Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Samankaltaiset tiedostot
Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

LUKU 4. Pinnat. (u 1, u 2 ) ja E ϕ 2 (u 1, u 2 ) := ϕ u 2

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Esimerkki 1.1. Kahdeksikkopolku α: u (sin u, sin 2u) on helppo todeta injektioksi

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

Ratkaisu: Ensimmäinen suunta. Olkoon f : R n R m jatkuva eli kaikilla ε > 0 on olemassa sellainen δ > 0, että. kun x a < δ. Nyt kaikilla j = 1,...

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

4.3.7 Epäoleellinen integraali

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

3.3 Funktion raja-arvo

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Kompleksianalyysi, viikko 4

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdoituksia Rami Luisto Sivuja: 5

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

2 Funktion derivaatta

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

u = 2 u (9.1) x + 2 u

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Matematiikan tukikurssi

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 4 Maanantai

f(tx + (1 t)y) tf(x) + (1 t)f(y) jokaisella x, y A ja t [0, 1].

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

Matematiikan tukikurssi

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

Integrointi ja sovellukset

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

Viivaintegraali ja Greenin lause

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Cantorin joukko LUKU 8

8. Avoimen kuvauksen lause

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

MEI Kontinuumimekaniikka

Mat Matematiikan peruskurssi S2

Matematiikan peruskurssi 2

Vektorilaskenta, tentti

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

Yhdistetty funktio. Älä sekoita arvo- eli kuvajoukkoa maalijoukkoon! (wikipedian ongelma!)

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

1. Esitä rekursiivinen määritelmä lukujonolle

Määrätty integraali. Markus Helén. Mäntän lukio

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotuksia

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

F {f(t)} ˆf(ω) = 1. F { f (n)} = (iω) n F {f}. (11) BM20A INTEGRAALIMUUNNOKSET Harjoitus 10, viikko 46/2015. Fourier-integraali:

Transkriptio:

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi II, syksy 18 Harjoitus 6 Ratkaisuehdotukset Tehtävä 1. Osoita, että sileille Jordan-poluille on voimassa : I R n ja : J R n (I) = (J) jos ja vain jos (Vinkki: toinen suunta seuraa määritelmästä ja toiseen suuntaan käytä apunasi jatkuvaa bijektiota u := 1 : J I) Ratkaisu. Oletetaan ensin, että. Nyt on olemassa diffeomorfismi u : J I, jolle pätee = u. Siispä (J) = ( u)(j) = (u(j)) = (I) Oletetaan sitten, että (I) = (J). Koska ja ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät homeomorfismit : J (J) ja 1 : (I) = (J) I. Näiden kuvauksien yhdiste on siis myös homeomorfismi, jota merkitsemme u : J I. Nyt pätee triviaalisti = u. Kuvauksen u derivoituvuus saadaan tarkastelemalla polun erotusosamäärää. Olkoon t J ja h siten, että t + h J. Nyt kaikilla i = 1,..., n saadaan i (t + h) i (t) h = i(u(t + h)) i (u(t)) h = i(u(t + h)) i (u(t)), h Huomaa, että u(t+h) u(t), koska u on injektio. Kuvauksen u jatkuvuus takaa, että i (u(t + h)) i (u(t)) i(u(t)) kaikilla i, kun h. Koska on sileä Jordan-polku pätee (u(t)) kaikilla t J. Erityisesti jokaisella t voidaan valita indeksi i siten, että i(u(t)). Koska C 1 1

