Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 6

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

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

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Öljysäiliö maan alla

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

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

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

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

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

Ylioppilastutkintolautakunta S t u d e n t e x a m e n s n ä m n d e n

Teknillinen tiedekunta, matematiikan jaos Numeeriset menetelmät

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Tilavuusintegroin3. Tilavuusintegroin3 3/19/13. f(x, y, z)dxdydz. ρ(x,y,z) = x 2 + y 2 + z 2 (kg) Ratkaisu: ρ(x,y,z)dxdydz

Matematiikan tukikurssi

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

2 Funktion derivaatta

Tilavuusintegroin3. Tilavuusintegroin3

Ylioppilastutkintolautakunta S t u d e n t e x a m e n s n ä m n d e n

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

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

AS Paikannus- ja navigointimenetelmät

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

LASKIN ON SALLITTU ELLEI TOISIN MAINITTU! TARKISTA TEHTÄVÄT KOKEEN JÄLKEEN JA ANNA PISTEESI RUUTUUN!

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Koordinaatiston muunnokset. Kari Tammi, Tommi Lintilä (Janne Ojalan kalvoista)

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Laskuharjoitus 2A ( ) Aihepiiri: Raja-arvot etc. Adams & Essex, 8th Edition, Chapter 12. z = f(x, 0) = x2 a z = f(0, y) = 02 a 2 + y2

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

Tutki, onko seuraavilla kahden reaalimuuttujan reaaliarvoisilla funktioilla raja-arvoa origossa: x 2 + y 2, d) y 2. x + y, c) x 3

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

(d) f (x,y,z) = x2 y. (d)

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Sähkökentät ja niiden laskeminen I

Luento 9: Potentiaalienergia

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

MEI Kontinuumimekaniikka

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Huom. tämä kulma on yhtä suuri kuin ohjauskulman muutos. lasketaan ajoneuvon keskipisteen ympyräkaaren jänteen pituus

Esimerkkitehtäviä, A-osa

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 5

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

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Mat Matematiikan peruskurssi K2

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Vinkkejä Gaussin lain käyttöön laskettaessa sähkökenttiä

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

1.6. Yhteen- ja vähennyslaskukaavat

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

3.3 Funktion raja-arvo

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

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

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

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 3 ratkaisuiksi

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

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

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

Materiaalia, ohjeita, videoita sekä lisätietoja opettajille tarjottavasta koulutuksesta osoitteessa:

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Matematiikan tukikurssi

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

Luento 10: Työ, energia ja teho

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Esimerkkejä ym., osa I


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

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

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

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

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

= ( F dx F dy F dz).

Transkriptio:

Matemaattiset apuneuvot II, hajoitus 6 K. Tuominen 0. joulukuuta 207 Palauta atkaisusi Moodlessa.pdf tiedostona maanantaina.2. kello 0:5 mennessä. Mekitse vastauspapeiin laskuhajoitusyhmäsi assain nimi. Tehtävät S ja S2 ovat ylimäääisiä, ja niistä saa nomaalit laskaipisteet, mutta maksimipisteet on mahdollista saada ilmankin. Kussipalaute: https://elomake.helsinki.fi/lomakkeet/84839/ lomake.html. Olkoon f R 2 R 3, f (x, x 2 ) = (x + e x 2, x 2, x x 2 ). Laske deivaatta D f (x). Ratkaisu: Nyt f :n komponentit ovat f (x, x 2 ) = x + e x 2, f 2 (x, x 2 ) = x 2 ja f 3 (x, x 2 ) = x x 2. Aloitetaan laskemalla komponenttien diffeentiaalit. Käytetään viime viikon (viikko 5) laskaeista tuttua mekintää d f (x, x 2 )(u, u 2 ) = f (x, x 2 ) u. Lasketaan ensin f :den diffeentiaali: Ja samoin f 2 ja f 3 d f (x, x 2 )(u, u 2 ) = (, ) f (u, u 2 ) x x 2 = u f + u 2 f x x 2 = x u + e x 2 u 2 d f 2 (x, x 2 )(u, u 2 ) = u f 2 + u 2 f 2 x x 2 = u 2 d f 3 (x, x 2 )(u, u 2 ) = u f 3 + u 2 f 3 x x 2 Joten nyt voidaan kijoittaa deivaattavektoi: = x 2 u + x u 2 D f (x, x 2 )(u, u 2 ) = (x u + e x 2 u 2, u 2, x 2 u + x u 2 ) Vaihtoehtoisesti deivaatan voi kijoittaa pelkkänä matiisina: x e x 2 D f (x, x 2 ) = 0 x 2 x 2. Kaksi ketaa jatkuvasti diffeentioituvaa funktiota u sanotaan hamoniseksi, jos 2 u ( u) = 0. (a) Osoita, että funktio u R 3 {0} R, u(x) = / x on hamoninen.

