14. Pyörteettömät ja lähteettömät vektorikentät; potentiaali



Samankaltaiset tiedostot
f x da, kun A on tason origokeskinen yksikköympyrä, jonka kehällä funktion f arvot saadaan lausekkeesta f (x, y) = 2x 3y 2.

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Derivaatta. Joukko A C on avoin, jos jokaista z 0 A kohti on olemassa ǫ > 0: jos z z 0 < ǫ, niin z A. f : A C on yksiarvoinen.

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

MATEMATIIKAN JAOS Kompleksianalyysi

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Pintaintegraali. i j k cos(θ) sin(θ) 1. = r cos(θ)i r sin(θ)j + rk, r sin(θ) r cos(θ) 0 joten

Mat Matematiikan peruskurssi S2

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

= ( F dx F dy F dz).

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

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

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 6: Vektorikentän viivaintegraali

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Matematiikan tukikurssi

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

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

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

5. Potenssisarjat 5.1. Määritelmä ja suppeneminen

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

Gaussin lause eli divergenssilause 1

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitusviikko 5 /

Esim. Nopeus v, v, kiihtyvyys a ja a kun paikka on r = sin t i + cos t j + k Nopeus on nyt. v = dr dt = ṙ = dx(t) Vauhti puolestaan on.

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

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

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

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Matemaattiset menetelmät II

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2

TASON YHTÄLÖT. Tason esitystapoja ovat: vektoriyhtälö, parametriesitys (2 parametria), normaalimuotoinen yhtälö ja koordinaattiyhtälö.

F x y z. F voidaan ymmärtää kahden vektorin. Divergenssi. Vektorikentän F( x, y, z ) divergenssi määritellään

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Esim. Liikkuvan kappaleen radiusvektori. on ajan funktio, missä komponentit x, y ja z riippuvat yhdestä muuttujasta, ajasta t.

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Matematiikka B1 - TUDI

Koordinaatistot 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

SIS. Vinkkejä Ampèren lain käyttöön laskettaessa magneettikenttiä:

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Funktioista. Esimerkki 1

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

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Suorat ja tasot, L6. Suuntajana. Suora xy-tasossa. Suora xyzkoordinaatistossa. Taso xyzkoordinaatistossa. Tason koordinaattimuotoinen yhtälö.

Rautaisannos. Simo K. Kivelä

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

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3

5 Kentät ja energia (fields and energy)

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

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

Elektrodynamiikka, kevät 2008

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Pythagoraan polku

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

Derivaatta: Johdanto. Jatkuvan funktion arvojen muuttumisnopeutta voidaan mitata tangentin kulmakertoimella eli derivaatan arvolla (jos olemassa).

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

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

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

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

Funktion raja-arvo 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

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

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

4.3.7 Epäoleellinen integraali

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

Viivaintegraali ja Greenin lause

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

3. Piirrä kaksi tasoa siten, että ne jakavat avaruuden neljään osaan.

Ratkaisuja, Tehtävät

Transkriptio:

4. Pyörteettömät ja lähteettömät vektorikentät; potentiaali 4.. Lähdekenttä ja pyörrekenttä 407. Vektorikenttä määritellään lieriökoordinaateissa asettamalla u(ρ,ϕ,z) = z 2 + (ρ ) 2 e ϕ. Kuvaile, millainen kenttä on kyseessä. Laske sen divergenssi ja roottori. Mitä nämä kertovat kentästä? 408. Pallosymmetrinen vektorikenttä määritellään yhtälöillä r, kun r R, 3 u(r) = R 3 r, kun r R. 3r3 Laske kentän lähde- ja pyörrekenttä sekä vuo origokeskisen r-säteisen pallopinnan läpi. 409. Osoita, että avaruuden kahdeksannes {(x,y,z) x 0, y 0, z 0} on vektorikentän kenttäputki. Olkoon B mielivaltainen paloittain säännöllinen putken poikkileikkauspinta. r Laske kentän vuo pinnan B läpi. 4.2. Pyörteetön vektorikenttä 40. Todista, että xy-tason ympyrät x 2 + y 2 = ja x 2 + y 2 4x = 5 ovat homotooppiset konstruoimalla sopiva kahden muuttujan jatkuva vektorifunktio, joka välittää muuntumisen. 4. Tutki, onko kaksiulotteisella vektorikentällä u(x, y) = (y + 2x)i + xj potentiaalia, ts. onko olemassa skalaarifunktiota V (x,y), jonka gradienttina kenttä saadaan. Laske potentiaali myönteisessä tapauksessa. Laske viivaintegraali c u dr, missä c on pisteitä (,0) ja (,2) yhdistävä origon kautta kulkeva ympyrän kaari.

42. Määritä funktio g(y) siten, että tason vektorikentällä u(x,y) = 2xyg(y)i + x 2 (y + )g(y)j on potentiaali. g(y) = Ce y. 43. Valitse vakio c siten, että tason vektorikenttä u(x,y) = (x + cxy)i + x 2 j on pyörteetön. Määritä potentiaali, joka häviää pisteessä (,). Laske valitsemallasi arvolla c viivaintegraali Q P u dr pisteitä P = (2a, 3 5 ) ja Q = (a, 3 5 ) yhdistävää paloittain sileää tietä pitkin. 44. Osoita vektorikenttä u(x, y, z) = z i + z cos y j + (x + sin y) k pyörteettömäksi ja muodosta sen (skalaari)potentiaali. 45. Osoita seuraavat vektorikentät u(x,y,z) koko avaruudessa pyörteettömiksi ja etsi niiden skalaaripotentiaalit: a) e x sinyi + e x cosyj + zk, b) xi + zsinyj cosyk, c) 2xyzi + x 2 zj + x 2 yk, d) (x 2 + y 2 + z 2 )(xi + yj + zk) = r 2 r, e) 2xe y i + (x 2 e y + sinz)j + ycoszk. 46. Miten funktio f (z) on valittava, jotta vektorikenttä u(x,y,z) = xy 2 i + (cosz + x 2 y)j + y f (z)k olisi pyörteetön koko avaruudessa? Määritä kentän potentiaali. 47. Vektorikenttä u(x,y,z) = x x 2 + y 2 i + y x 2 + y 2 j