voidaan myös valita pisteen t ympäristö, jossa tämä pätee. Siispä valitsemalla h riittävän pieneksi täytyy myös erotusosamäärän olla nollasta poikkeava: i (u(t + h)) i (u(t)), joten aikaisemmin saatu yhtälö voidaan jakaa puolittain tällä lausekkeella; siispä kaikilla t J ja riittävän pienillä h pätee h = i(t + h) i (t) h i (u(t + h)) i (u(t)) i(t) i (u(t)), kun h. Eli u (t) = i(t) i (u(t)) kaikilla t U Saatiin siis, että kaikilla joukon J pisteillä on ympäristö, jossa u on derivoituva, joten u on derivoituva koko joukossa J. Huomaa, että raja-arvon yksikäsitteisyyden nojalla derivaatan arvo ei voi riippua valitusta indeksistä i. Lisäksi u (t) on selvästi jatkuva. Tangenttiavaruuden yksikäsitteisyydestä seuraa, että i(t) = jos ja vain jos i(u(t)) = kaikilla i ja t. Siispä u (t) kaikilla t J, joten u määrittää ekvivalenssin. Tehtävä. Oletetaan, että joukon A R n jatkuvasti derivoituville poluille : I R n ja : J R n on voimassa. Oletetaan, että funktiolle f : A R integraali fds on olemassa. Osoita, että tällöin myös fds on olemassa ja fds = fds. (Vinkki: sovella kysymyspaperin kääntöpuolelta löytyvää muuttjanvaihtokaavaa Riemann-integroituvaan funktioon g(t) = f((t)) (t) )

Ratkaisu. Olkoon u : I J diffeomorfismi siten, että = u. Hyödyntämällä muuttujanvaihtoa u(t) = τ saadaan seuraavat: fds = (f )(t) (t) dt I = (f u)(t) ( u) (t) dt I = (f u)(t) (u(t)) u (t) dt I = (f )(τ) (τ) dτ u(i) = (f )(τ) (τ) dτ J = fds Yllä on käytetty muuttujanvaihtokaavaa g(τ)dτ = f(u(t)) u (t) dt, u(i) joka on yhtäpitävä seuraavan kaavan kanssa: u(d) u(c) g(τ)dτ = I d c f(u(t))u (t)dt, kun merkitään I = [a, b], a < b. Yhtäpitävyys pätee seuraavasta syystä: derivaatan u (t) ollessa positiivinen pätee u(c) < u(d), jolloin kaavat ovat selvästi yhtäpitäviä. Tapauksessa, jossa u (t) <, täytyy myös päteä u(c) < u(d), koska tällöin u on aidosti laskeva. Tässä tapauksessa integroimisrajojen kääntämisestä tuleva merkinvaihto kumoaa kuvauksen u derivaatan negatiivisuuden, joten kaavat ovat myös tällöin yhtäpitäviä. Tehtävä 3. Olkoot : I R n ja : J R n joukon A R n jatkuvasti differentioituvia polkuja ja oletetaan, että funktiolle f : A R yhdistetyt funktiot f : I R ja f : J R 3

ovat Riemann-integroituvia. Tällöin: (1) Jos on olemassa, niin fds = fds + fds. () Jos ja ovat sileitä Jordan-polkuja siten, että (I) = (J), niin fds = fds. Toisin sanoen funktion f integraali ei riipu käyrän (I) parametriesitykseksi valitusta sileästä Jordan-polusta. Ratkaisu. Merkitään I = [a, b] ja J = [c, d], jossa a < b ja c < d. (1) Derivaatta ( ) on olemassa melkein kaikilla t [a, b + d c] (eli kaikilla t [a, b + d c] lukuunottamatta nollamittaista joukkkoa) ja { ( ) (t), t ]a, b[ (t) = (t + c b), t ]b, b + d c[ Seuraava integraali on siis hyvin määritelty fds = (f ( ))(t) ( ) (t) dt [a,b+d c] = (f ( ))(t) ( ) (t) dt [a,b] + (f ( ))(t) ( ) (t) dt [b,b+d c] = (f )(t) (t) dt + (f )(t + c b) (t + c b) dt [a,b] [b,b+d c] = (f )(t) (t) dt + (f )(t) (t) dt [a,b] [c,d] = fds + fds 4

() joten väite seuraa tehtävästä. Tehtävä 4. Tarkastellaan polkuja (a) Määritä yhdistetty polku (I) = (J), : [, 1] R 3, (t) = (,, t) : [, 1] R 3, (t) = (t,, 1) ja ν : [, 3π] R 3, ν(t) = (cos t, sin t, 1). ν := ( ) ν. (b) Piirrä kuva polun ν jäljestä. (c) Laske funktion Ratkaisu. f : R 3 R, f(x) = x käyräintegraali polun ν suhteen. (a) ( )(t) = { (,, t), t [, 1] (t 1,, 1), t [1, ] joten (,, t), t [, 1] ( ν)(t) = (t 1,, 1), t [1, ] (cos(t ), sin(t ), 1), t [, + 3π] 5