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 2 (b) Tutki, onko funktio f (x, y, z) = xy + yz + xz hamoninen. Ratkaisu: (a) Laplacen opeaattoi voidaan kijoittaa muotoon ja nyt 2 f = ( f ) = 2 f x 2 + 2 f y 2 + 2 f z 2 x = x 2 + x2 2 + x2 3 u = x = (x2 + x2 2 + x2 3 ) 2 lasketaan ensin osittaisdeivaatat 2 u = ( u) = 2 u x 2 + 2 u x2 2 + 2 u x3 2 u x = u x 2 = u x 3 = x (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 3 2 x 2 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 3 2 x 3 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 3 2 ja seuaavaksi toiset deivaatat osittaisdeivaatoista 2 u x 2 2 u x 2 2 = 2x2 x2 2 x2 3 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 5 2 = x2 + 2x2 2 x2 3 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 5 2 Huomataan, että 2 u x 2 3 = x2 x2 2 + 2x2 3 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 5 2 eli u on hamoninen. 2x 2 x2 2 x2 3 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 5 2 + x2 + 2x2 2 x2 3 + x2 x2 2 + 2x2 3 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 5 2 (x 2 + x2 2 + x2 3 ) 2 5 = 0 (b) Tutkitaan onko f (x, y, z) = xy + yz + xz hamoninen. Funktio f on hamoninen, jos 2 f = ( f ) = 2 f x 2 + 2 f y 2 + 2 f z 2 = 0 f x = y + z x 2 = 0 y = x + z

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 3 y 2 = 0 z = x + y eli funktio on hamoninen. z 2 = 0 3. Olkoon φ R 3 R skalaaikenttä ja v R 3 R 3 vektoikenttä. Oletetaan, että kentät ovat iittävän (a) Osoita, että skalaaifunktion φ gadienttikenttä on pyöteetön: ( φ). (b) Osoita, että vektoifunktion v oottoikenttä on lähteetön: Ratkaisu: (a) ( v). Skalaaifunktion gadienttikenttä on pyöteetön: sileitä, jolloin pätee x i x j = x j x i ja vastaavasti vektoikentän v kaikille komponenteille. (b) φ = x i + y j + z k i j k φ = x y z x y z φ = ( y z )i ( z y x z = (0)i + (0)j + (0)k = 0 Vektoikentän oottoikenttä on lähteetön: z x )j + ( x y y x )k i j k v = x y z v x v y v z = ( vz y vy vz )i ( z x vx vy )j + ( z x vx y )k ( v) = x ( vz y vy z ) y ( vz x vx z ) + z ( vy x vx y ) = 2 v z x y 2 v y x z 2 v z y x + 2 v x y z + 2 v y z x 2 v x z y = 0 Huom: edellä molemmissa kohdissa oletetaan, että funktioiden toiset deivaatat ovat jatkuvia jolloin (x, y) x y = 2 f (x, y) y x 4. Ötökkä putoaa katosta lattialle johon on suihkutettu mykkyä. Ötökän putoamispisteen koodinaatit ovat (x, y) = (, 2) ja mykyn määää kuvaa skalaaifunktio M(x, y) = x 2 + y 2 + xy + 5x + y + 4.

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 4 (a) Mihin suuntaan ötökän kannattaa lähteä kulkemaan (eli missä suunnassa mykyn määä pienenee nopeiten)? (b) Missä pisteessä mykyn määä on pienin? Ratkaisu: (a) Skalaaifunktio kasvaa voimakkaimmin gadientin suuntaan ja vähenee voimakkaimmin negatiivisen gadientin suuntaan. Lasketaan siis M(x, y):n gadientti: M(x, y) M(x, y) M(x, y) = î + ĵ x y = (2x + y + 5)î + (2y + x + )ĵ Pisteessä (x, y) = (, 2) gadientti on: M(, 2) = 9î + 6ĵ Ötökän kannattaa siis lähteä suuntaan 9î 6ĵ. (b) Mykyn määä on pienin pisteessä, jossa skalaaifunktio ei kasva mihinkään suuntaan, eli sen gadientti tässä pisteessä on nolla. Etsitään koodinaatit, joilla M(x, y):n gadientti on nolla: Saadaan yhtälöpai: M(x, y) = (2x + y + 5)î + (2y + x + )ĵ = 0 2x + y + 5 = 0 2y + x + = 0 joka toteutuu kun x = 3 ja y =. Mykyn määä on siis pienin pisteessä (x, y) = ( 3, )

