkyl II

Konvergens för iterativa metoder

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

En vanlig uppgift är att bestämma max resp min för en trigonometrisk funktion och de x- värden för vilka dessa antas.

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

Gruppuppgifter 1 MMA132, Numeriska metoder, distans

Transkript:

FyL, Num met för fysiker, NADA, KTH/SU, Ninni Carlsund 8--9 Numeriska metoder för fysiker Lördag 8--9, kl -4 Skrivtid 4 tim Maximal poäng 35 + bonuspoäng från årets laborationer (max 4p) Betygsgänser: för betyg D: minst poäng, för betyg C: över 6 poäng oc för betyg B: över 9 poäng för betyg A: över 3 poäng Alla poäng är inklusive bonuspoäng Maxpoäng för uppgifterna anges inom parentes bredvid uppgiftsnumret Tillåtna jälpmedel: Nadas användarandledning för MATLAB För icke-svenskspråkiga tillåts också lexikon Var god notera att miniräknare ej är tillåten på denna tentamen Svar skall motiveras oc uträkningar redovisas Korrekt svar utan motivering eller med felaktig motivering medför poängavdrag Då algoritmbeskrivning begärs, avses normalt beskrivning i MATLAB/ComsolScript Eftersom miniräknare ej är tillåten är det tillåtet att lämna enkla beräkningsuttryck oförenklade, tex c 5 3 cos(π/3) i stället för det uträknade c ( ) P Ange dina bonuspoäng oc den kursomgång (linje oc termin) där poängen erållits Endast poäng från 7 är giltiga P Ekvationen nedan ar en rot nära x x 3 x e ( x) (3) a) Genomför en iteration med Newton-Rapsons metod för denna rot (Handräkning) () b) Har ekvationen fler rötter? (3) c) Antag att ekvationen i deluppgift a var αx 3 x βe (γ x) där parametrarna var uppmätta med felgränser, α ± E α, β ± E β oc γ ± E γ Ge en algoritm för att skatta en gräns för onoggranneten i den i deluppgift a sökta roten som uppkommer av dessa felgränser P Givet tabellen x 4 5 7 y 3 8 () a) Skatta y(6) med linjär interpolation () b) Skatta y(6) med kvadratisk interpolation () c) Skatta trunkeringsfelet i värdet i deluppgift b ovan, dvs y(6) erållet med kvadratisk interpolation Tentamen fortsätter på nästa sida Var god vänd!

FyL, Num met för fysiker, NADA, KTH/SU, Ninni Carlsund 8--9 P3 (3) a) Bestäm parametrarna α, β då kurvan y α + β(x γ) anpassas till tabellen nedan med minstakvadratmetoden Du får är anta att γ x 3 y 3 5 (3) b) Skriv ett Matlab-program som beräknar samtliga parametrar α, β oc γ då dessa anpassas till tabellen med minstakvadratmetoden P4 Integralen nedan skall skattas med trapetsregeln: exp(x )dx () a) Beräkna de två värden på integralen man får med trapetsregeln oc steglängderna respektive () b) Är trapetsregelvärdena en över- eller underskattning av det sanna integralvärdet? () c) Använd de två integralvärden du fått i deluppgift a ovan för att skatta vad trapetsregelvärdet för steglängden 5 ungefär bör bli Tips: Som bekant är e 7 oc du beöver ej ta med mer än decimaler i räkningarna P5 Givet nedan är tre formler som är tänkta att numeriskt approximera förstaderivatan av y(x) Härled formlernas respektive noggrannetsordning () a) y (x) y(x+) y(x ) () b) y (x) y(x+) y(x ) 3 () c) y (x) y(x+) y(x ) 3 P6 Scrödingers vågekvation i en dimension ser ut y + V (x)y(x) E y(x) För väteatomen ser potentialen ut som V (x) Z x, där konstanten Z är kärnans laddning oc konstanten E är bindningsenergin, E /n, där n är systemets uvudkvanttal NB: Deluppgift b, c oc d kan lösas även om inte deluppgift a lösts (4) a) De sanna randvärdena till problemet är y() oc lim x y(x), men det blir svårt numeriskt Man approximerar då lösningen enbart på intervallet x med randvillkoren y() oc y() Härled formlerna för finita differensmetoden (bandmatrismetoden) som man får om man delar in intervallet i 5 delar () b) Antag att man i stället fått begynnelsevillkoren y() oc y () 5 (oc alltså inget villkor i x ) Skriv om Scrödinger-ekvationen till ett första ordningens system av differentialekvationer Glöm inte ta med begynnelsevillkoren () c) Skatta med Eulers metod oc steglängden värdet av y(3) (Handräkning) Använd kärnladdningen Z oc uvudkvanttalet n oc begynnelsevillkoren enligt deluppgift b (3) d) Skriv ett Matlab-program som plottar lösningen y(x) (oc inget annat) på intervallet x om man använder begynnelsevillkoren enligt deluppgift b Lycka till oc gott fortsatt nummande önskar Ninni!