on määritelty koko avaruudessa z-akselia lukuunottamatta. Osoita, että se on pyörteetön ja konservatiivinen. Etsi potentiaali. 48. Olkoon c puolitasossa {(x, y) x > 0} pisteitä (2, 2) ja (5, 0) yhdistävä paloittain sileä käyrä. Osoita, että tason viivaintegraali ln x 2 + y 2 dx arctan y x dy on tiestä c riippumaton ja laske sen arvo. 49. c Muodosta vektorikentälle r, kun r R, 3 u(r) = R 3 r, kun r R. 3r3 fysikaalinen skalaaripotentiaali, so. etsi funktio V (r), jolle pätee u = V. Normeeraa V siten, että sen raja-arvo äärettömyydessä on = 0. V (r) = 6 (3R2 r 2 ), jos r R; V (r) = 3 R3 /r, jos r R. 420. Mikä ehto vakiovektoreiden a ja b on toteutettava, jotta kenttä u(r) = a(b r) olisi pyörteetön? Osoita, että tällöin kentällä on potentiaali V (r) = 2 (a r)(b r). 42. Dipolin (kaksoislähteen) muodostaman vektorikentän potentiaali on missä p on vakiovektori. Laske kenttä ja sen lähdekenttä. u = 4π 3 (p r) r r 5 4π 422. p r 3 ; u = 0. V (r) = p r 4π r 3, Dipolin (kaksoislähteen) muodostaman vektorikentän potentiaali on V (r) = p r 4π r 3, missä p on vakiovektori. Laske kenttä. Piirrä potentiaalin tasa-arvokäyrät ja kenttä xy-tasossa, kun p = i + j. 423. Jatkuvasti derivoituva vektorikenttä u ei ole pyörteetön, mutta kun se kerrotaan jatkuvasti derivoituvalla skalaarikentällä v saadaan pyörteetön kenttä vu. Osoita, että tällöin kentät u ja u ovat kohtisuoria.

424. Derivoituva skalaarikenttä v(r) toteuttaa yhtälön r v = cv, missä c on vakio. Mikä arvo tulee vakiolla c olla, jotta kenttä ( v r) r olisi konservatiivinen? Määritä sen potentiaali. 4.3. Lähteetön vektorikenttä 425. Osoita vektorikenttä u(x,y,z) = x(z y)i+y(x z)j+z(y x)k lähteettömäksi ja muodosta sen vektoripotentiaali. 426. Osoita seuraavat vektorikentät u(x,y,z) lähteettömiksi ja muodosta niiden vektoripotentiaalit: a) xyi + j yzk, b) (z y)i + (x z)j + (y x)k, c) x 2 i + (x 2 y 2xy)j x 2 zk, d) (y + z)i + sinzj + cosxk. 427. Valitse funktio f (x,y,z) siten, että vektorikenttä on lähteetön ja muodosta kentälle vektoripotentiaali. u(x,y,z) = sinxi + cosyj + f (x,y,z)k f (x,y,z) = z(siny cosx) + g(x,y), A(x,y,z) = zcosyi + ( zsinx + g(x,y)dx)j (esimerkiksi). 428. Määritä ne funktiot f (x), joilla kenttä u = f (x)r n r on lähteetön. Laske kentän vuo origoa ympäröivän umpinaisen pinnan läpi, kun n = 3 ja f (x) = kaikilla x. 429. Määritä sellainen skalaarikenttä v(r) ja vektorikenttä A(r), että Onko vastaus yksikäsitteinen? u + A = x 2 yi + y 2 zj + z 2 xk.

430. Osoita alueessa G = R 3 \ {(0,0,0)} määritelty vektorikenttä u(r) = r/r 3 lähteettömäksi ja laske sen vuo origokeskisen pallopinnan läpi. Osoita Stokesin lauseen avulla, että jos kentällä on vektoripotentiaali alueessa G, niin kentän vuot ylemmän ja alemman puolipallon läpi ovat itseisarvoltaan yhtä suuret mutta vastakkaismerkkiset. Mitä tästä voidaan päätellä vektoripotentiaalin suhteen? Vuo = 4π; vektoripotentiaali ei ole olemassa. 43. Selosta vektorikentän pyörteettömyyden, lähteettömyyden, konservatiivisuuden, viivaintegraalin tiestä riippumattomuuden, skalaaripotentiaalin olemassaolon ja vektoripotentiaalin olemassaolon väliset yhteydet. Määritä avaruuden R 3 vektorikentän u(x,y,z) = xi + yj + zk skalaaripotentiaali ja kentän v(x,y,z) = yi + xj vektoripotentiaali. 432. Määritä vakio p siten, että vektorikenttä u(r) = r p r (r kolmiulotteisen avaruuden paikkavektori, r sen pituus) on lähteetön. Laske tällä arvolla p kentän vuo origokeskisen R-säteisen pallopinnan läpi. Voidaanko vuo laskea Gaussin lauseen avulla?