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 5 S. Pistemäisen kappaleen pyöimismäää koodinaatiston oigon suhteen on L = p, missä p = mv = md/dt on kappaleen liikemäää ja sen paikkavektoi. Newtonin lain mukaan voima on F = ma = dp/dt. Osoita, että jos hiukkanen liikkuu keskeisvoimakentässä, F, niin L on liikevakio, dl/dt = 0. Ratkaisu: Lasketaan ensin liikemääämomentin aikadeivaatta: d dt L = d ( p) dt Voimme käyttää tulon deivoimissääntöä vektoifunktioiden istituloissa: d ( p) = ṙ p + ṗ dt = v (mv) + (ma) = m(v v + a) Koska vektoin istitulo itsensä kanssa on 0, v v temi katoaa. Nyt koska kyseessä on keskeisvoima, eli F = ma, temi a katoaa koska nämä vektoit ovat samansuuntaiset. Joten: d dt L = 0 Ja liikemääämomentti on liikevakio. S2. Johdetaan ketjusäännöllä gadientin lauseke napakoodinaateissa. Olkoon f (x, y) jatkuvasti diffeentioituva kuvaus ja g(, φ) = (, sin φ) napakoodinaattikuvaus. Mekitään lisäksi eli f napakoodinaateissa. 2 f (, φ) = f (, sin φ), (a) Käytä ketjusääntöä ja lausu osittaisdeivaatat / (, φ) ja /(, φ) osittaisdeivaattojen f / x ja f / y avulla. (b) Ratkaise (a)-kohdan yhtälöistä f / x ja f / y ja osoita, että gadientiksi tulee f = (i + sin φj) + ( sin φi + j). Ketjusääntö ketoo miten yhdistettyä funktiota deivoidaan: Olkoot ja g G R n U R m f U R p (jatkuvasti) diffeentioituvia funktioita. Tällöin yhdistetty funktio h = f g G R p on myös (jatkuvasti) diffeentioituva ja Dh(x) = D f (g(x))dg(x). 2 Huom: fyysikot yleensä käyttävät samaa symbolia funktioille f ja f. (c) Määittele vielä yksikkökantavektoit e = i + sin φj, e φ = sin φi + j, jolloin gadientti napakoodinaateissa tulee muotoon f = e + e φ. Ratkaisu:

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 6 (a) Ketjusäännon peusteella osittaisdeivaatat ovat: = f x x + f y y = f x x + f y y Tiedämme, että x = ja y = sin φ, joten: x y =, x = sin φ, Näin osittaisdeivaatat tulevat muotoon: y = sin φ, = f x + f y sin φ = f x sin φ + f y = (b) Mekitään osittaisdeivaattoja lyhyemmin y yx. Meillä on siis yhtälöpai: x sin φ f = f x + f y sin φ f φ = f x sin φ + f y f x = f y + f f x = f y sin φ f φ sin φ f y sin φ f φ sin φ = fy sin φ + f f y ( sin φ + sin φ ) = f + f φ sin φ f y sin 2 φ + cos 2 φ sin φ = f + f φ sin φ f y = ( f + f φ ) sin φ sin φ f y = f sin φ + f φ f x = sin φ fy + f = sin φ ( f sin φ + f φ ) + f = f sin 2 φ f φ sin φ + f = f sin 2 φ f φ sin φ = f f φ sin φ eli f x = sin φ f y = sin φ +

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 7 Nyt gadientti on: f = f x i + f y j = ( sin φ) i + ( sin φ + ) j = (i + sin φj) + ( sin φi + j) (c) Nyt e = i + sin φj e φ = sin φi + j Joten saadaan: f = e + e φ

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 8. Let f R 2 R 3, f (x, x 2 ) = (x + e x 2, x 2, x x 2 ).Compute the deivative D f (x). 2. A function u which is continuously diffeentiable twice is called hamonic, if 2 u ( u) = 0. (a) Show that the function u R 3 {0} R, u(x) = / x is hamonic. (b) Is the function f (x, y, z) = xy + yz + xz hamonic? 3. Conside a scala field φ R 3 R and a vecto field v R 3 R 3. (a) Show that the gadient of the scala field φ is cul-fee: ( φ). (b) Show that the cul of v is souceless: ( v). 4. A bug falls fom the ceiling to the floo at point (x, y) = (, 2). The floo has been spayed with poison, and the concentation of poision is given by a scala function M(x, y) = x 2 + y 2 + xy + 5x + y + 4. (a) Towads which diection the bug should stat cawling (in ode to move to towads least poision concentation)? (b) At which point is the poison concentation smallest? S. The angula momentum of a pointlike mass with espect to the oigin of coodinates is L = p, whee p = mv = md/dt is the momentum of the paticle and its position vecto. Accoding to Newton s second law the foce is F = ma = dp/dt. Show that if the paticle moves in a cental foce field F, the angula momentum L is a constant of motion, dl/dt = 0.

matemaattiset apuneuvot ii, hajoitus 6 9 S2. Usign the chain ule, let us deive the expession of the gadient in pola coodinates. Let f (x, y) be a continuously diffeetiable function and g(, φ) = (, sin φ) the mapping into pola coodinates. Let us denote i.e. f in pola coodinates. f (, φ) = f (, sin φ), (a) Using the chain ule, expess the patial deivatives / (, φ) ja /(, φ) in tems of the patial deivatives f / x ja f / y. (b) Solve f / x and f / y fom the equations in pat (a) and show that the gadient is The chain ule tells how composite functions ae diffeentiated: Let and g G R n U R m f U R p be (continuously) diffeentiable functions. Then thei composition h = f g G R p is also (continuously) diffeentiable and Dh(x) = D f (g(x))dg(x). f = (i + sin φj) + ( sin φi + j). (c) Define unit basis vectos e = i + sin φj, e φ = sin φi + j, to wite the gadient in pola coodinates as f = e + e φ.