= 2 L L. f (x)dx. coshx dx = 1 L. sinhx nπ. sin. sin L + 2 L. a n. L 2 + n 2 cos. tehdään approksimoinnissa virhe, jota voidaan arvioida integraalin

Samankaltaiset tiedostot
H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

BM20A Integraalimuunnokset Harjoitus 8

Fourier-sarjat ja -muunnos

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

Jaksollisen signaalin spektri

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

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

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

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

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

sin x cos x cos x = sin x arvoilla x ] π

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

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

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

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

Osa VI. Fourier analyysi. A.Rasila, J.v.Pfaler () Mat Matematiikan peruskurssi KP3-i 12. lokakuuta / 246

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Matematiikan tukikurssi

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista

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

1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

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

Radiaanit. Kun kulman α suuruus nyt mitataan tämän kaaren pituutena, saadaan kulmaan arvo radiaaneissa.

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

ax + y + 2z = 0 2x + y + az = b 2. Kuvassa alla on esitetty nesteen virtaus eräässä putkistossa.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Matematiikan tukikurssi

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Matriisilaskenta. Harjoitusten 3 ratkaisut (Kevät 2019) 1. Olkoot AB = ja 2. Osoitetaan, että matriisi B on matriisin A käänteismatriisi.

Mapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1. Derivoidaan molemmat puolet, aloitetaan vasemmasta puolesta. Muistetaan että:

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

Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut

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

Johdatus matematiikkaan

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Äärettömät raja-arvot

π( f (x)) 2 dx π(x 2 + 1) 2 dx π(x 4 + 2x 2 + 1)dx ) = 1016π 15

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

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.

Matematiikan peruskurssi 2

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

Numeeriset menetelmät

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Matematiikan tukikurssi

Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Rautaisannos. Simo K. Kivelä

Pienimmän neliösumman menetelmä (PNS)

Matriiseista. Emmi Koljonen

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Epäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

TRIGONOMETRISET JA HYPERBOLISET FUNKTIOT

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 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) A =

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

z 1+i (a) f (z) = 3z 4 5z 3 + 2z (b) f (z) = z 4z + 1 f (z) = 12z 3 15z 2 + 2

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

MAA Jussi Tyni Lue ohjeet huolellisesti! Tee pisteytysruudukko konseptin yläkertaan. Muista kirjoittaa nimesi. Kysymyspaperin saa pitää.

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 3

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ Merkitään f(x) =x 3 x. Laske a) f( 2), b) f (3) ja c) YLIOPPILASTUTKINTO- LAUTAKUNTA

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

Matriisit ovat matlabin perustietotyyppejä. Yksinkertaisimmillaan voimme esitellä ja tallentaa 1x1 vektorin seuraavasti: >> a = 9.81 a = 9.

Matematiikan tukikurssi

2. Fourier-sarjoista. Aaltoliikkeen ja lämmöjohtumisen matemaattinen tarkastelu

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Luento 2. Jaksolliset signaalit

Muuttujan vaihto. Viikon aiheet. Muuttujan vaihto. Muuttujan vaihto. ) pitää muistaa lausua t:n avulla. Integroimisen työkalut: Kun integraali

Matematiikan tukikurssi

1.6. Yhteen- ja vähennyslaskukaavat

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Tietoliikennesignaalit & spektri

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

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

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

Transkriptio:

BMA7 - Integraalimuunnokset Harjoitus 9. Määritä -jaksollisen funktion f x = coshx, < x < Fourier-sarja. Funktion on parillinen, joten b n = kun n =,,3,... Parillisuudesta johtuen kertoimet a ja a n saadaan laskettua kaavoilla: Kerroin a : Kertoimet a n : a = = / f x = a = coshxcos nπx nπx sinhxcos / f x, coshx = a n = / sinhx nπ = sinhcosnπ nπ coshx = sinh n n π 3 = sinh n n π a n f x = sinhx = sinh nπx sin nπx sin + coshxsin nπx Tästä saadaan ratkaistua, että a n = n + n π sinh Kertoimet a n voidaan laskena myös eksponenttifunktioiden avulla: = Funktion Fourier-sarja on ex + e x einπx/ + e inπx/ coshx n π f x sin nπx e +inπ/x + e inπ/x + e +inπ/x + e inπ/x =... f x sinh + n nπx + n cos π. Kun π-jaksollista funktiota f x approksimoidaan trigonometrisellä katkaistulla sarjalla f x a + N nx + b n sinnx tehdään approksimoinnissa virhe, jota voidaan arvioida integraalin π N E N = f x a nx + b n sinnx

