Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Samankaltaiset tiedostot
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

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

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

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

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

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

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

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

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

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

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

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

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

Mat Matematiikan peruskurssi C2

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Matematiikka B1 - TUDI

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

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

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

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

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Matematiikan peruskurssi 2

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

Matematiikan tukikurssi

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

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

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

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

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

Ratkaise tehtävä 1 ilman teknisiä apuvälineitä! 1. a) Yhdistä oikea funktio oikeaan kuvaajaan. (2p)

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

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

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

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,

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Ratkaisut: loppuviikko 2

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

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

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

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

Matematiikan tukikurssi

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

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Matematiikan tukikurssi

Differentiaalilaskenta 1.

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

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Matematiikan tukikurssi

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

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

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Ratkaisuja, Tehtävät

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

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

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

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

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

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

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Matemaattisen analyysin tukikurssi

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Matematiikan tukikurssi

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

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

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

mlvektori 1. Muista, että Jacobin matriisi koostuu vektori- tai skalaariarvoisen funktion F ensimmäisistä

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

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

Transkriptio:

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Malinen/Vesanen MS-A0205/6 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2017 Laskuharjoitus 4A (Vastaukset) alkuviikolla 4 Aihepiiri: Implisiittiset käyrät ja pinnat, differentiaali Luentokalvot, Adams & Essex, 12.7 9 Näistä tehtävistä taulutehtävät lasketaan ennen harjoituksia kotona. Laskuharjoituksissa opiskelijat merkkaavat tekemänsä tehtävät listaan, josta assistentti valitsee satunnaisesti kullekin tehtävälle esittäjän ja auttaa muita ratkaisun tulkitsemisessa. Palautettavat tehtävät palautetaan irtopaperilla siistillä käsialalla kirjoitettuna oman ryhmän palautuskaappiin. Taulutehtävät 1. Laske seuraavien funktioiden likiarvot differentiaalia käyttäen annetuissa pisteissä: a) x 2 y 3, (3.1, 0.9) Vastaus: Arvioidaan kokonaisdifferentiaalilla: df = f f dx+ dx ts. f f f x+ x = f dr. Piste on lähellä pistettä (3, 1), jonka ympäristössä saadaan f 2xy 3 (3,1) (3.1 3) + 3x 2 y 2 (3,1) (0.9 1) = (6 27) 0.1 = 2.1 b) f (3.1,0.9) f (3,1) + f = 6.9 (vertaa oikea arvo 7.00). 24, (2.1, 1.9) x 2 + xy + y2 Vastaus: Pisteen (2, 2) ympäristössä saadaan ( ) ( ) 24 2x + y 1 f =, f (x 2 + xy + y 2 ) 2 2y + x (2,2) = 1 Siispä f 0.1 ( 1) 0.1 ( 1) = 0, joten f (2.1,1.9) f (2,2) + f = 2 (vertaa oikea arvo 1.998).

2. Laske osittaisderivaatta, kun tiedetään, että z2 + xy 3 = xz. Osaatko y sanoa millä ehdolla on tällä yhtälöllä ratkaisu, jolla on edellämainittu derivaatta? (Vihje: implisiittifunktiolause, esim. Kangaslammen moniste s. 53). Vastaus: Tulkitaan z = z(x, y) eli z kahden muun muuttujan funktioksi, jolloin voidaan annettua yhtälöä derivoida implisiittisesti y:n suhteen: (z2 + xy 3 ) = (xz ) 2z y + 3xy2 = x y xz y 2 = xz + 3xy4 xy 2y 2 z Implisiittifunktiolause sanoo: Jos f : R 3 R on jatkuvasti derivoituva ja f(a, b, c) = 0 sekä f (a, b, c) 0, niin pisteen (a, b, c) läheisyydessä yhtälö f(x, y, z) = 0 voidaan ratkaista muodossa z = z(x, y). Tässaä f(x, y, z) = z 2 + xy 3 xz y = 0 ja f = 2z x y 0 z x 2y. (Yo. ehto takaa, että :n alakerta ei mene nollaksi.) Tämän lisäksi alkuperäisestä yhtälöstä voidaan ratkaista z toisen asteen ratkaisukaavalla seuraavaan muotoon: z(x, y) = ( ) 2 x ± x y y 4xy 3 Tämä määrittelee kaksi ratkaisujoukkoa z(x, y):lle, kun diskriminantti on positiivinen. Jotta z(x, y) olisi määritelty, niin diskriminantin on toteutettava siis seuraava ehto: ( x y ) 2 4xy 3 0. 2

Tästä saadaan ratkaistua ehdot tai x(x 4y 5 ) 0 x 4y 5, x 0 x 4y 5, x 0. Tällöin z(x, y) voidaan määritellä jatkuvana funktiona, jolla on olemassa derivaatta. 3. Olkoon f(x, y) = x 3 + 3y 4. Arvioi f(2.1, 1.1) tangenttitason avulla, kun tiedetään, että f(2, 1) = 11. Vastaus: Muodostetaan tangenttitaso pisteessä (2, 1, f(2, 1)) = (2, 1, 11). Tason kaksi tangenttivektoria ovat t 1 = i + = 12y 3. Nyt tason vek- Lasketaan osittaisderivaatat: f(x,y) toreiksi saadaan f(x, y) k, t 2 = j + = 3x 2, f(x,y) f(x, y) k t 1 = i + 3 2 2 k = i + 12k, t 2 = j + 12 1 3 k = j + 12k. Tangenttitason normaalivektori on i j k n = t 1 t 2 = 1 0 = 12i 12j + k. 0 1 12 Tason yhtälö on muotoa 12x 12y +z +d = 0. Luku d saadaan ehdosta, että pisteen (2, 1, 11) täytyy olla siellä. Näin saadaan Näin ollen tason yhtälö on 12 2 12 1 + 11 + d = 0 = d = 25 12x 12y + z + 25 = 0. Approksimaatio kohdassa f(2.1, 1.1) saadaan ratkaisemalla z tason yhtälöstä kohdassa (2.1, 1.1) eli f(2.1, 1.1) = 13.4. z = 12 2.1 + 12 1.1 25 = 13.4

