Vektorilaskenta, tentti

Samankaltaiset tiedostot
Vektorilaskenta, tentti

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

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

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

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

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

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

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

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

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Sijoitus integraaliin

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

Matematiikan peruskurssi 2

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

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

Matematiikka B1 - TUDI

1 Rajoittamaton optimointi

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

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan yksi tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

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

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

Näihin harjoitustehtäviin liittyvä teoria löytyy Adamsista: Ad6, Ad5, 4: 12.8, ; Ad3: 13.8,

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

Matematiikan tukikurssi

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

1. Etsi seuraavien funktioiden kriittiset pisteet ja tutki niiden laatu: (a.) f(x,y) = 20x 2 +10xy +5y 2 (b.) f(x,y) = 4x 2 2y 2 xy +x+2y +100

4.3.7 Epäoleellinen integraali

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

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

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Talousmatematiikan perusteet: Luento 15. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä Lagrangen kerroin ja varjohinta

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Ratkaisuja, Tehtävät

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

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

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

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

Vektorilaskenta. Luennot / 66. Vektorilaskenta Lineaarikuvauksen vaikutus mittaan Sijoitus integraaliin.

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

Juuri 2 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

Integrointi ja sovellukset

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden yksikkö

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille II Harjoituksia kevät ja B = Olkoon A = a) A + B b) AB c) BA d) A 2 e) A T f) A T B g) 3A

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

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

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e) A =

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Lue tehtävänannot huolella. Tee pisteytysruudukko 1. konseptin yläreunaan. ILMAN LASKINTA -OSIO! LASKE KAIKKI SEURAAVAT TEHTÄVÄT:

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

4 (x 1)(y 3) (y 3) (x 1)(y 3)3 5 3

Ominaisarvo ja ominaisvektori

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

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

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

1. a. Ratkaise yhtälö 8 x 5 4 x + 2 x+2 = 0 b. Määrää joku toisen asteen epäyhtälö, jonka ratkaisu on 2 x 1.

Hyvä uusi opiskelija!

Transkriptio:

Vektorilaskenta, tentti 27102017 Tentin kesto n 3 tuntia Vastaa NELJÄÄN tehtävään Jos vastaat kaikkiin, niin neljä PARASTA otetaan huomioon Kuvat vievät tilaa, joten muista kurkistaa paperin toiselle puolelle Tehtävä 1 Paraabeli y x2 x rajaa yhdessä x-akselin kanssa välillä x [0, 2] alueen A Laske funktion fx, y y integraali yli alueen A Ratkaisu Kuva paraabelin ja x-akselin rajaamasta alueesta on alla Näemme siitä, että alueen A alareunalla 10 Y 08 06 04 02 05 10 15 20 X y 0, ja yläreunalla y x2 x Pyyhkäisemme koko alueen A yli, kun x saa arvot väliltä [0, 2] Näin ollen kysytty integraali on Fubinin lauseen nojalla I A fx, y dy dx 1 2 x0 1 2 1 2 x0 x2 x x0 x0 2 x0 1 2 32 3 y0 x2 x y0 y dy dx y 2 dx 2 x 2 2 x 2 dx 4x 2 4x 3 + x 4 dx 4x 3 3 x4 + x5 5 32 16 + 5 8 15 Tämä tehtävä oli suoraan demoista Dem IV tehtävässä neljä päädyimme laskemaan tämän saman integraalin Harmillisen moni vastaaja erehtyi ja luuli, että kysyttiin paraabelisegmentin pinta-alaa Sen saisi esimerkiksi laskemalla funktion fx, y 1 integraalin yli alueen A Nyt kysyttiin funktion fx, y y integraalia yli ko alueen joka on samalla myös erään kappaleen tilavuus Tehtävä 2 Kartiopinta z 2 x 2 + y 2 ja taso z 0 rajaavat yksikköympyrälevyn x 2 + y 2 1 päällä oheisen kuvan mukaisen kappaleen V lieriö, josta on poistettu kartio Laske funktion fx, y, z z 2 integraali yli kappaleen V Ratkaisu Käytetään sylinterikoordinaatteja Tällöin r 2 x 2 +y 2 Kappaletta V rajaavat silloin epäyhtälöt z 0 pohjalla z 0, epäyhtälö z r kartion vaipan muodostamalla yläpinnalla z 2 r 2 eli z r, ja epäyhtälö r 1 Kappaleen kiertosymmetrian vuoksi rajat eivät riipu lainkaan kulmakoordinaatista φ Sylinterikoordinaatiston jakobiaani on r, eli dx dy dz r dz dr dφ Näin ollen kysytty integraali yli kuva-