avulla. Approksimoiva funktio eroaa siis Fourier-sarjasta siinä, että mukana ei ole kaikkia äärettömän montaa termiä, ainoastaan vakiotermi, ja N kappaletta sini- ja kosinitermejä. Tutkitaan π-jaksollista funktiota f x = x, π < x < π. Tämä funktio tunnetaan tässä vaiheessa sahaaaltofunktioksi sawtooth wave, ja sen Fourier-sarja laskettiin harjoituksessa 8. Tulokseksi saatiin f x n+ sinnx = sinx n sinx + 3 sin3x +... aske nyt approksimoinnissa syntyvä virhe, kun käytämme katkaistua sarjaa, jolle N =. Tärkeintä on muodostaa lauseke, mutta voi syntyvän integraalilausekkeen ratkaistakin, jos urheiluhenkeä riittää. asketaan E = Nyt f x = x, a = a = ja b =. Täten f x a a cosx + b sinx E = x sinx Integroitava funktio on parillinen, joten integraali voidaan kirjoittaa muotoon E = x sinx = x 4xsinx + 4sin x = 3 π3 8 Osittaisintegroimalla saadaan xsinx = ja Joten Virheeksi saadaan sinxsinx = = xsinx + 8 x cosx sin x cosx = π sinx = π cosxsinx cosxcosx cos x = sin x = π sin x = π E = 3 π3 8π + 4π = 3 π3 4π 8.4 sin x 3. Määritä π-jaksollisen funktion kompleksinen Fourier-sarja. f x = {, < x <, < x < π Kompleksinen Fourier-sarja π-jaksolliselle funktiolle: f x c n e inx

missä asketaan kertoimet Kun n = c n = π = π Fourier-sarja on siten = i nπ e inπ = c n = f xe inx π f xe inx = e inx π in e inx = inπ e inπ n i cosnπ isinnπ = i nπ c = = π f x + i π n= n n e inx n nπ n 4. a Olkoon f x = e x, kun < x <. aajenna funktio parittomaksi jaksolliseksi funktioksi ja muodosta laajennukselle Fouriersarja. Tehtävässä riittää muodostaa integraalit, joista tarvittavat kertoimet ratkaistaisiin, vaikka ei integraalien loppuun laskeminenkaan vaadi trikkejä, jotka eivät olisi tässä vaiheessa tuttuja. Hahmottele myös muodostuva käyrämuoto. b aajenna funktio parilliseksi jaksolliseksi funktioksi ja muodosta laajennukselle Fouriersarja. Tehtävässä riittää muodostaa integraalit, joista tarvittavat kertoimet ratkaistaisiin. Hahmottele myös muodostuva käyrämuoto. a aajennus parittomaksi jaksolliseksi funktioksi: { e x if < x < f x = e x if < x < ja f x + 4 = f x. Koska laajennuttu funktio on pariton, niin a n = kun n =,,,... Pariton laajennettu funktio on muotoa f x missä kertoimet b n saadaan kaavalla b n sin nx = b n sin nx, b n = x= x= f xsin nx = e x sin x= nx.

asketaan kertoimet b n : b n = = f xsin nπ x = e x sin nπ x / ex = nπ = nπ = nπ nπ cos nπ x e x nπ cos nπ x e cosnπ / ex nπ sin nπ x + e n 4 nπ e x sin nπ x n e 4 nπ b n e x nπ sin nπ x Funktion Fourier-sarja on b n = nπ n nπ e + 4 f x nπ n nπ e sin nπ + 4 x b aajennus parilliseksi jaksolliseksi funktioksi: { e x if < x < f x = e x if < x < ja f x + 4 = f x. Koska laajennuttu funktio on parillinen, niin b n = kun n =,,3,... Parillinen laajennettu funktio on muotoa f x a + missä kertoimet a n saadaan kaavalla nx = a + nx, x= x= f xcos nx = e x cos x= nx.. Tunnemme alla annetut vektorit. Voimme liikkua sillä hypertasolla, jonka vektorit a a 4 virittävät. Piste b on tämän hypertason ulkopuolelle, joten siihen pisteeseen emme pääse. Muodosta matriisiyhtälöt, joilla voitaisiin ratkaista best fit -piste, eli se piste hypertasolla, joka on lähimpänä pistettä b. Helpoiten tämä hoituu käyttäen luennoilla esiteltyä metodia Moore-Penrose pseudoinverssi. a =, a =, a 3 =, a 4 =, b =