Kuva 1: Polun ν jälki (c) Tehtävän 3 nojalla integraali yhdistetyn käyrän yli voidaan hajottaa summaksi: x ds(x) = x ds(x) + x ds(x) + x ds(x) ν Kunkin polun derivaatoiksi saadaan seuraavat: (t) = (,, 1) (t) = (1,, ) ja ν (t) = ( sin t, cos t, ). ν Erityisesti (t) = (t) = ν (t) = 1 6

kaikilla t. Yksittäisillä poluilla integraaleiksi saadaan 1 x ds(x) = (,, t) dt ν = = 1 3 x ds(x) = = x ds(x) = = 1 1 1 = 1 + 1 3 3π 3π = 6π t dt (t,, 1) dt (1 + t )dt (cos t, sin t, 1) dt dt Nämä kokoamalla saadaan tulokseksi x ds(x) = 1 + 3 + 6π ν Tehtävä 5. Oletetaan, että < r < R. Osoita, että tällöin kalotin E = {x R 3 : x = R, x 3 > r} pinta-ala on Ratkaisu. Merkitään Ala(E) = πr(r r) Ω = {ϕ [ π, π ] : R sin ϕ > r} Hyödyntämällä pallokoordinaatteja saadaan E = {(R cos θ cos ϕ, R sin θ cos ϕ, R sin ϕ) : θ [, π], ϕ Ω}, 7

Joukolle E on siis parametrisaatio ψ : [, π] Ω E, ψ(θ, ϕ) = (R cos θ cos ϕ, R sin θ cos ϕ, R sin ϕ), joka on sileä rajoitettuna määrittelyjoukkonsa sisäpisteisiin. Reuna on nollamittainen, eikä siis vaikuta integraalin arvoon. Parametrisaation suurennussuhde on yhtäsuuri kuin pallokoordinaattimuunnoksen Jakobin determinantti säteen arvolla R eli θ ψ(θ, ϕ) ϕ ψ(θ, ϕ) = R cos ϕ Nyt joukon E ala voidaan laskea iteroituna integraalina: Ala(E) = R cos ϕdθdϕ Ω [,π] = πr cos ϕdϕ Tehdään muuttujan vaihto x 3 = R sin ϕ, jolloin dx 3 = R cos ϕdϕ Tehtävä 6. Laske funktion Ω R Ala(E) = πr dx 3 r = πr(r r) f : R 3 R, f(x) = 1 (1 + x ) pintaintegraali yli joukon A reunan A, kun A = {x R 3 : x 3 > x 1 + x }. (Vinkki: vastaukseksi tulee π ) Ratkaisu. Huomataan, että A on kaksiulotteisen normin graafin yläpuolella olevat pisteet: A = {x R 3 : x 3 > (x 1, x ) } 8

Joukon A reuna on siis normin graafi, joka on kartiopinta. A = {x R 3 : x 3 = (x 1, x ) } Reunalla A on siis luonnolinen parametrisaatio tason pisteillä. Sekä joukko A että funktio f on symmetrinen tason kiertojen suhteen; siispä on luonnollista käyttää napakoordinaatteja integroimispinnan parametrisaationa: ϕ :], [ [, π[ A ϕ(r, θ) = (r cos θ, r sin θ, r) Huomaa, että kartion kärki R 3 ei kuulu kuvaan Im ϕ. Yksiönä tämä piste on kuitenkin merkityksetön integraalin kannalta. Määritetään sitten parametrisaation suurennussuhde: r ϕ(r, θ) = (cos θ, sin θ, 1) θ ϕ(r, θ) = ( r sin θ, r cos θ, ) Siispä r ϕ(r, θ) θ ϕ(r, θ) = ( r cos θ, r sin θ, r cos θ + r sin θ) = ( r cos θ, r sin θ, r) = r Erityisesti suurennussuhde on nollasta poikkeava origon ulkopuolella. Nyt kysytty integraali saadaan laskettua seuraavasti: π fds = f(ϕ(r, θ)) r ϕ(r, θ) θ ϕ(r, θ) dθdr A π r = (1 + r ) dr = π ( 1 r 4(1 + r ) = π ( 1 ) (1 + ) = π ) dr 9