tun kappaleen on Fubinin lauseen nojalla V z 2 dx dy dz π 1 φ0 r0 π 1 φ0 r0 π 1 φ0 π φ0 π φ0 2π 15 r0 1 r0 1 15 dφ r z0 r r 4 3 z0 rz 2 dz dr dφ dr dφ r 5 3 5 rz 3 dr dφ 3 Tässä esiintyi samanlaisia vaikeuksia kuin edellisessäkin tehtävässä, sillä harmillisen moni vastaaja laski jotakin 2-ulotteista integraalia 3-ulotteisen asemesta Tiedän ainakin, mitä vielä pitää harjoituttaa lisää ensi vuonna :- Tehtävä 3 Funktiolla dφ fx, y 2x 3 x 2 y 4x 2 + y 2 on 3 kriittistä pistettä Etsi ne, ja selvitä niiden lokaali ääriarvoluonne minimi, maksimi, satulapiste Vinkki: Kun gradientin eräs komponentti merkitään nollaksi, saadusta yhtälöstä toinen koordinaatti ratkeaa helposti toisen avulla Sijoittamalla tämä toiseen komponenttiin saadaan yhden muuttujan yhtälö, jota pohtimalla pääsee eteenpäin Ratkaisu Funktion f gradientti on fx, y 8x + 6x 2 2xy, x 2 + 2y Kriittisissä pisteissä f 0, 0 Gradientin jälkimmäinen komponentti häviää, kun 2y x 2 Sijoittamalla tämä ensimmäiseen komponenttiin saadaan yhtälö 0 8x + 6x 2 x2y 8x + 6x 2 x 3

Polynomilla px x 3 6x 2 + 8x on ilmeinen nollakohta x 0, joten se jakautuu tekijöihin px xx 2 6x + 8 Tässä jälkimmäisen tekijän nollakohdat saadaan esimerkiksi toisen asteen yhtälön ratkaisukaavasta, ja ne ovat x 2 ja x 4 Ottamalla huomioon yhtälö x 2 2y saadaan kriittisiksi pisteiksi siten P 1 0, 0, P 2 2, 2 ja P 3 4, 8 Näiden ääriarvoluonne selviää onneksi Hessen matriisin avulla Toiset derivaatat ovat joten Hessen matriisi on Näin ollen f xx 8 + 12x 2y, f xy f yx 2x, f yy 2, Hfx, y 8 + 12x 2y 2x 2x 2 HfP 1 8 0 0 2 Tämän matriisin ominaisarvot ovat sen diagonaalialkiot Ne ovat erimerkkisiä, joten vastaava neliömuoto on indefiniitti, ja kyseessä on satulapiste Samaan päädytään Sylvesterin säännöllä laskemalla determinantti: 2 16 < 0 sekä lokaalin minimin että lokaalin maksimin tapauksessa on oltava 2 > 0 Ohessa Mathematican piirtämä funktion kuvaaja pisteen P 1 lähistöllä Pisteessä P 2 2, 2 saadaan Hessen matriisiksi HfP 2 12 4 4 2 Tämän matriisin ominaisarvot λ 1,2 7 ± 41 ovat molemmat positiivisia, joten vastaava neliömuoto on positiividefiniitti, ja kriittinen piste P 2 on siis lokaali minimi Sylvesterin sääntö kertoo saman: 1 12, 2 8 ovat molemmat positiivisia Ominaisarvoista toinen on paljon suurempi kuin toinen likiarvot 13,4 ja 0,6 Tämä näkyy kuvaajassa siten, että pienempää ominaisarvoa vastaavan ominaisvektorin suunnassa nousu minimikohdasta on sangen hidasta verrattuna sitä vastaan kohtisuoran toisen ominaisvektorin suuntaan Kriittisessä pisteessä P 3 4, 8 saadaan

24 8 HfP 3 8 2 Tämänkin matriisin determinantti on 2 48 64 16 < 0, joten Sylvesterin säännön nojalla kyseessä on satulapiste Ominaisarvot ovat 13 ± 185, likiarvoiltaan 26,6 ja 0,6 Negatiivinen ominaisarvo on itseisarvoltaan paljon pienempi, mikä jälleen näkyy kuvaajassa "laakeutena"kriittisestä pisteestä vastaavan ominaisvektorin suuntaan liikuttaessa Tehtävää osattiin sangen hyvin Laskuvirheitä tuli yhtälöön sijoittamisessa, mikä johti yleensä mutkikkaampiin kriittisiin pisteisiin ehkä minun piti kertoa, että kaikkien kriittisten pisteiden koordinaatit ovat tällä kertaa kokonaislukuja? Sylvesterin säännön soveltamisessa oli joillakin pieniä epätarkkuuksia Joiltakin oli unohtunut kiireessä osittaisderivoidessa, että osittaisderivointijärjestyksen vaihdannaisuuden vuoksi Hessen matriisi on aina symmetrinen Tehtävä 4 Oheinen pinta muodostuu niistä avaruuden R 3 pisteistä x, y, z joiden pisteistä P 1 2, 0, 0 ja P 2 2, 0, 0 laskettujen etäisyyksien tulo on 20 Pinnan yhtälöksi tulee siis x 2 2 + y 2 + z 2 x + 2 2 + y 2 + z 2 20 Tarkista, että piste Q 1, 0, 1 on tällä pinnalla, ja määrää pinnan pisteeseen Q piirretyn tangenttitason yhtälö Kuva alla