close all, clear all a = [ - - ] ; a = [ - ] ; a3 = [ - - ] ; a4 = [ - ] ; b = [ ] ; A = [ a a a3 a4 ]; x = inv A *A * A * b normx*a+x*a+x3*a3+x4*a4 - b Etsimme siis neljää parametria, x,,x 4 siten, että piste x a + x a olisi mahdollisimman lähellä pistettä b. Yllä on annettu Matlab-koodi, jolla Best fit -pisteen määrittelevät parametrit ratkaistaan; Matlab-taitoisille annetun koodin tutkiminen lie paras selitys tälle metodille. Homma tapahtuu siis seuraavalla tavalla. Muodostetaan ensin matriisiyhtälö samaan tapaan, kuin tämäntyyppisissä probleemissa yleensäkin vaikka tiedämmekin, että sille probleemalle ei tule löytymään ratkaisua. adomme siis pystyvektorit a,,a 4 matriisiksi kutsutaan sitä A. Nyt voimme kirjoittaa yhtälön muodossa x x x 3 = x 4 Huomataan, että tämän matriisiyhtälön dimensiot ovat sellaiset, että yhtäsuuruusmerkin vasemmalla puolella oleva kertolasku on sallittu, ja kertolaskun tulos antaa sen kokoisen matriisin, kuin löytyy yhtäsuuruusmerkin oikealta puolelta; tämä todistaa, että yhtälö on muodostettu oikein. Yhtälölle ei kuitenkaan voida löytää ratkaisua, koska muuttujia on liian vähän, ja vaatimuksia liikaa. Sen takia ollaankin etsimässä ratkaisua, joka on mahdollisimman hyvä, joskaan ei eksakti. Kutsutaan yllä näkyvän yhtälön osia samoin kuin aina, eli kirjoitamme Ax = b. Nyt yhtälön, joka antaa meille Best fit -ratkaisun, kirjoittaminen on helppoa; kerromme vain koko yhtälön puolittain A-matriisin transpoosilla. Saadaan alla näkyvä yhtälö, ja kertomalla puolittain vasemmalta tekijän A T A käänteismatriisilla saadaan yhtälö, josta vektori x voidaan suoraan ratkaista. A T A x = A T b x = A T A A T b Vertaa alempaa yhtälöä, ja yllä kirjoitetun Matlab-koodin toisiksi alinta riviä, ja huomaat niiden olevan täysin samat keskenään. Kun tämä tehtävä ratkaistaan kyseisellä Matlab-koodilla, saadaan vektoriksi x x =.39.48438.73 3.47

Best fit- pisteen, ja pisteen b etäisyydeksi saadaan.468. 6. Muodosta Fourier sarja kolmioaallolle, joka määritellään f x = x, kun x, ja f x+ = f x. Tarvittavien lausekkeiden muodostus riittää, integraaleja ei tarvitse ratkaista. Funktion jaksonpituus on =. Funktio on parillinen, joten näemme heti b n =. Muodostetaan lausekkeet kertoimille a ja a n. Huomaa, että käytämme kertoimien laskemiseen annetusta funktiosta vain puolikasta, väliltä x. a = x= x= f x = f x cos x= x= x nx = x= x= x cosπnx 7. a Olkoon f x = x +, kun < x < 3. aajenna funktio parittomaksi jaksolliseksi funktioksi ja muodosta laajennukselle Fouriersarja. Tehtävässä riittää muodostaa integraalit, joista tarvittavat kertoimet ratkaistaisiin. Hahmottele myös muodostuva käyrämuoto. b aajenna funktio parilliseksi jaksolliseksi funktioksi ja muodosta laajennukselle Fouriersarja. Tehtävässä riittää muodostaa integraalit, joista tarvittavat kertoimet ratkaistaisiin. Hahmottele myös muodostuva käyrämuoto. a aajennus parittomaksi jaksolliseksi funktioksi: { x + f x = if x 3 x + if 3 < x < ja f x + 6 = f x. Koska laajennuttu funktio on pariton, niin a n = kun n =,,,... Pariton laajennettu funktio on muotoa f x missä kertoimet b n saadaan kaavalla b n sin nx = b n sin 3 nx, b n = x= b aajennus parilliseksi jaksolliseksi funktioksi: f xsin 3 nx = x=3 x + sin 3 x= 3 nx. f x = x +, 3 x 3

ja f x + 6 = f x. Koska laajennuttu funktio on parillinen, niin b n = kun n =,,3,... Parillinen laajennettu funktio on muotoa f x a + missä kertoimet a n saadaan kaavalla nx = a + 3 nx, x= x=3 f xcos nx x + = cos x= 3 nx.