Palautettavat tehtävät 1. Pinnat x 2 +y 2 +z 2 +w 2 = 1 ja x+2y+3z+4w = 2 määräävät implisiittisesti funktiot x = x(y, z) ja w = w(y, z). Osoita, että = 2w 4y kun 4x w. 4x w Vastaus: Tulkitaan pintoja funktioiden tasa-arvopintoina F (x, y, z, w) = x 2 + y 2 + z 2 + w 2 1 = 0 ja G(x, y, z, w) = x + 2y + 3z + 4w 2 = 0. Nämä muodostavat yhtälöryhmän. Implisiittisen derivoinnin avulla saadaan pisteen (x(y, z), y, z, w(y, z)) läheisyydessä ratkaistua (esim. pruju s. 54 löytyvä kaava) = (F,G) (y,w) (F,G) (x,w). Tarvittavat Jacobin determinantit ovat (F, G) (y, w) = 2y 2w 2 4 = 8y 4w (F, G) (x, w) = 2x 2w 1 4 = 8x 2w Erityisesti jälkimmäisestä seuraa ehto kääntyvyydelle 4x w, ja = 2w 4y 4x w. 2. Laske Jacobin determinantti (x,y,z) (ρ,φ,θ), kun x = ρ sin φ cos θ, y = ρ sin φ sin θ, ja z = ρ cos φ. Kyseessä on muunnos pallokoordinaateista karteesisiin koordinaatteihin. Mikäli Jacobin determinantti on nollasta poikkeava, pallokoordinaatit ρ, φ, θ voidaan esittää karteesisten koordinaattien x, y, z funktioina. Missä tämä on mahdollista? Huom: Kolmen funktion ja kolmen muuttujan tapauksessa Jacobin matriisi on 3 3 matriisi, jossa kullakin rivillä on yhden funktion kaikki eri 1. kertaluvun osittaisderivaatat: (F, G, H) (x, y, z) = det F G H F G H F G H

Vastaus: Tehtävä on suoraviivainen kaavaan sijoitus (kehitys ylimmän rivin suhteen): (x, y, z) (ρ, φ, θ) = sin φ cos θ ρ cos φ cos θ ρ sin φ sin θ sin φ sin θ ρ cos φ sin θ ρ sin φ cos θ cos φ ρ sin φ 0 = sin φ cos θ(ρ 2 sin 2 φ cos θ)+ρ 2 cos 2 φ cos 2 θ sin φ+ρ 2 sin φ sin θ(sin 2 φ sin θ+cos 2 φ sin θ) = ρ 2 sinφ cos 2 θ + ρ 2 sin φ sin 2 θ = ρ 2 sin φ Saadaan, että tämä determinantti on nolla, kun ρ = 0 tai φ = nπ, n Z. Näistä ensimmäinen tapaus on origo, jossa kulmat eivät ole yksikäsitteisesti määrättyjä, joten karteesisten koordinaattien funktiona esittäminen ei onnistu. Toinen tapaus vastaa z-akselia, jolloin kulma θ ei ole yksikäsitteisesti määrätty. 3. Tornin korkeus mitataan kulmamittauksella kahdesta pisteestä A ja B, jotka ovat samassa suunnassa tornista katsoen. Mitatut kulmat ovat 50 ± 1, 35 ± 1, ja pisteiden välimatkaksi on mitattu 100 ± 1m. Mikä on tornin korkeuden laskettu arvo ja kuinka suuri voi mittausvirhe olla differentiaalin perusteella arvioiden? Vastaus: Olkoon tornia lähempänä oleva piste A. Merkataan mittauspisteiden etäisyyttä muuttujalla x, mitattuja kulmia α, β (pisteille A ja B) ja tornin etäisyyttä pisteestä A muuttujalla d. Jos vielä merkataan tornin korkeutta muuttujalla h, saadaan yhtälöryhmä { h = d tan α Tästä voidaan laskea sekä osittaisderivaatat h = tan α tan β tan α tan β, h h = (d + x) tan β tan α tan β h = h(x, α, β) = x tan α tan β α = x tan 2 β cos 2 α(tan α tan β), h 2 β = x tan 2 α cos 2 β(tan α tan β) 2

Jos approksimoidaan muuttujan h mittausvirhettä eri virheistä yhdistelemällä saatavalla suurimmalla kokonaisdifferentiaalin arvolla dh = hdx + h h dα + dβ, saadaan α β h(100, 50, 35)± h 169.7653±(1, 2π 360, 2π ) h(100, 50, 35) 170±26m 360 1.6977 (Sillä pisteessä (100, 50, 35) on laskettu gradientin arvo 491.123. 876.023 Huomaa myös, että kulmat on trigonometrisiin lausekkeisiin sijoitettava radiaaneissa.)