FyL, Num met för fysiker, NADA, KTH/SU, Ninni Carlsund 8--9 Kort förslag till lösning Pa Newton-Rapson: x n+ x n f(x n )/f (x n ) Här är x oc f(x) x 3 x e ( x) f() 3 e oc f (x) 3x + e ( x) f () 3 + e 3 oc därmed x ( )/3 4/3 Pb Skriv ekvationen som x 3 x e ( x) Kalla f(x) x 3 x oc g(x) e ( x) - Alt : (ma matematik) g(x) > för alla x (oc avtagande) För x < är f(x) <, alltså inga rötter för x < För < x < är f(x) < likaså, alltså inga rötter för < x < eller För x > är f (x) > oc g (x) <, alltså korsar kurvorna max en gång Eftersom f() < g() så korsar dom varandra En rot för x > Återstår intervallet < x < : men där finns inga rötter eller ty f(x) x 3 x x 3 + x oc g(x) e > 7 dvs f(x) oc g(x) skär inte varandra på intervallet < x < Det finns bara en rot (den strax ovanför x ) - Alt : (ma grafik (oc lite matematik)) Plotta (dvs skissa för and) kurvorna y f(x) oc y g(x) Ur figuren inses raskt att det bara finns en rot för x > oc ingen för x < Återstår intervallet < x < ; resonera som i alternativ : inga rötter Alltså finns bara en rot, strax ovanför x Pc Använd störningsräkning! Beräkna först roten med originalvärden på parametrarna, x Beräkna sedan den rot man får om man stör α maximalt, x α Beräkna sedan den rot man får om man stör β maximalt, x β Beräkna sedan den rot man får om man stör γ maximalt, x γ Felgränsen i roten skattas sedan som summan av absolutbeloppen av skillnaderna x rot(α, β, γ ) x α rot(α + E α, β, γ ) x β rot(α, β + E β, γ ) x γ rot(α, β, γ + E γ ) E x x α x + x β x + x γ x Beräkningen av roten sker frslagsvis med Newton-Rapsons metod (som i deluppgift a, men med fler varv) Pa Vi skall byta gradtal mellen upppgifterna - använd Newtons ansats Grad: p(x) c + c (x x ) p(x ) y oc p(x ) y med x 5 oc x 7 ger c 8 oc c vilket ger p(6) (Alternativ lösning: 6 är mittimellan 5 oc 7, med linjär IP, dvs rätlinje blir p(6)(y(5)+y(7))/) Pb Fortsätt med Newtons ansats; p(x) c +c (x x )+c 3 (x x )(x x ) Lägg till nya punkten x 3 4 oc y 3 3 samt ekvationen p(x 3 ) y 3 vilket ger c 3 vilket ger p(6) Pc Trunkeringsfelet kan med Newtons ansats skattas med första försummade termen, dvs E trunk p p (6) p 3 (6) Beräkna 3e-gradspolynomet: p 3 (x) c + c (x x ) + c 3 (x x )(x x ) + c 4 (x x )(x x )(x x 3 ) Lägg till nya punkten x 4 oc y 4 samt ekvationen p(x 4 ) y 4 vilket ger c 4 5/7 vilkget ger p(6) 5/7 Trunkeringsfelet blir då E ( 5/7) 5/7 5/7 7 P3a Då γ är problemet ett linjärt MKV-problem i α c oc β c y c + c (x ) Ställ upp det linjära ekvationssystem Ac b oc lös ma normalekvationerna, A T Ac A T b x y 3 3 5 ( ) ( c c ) A T A 3 5 ( ) 4 6, A T b 6 8 ( ) 4 Lös x-systemet så får man c 3/ oc c 5/6 P3b Kan lösas med Gauss-Newton ELLER lineraisering 3