Ratkaisu Kyseinen pinta muodostuu siis funktion Fx, y, z x 2 2 + y 2 + z 2 x + 2 2 + y 2 + z 2 20 nollakohdista Koska FQ 1 2 + 0 2 + 1 2 3 2 + 0 2 + 1 2 20 2 10 20 0, niin piste Q todella on tällä pinnalla Kysytyn tangenttitason normaali saadaan funktion Fx, y, z gradientista pisteessä Q Gradientin voi laskea suoraviivaisesti kertomalla polynomien tulon auki Ehkä vähemmän virheille altis menetelmä on käyttää tulon derivoimiskaavaa f fg g x i ja sen seurauksena saatavaa tulon gradientin kaavaa x i + f g x i fg g f + f g Tässä ja joten x 2 2 + y 2 + z 2 2x 2, 2y, 2z x + 2 2 + y 2 + z 2 2x + 2, 2y, 2z, Fx, y, z x + 2 2 + y 2 + z 2 2x 2, 2y, 2z + x 2 2 + y 2 + z 2 2x + 2, 2y, 2z Pisteessä Q 1, 0, 1 saimme jo mainittujen toisen asteen polynomjen arvoiksi 10 ja 2, joten FQ 1021 2, 0, 2 + 221 + 2, 0, 2 10 2, 0, 2 + 26, 0, 2 8, 0, 24 Tämä vektori on yhdensuuntainen vektorin 1 8, 0, 24 1, 0, 3 kanssa Näin ollen tangenttitason 8 yhtälö on muotoa 1 x + 0 y 3 z d Vakion d arvo määräytyy siitä, että pisteen Q on oltava ko tasolla Siis d 1 3 2, ja tangenttitason yhtälöksi tulee x 3z + 2 0 Laskuvirheitä syntyi paljon, kun F kerrottiin auki, ja joitakin termejä putosi pois Muutama oli huomannut käyttää tulon gradientin kaavaa kuten yllä Anteeksi, etten ottanut tulon gradientin kaavaa demoihin, tai vaikkapa tässä A-kohdaksi!

Tehtävä 5 Missä yksikköympyrän x 2 +y 2 1 pisteissä funktio fx, y y xy saa suurimman ja missä pienimmän arvonsa? Mentaalitarkistuksen helpottamiseksi yllä oikealla funktion fx, y kuvaaja ympyrälevyssä x 2 + y 2 1 Ratkaisu Side-ehtofunktion φx, y x 2 +y 2 1 gradientti φx, y 2x, 2y häviää ainoastaan origossa, joten sen nollakohdat muodostavat sileän käyrän yksikköympyrä on tietenkin sileä, joten en edellyttänyt tätä tarkistettavan Etsityssä pisteessä tavoitefunktion fx, y gradientin fx, y y, 1 x on oltava gradientin φ skalaarimonikerta, eli on olemassa λ R jolle Eliminoimalla tästä yhtälöstä λ saadaan yhtälö jonka seurauksena saadaan ristiin kertomalla yhtälö λ2x, 2y y, 1 x y x 2λ 1 x, y y 2 x x 2 Yksikköympyrän yhtälöstä ratkeaa y 2 1 x 2, joten jäljelle jää toisen asteen yhtälö 1 x 2 x x 2 2x 2 x 1 0 Sen ratkaisuiksi saadaan x 1 ja x 1/2 Näitä vastaavat yksikköympyrän pisteet Q 1 1, 0, Q 2 1/2, 3/2 ja Q 3 1/2, 3/2 Laskemalla nähdään, että fq 1 0, fq 2 3 3 4, fq 3 3 3 4 Näimme, että funktion f ympyrän kehällä saamista arvoista suurin saavutettiin pisteessä Q 2 ja pienin pisteessä Q 3 Nämä sopivat yhteen kuvan kanssa Esitin kuvaajan koko ympyrälevyssä, koska kuvaaja rajoitettuna reunaympyrälle olisi vain avaruudessa lilluva käyrä, josta korkeimman tai matalimman kohdan hahmottaminen ilman perspektiiviapua olisi mielestäni hyvin vaikeaa Pyydän anteeksi, jos tämä hämäsi jotakuta Muutama lähtivätkin hakemaan funktion f kriittisiä pisteitä, jollainen Q 1 itse asiassa on Nyt oli kuitenkin kyse sidotusta ääriarvotehtävästä

Muistin tueksi: x r cos φ, y r sin φ, z z, x, y, z r, φ, z r π/2 0 π/2 0 x r cos φ sin θ, y r sin φ sin θ, z r cos θ, x, y, z r, φ, θ r2 sin θ sin 2n x dx π 2 1 2 3 4 2n 1, n Z, n > 0, 2n sin 2n+1 x dx 2 3 4 5 2n, n Z, n > 0 2n + 1