FyL, Num met för fysiker, NADA, KTH/SU, Ninni Carlsund 8--9 Alt Gauss-Newton: Sätt c α, c β oc c 3 γ: c[ 3/, 5/6, -]; % Startvarden gissade fran varden i p3a t; iter; wile norm(t)<e-6 & iter<5; fc()+c()*(x-c(3))^ - y; J[x^, (x-c(3))^, -c()**(x-c(3))]; tj\ f; cc-t; iteriter+; end; if iter<5; alfac(), betac(), gammac(3) else disp( Ej konvergens ) end; Alt Linearisering: y α + β(x γ) α + β(x xγ + γ ) (α + γ ) (βγ)x + βx Sätt alltså c α + γ, c βγ oc c 3 β oc MKV-anpassa ett andragradspolynom p(x) c + c x + c 3 x till mätdata x[ 3] ; y[ 3 5] ; A[x^ x x^]; ca\y betac(3) gamma-c()/(*beta) alfac()-beta*gamma^ Fördelar med detta alternativ är att man inte beöver någon startgissning oc att man får svaret direkt, utan iteration P4a { T() f( ) + { f() e + e e 544 { T() f( ) + f() + { f() e + e + e e + e 37 P4b En överskattning ty e x är en kurva som böjer sig uppåt (a-derivatan är positiv), så de räta linjerna i trapetsregeln ligger alltid ovanför kurvan P4c T skall avta ungefär en faktor 4 T T() T() 544 37 7 ( T)/4 43 T(5) 37 43 39 P5 Härleds ma Taylor-utveckling y(x + ) y + y +! y + 3 3! y + O ( 4) y(x ) y y +! y 3 3! y + O ( 4) y(x + ) y + y + ()! y + ()3 y + O ( 4) 3! y + y + 4! y + 8 3 3! y + O ( 4) 4

FyL, Num met för fysiker, NADA, KTH/SU, Ninni Carlsund 8--9 P5a P5b y(x + ) y(x ) {y + y +! y + 3 3! y + O ( 4) {y + 3 3! y + O ( 4) y + 3! y + O ( 3) {y y +! y 3 3! y + O ( 4) Uttrycket går mot y när som sig bör Felet är E trunk 3! y + O ( 3) c + O ( 3), dvs metoden är av ordning (ty första feltermen är ) y(x + ) y(x ) 3 {y + y + 3! y + 3 3! y + O ( 4) 3 {y + 3 3! y + O ( 4) 3 3 y + 3 3! y + O ( 3) {y y +! y 3 3! y + O ( 4) Uttrycket går INTE mot y när Formeln skattar ej y Metoden är av ordning (ty fungerar inte) P5c y(x + ) y(x ) 3 {y + y + 4 3! y + 8 3 3! y + O ( 4) 3 {y y +! y 3 3! y + O ( 4) P6a {3y + 3 3! y + 9 3 3! y + O ( 4) y +! y + 3 3! y + O ( 3) Uttrycket går mot y när som sig bör Felet är E trunk! y +3 3! y +O ( 3) c +c +O ( 3), dvs metoden är av ordning (ty första feltermen är ) y + V (x)y Ey Diskretisera intervallet Dela upp det i N delar: x i + i där ( )/N y i y(x i ) med kända randvärden y oc y N Ersätt alla derivator med differenser: y (x i ) yi yi+yi+ ger y i y i + y i+ + V (x i ) y i E y i, i N y i + (V (x i ) ) y i + y i+, i N Med V (x i ) /x i oc flytta över kända y-värden till ögerledet fås f(x ) f(x ) f(x 3 ) f(x 4 ) f(x N ) f(x N ) där f(x i ) V (x i ) x i För N 5 blir det f(x ) y f(x ) y f(x 3 ) y 3 f(x 4 ) y 4 5 y y y 3 y 4 y N y N y y 5 y y N

FyL, Num met för fysiker, NADA, KTH/SU, Ninni Carlsund 8--9 P6b y + V (x)y Ey, styck a ordningens differentialekvation Inför stycken jälpfunktioner u y u y u u u (E V (x)) u med u () u () 5 P6c Eulers metod ger ū (n+) ū (n) + ū (n) vilket är blir u (n+) u (n) + u (n) u (n+) u (n) + (E V (x n ))u (n) x n+ x n + Med oc x beövs steg för att komma till x x 3: så y(3) 9 P6d function uprimdudx(x,u); uprim[u(); (-/x)*u()]; n x u u u u ( /x)u u u 5 ( /) 9 5 9 5 4 ( /) 5 945 4 945 3 9 345 [xut,uut]ode45( dudx [, ],[, 5]); yutuut(:,); plot(xut,yut); /NC 6