SF1625 Envariabelanalys Tentamen Onsdagen den 5
Transcription
SF1625 Envariabelanalys Tentamen Onsdagen den 5
SF1625 Envariabelanalys Tentamen Onsdagen den 5 juni, 2013 Skrivtid: 8:00-13:00 Till˚atna hj¨alpmedel: inga Examinator: Bengt Ek, Maria Saprykina Tentamen best˚ar av nio uppgifter som vardera ger maximalt fyra po¨ang. De tre f¨orsta uppgifterna, som utg¨or del A, kan ers¨attas med resultat fr˚an den l¨opande examinationen. Bonuspo¨ang tillgodor¨aknas vid de upp till tv˚a f¨orsta tentamina man skriver under l¨as˚aret. Kontrollskrivning i svarar d˚a mot uppgift i (i = 1, 2) och seminarierna mot uppgift 3. Godk¨and kontrollskrivning ger 3 po¨ang p˚a motsvarande uppgift och v¨al godk¨and kontrollskrivning ger 4 po¨ang. Varje godk¨ant seminarium ger 1 po¨ang p˚a uppgift 3. Det a¨ r maximum av resultatet fr˚an den l¨opande examinationen och resultatet p˚a motsvarande uppgift p˚a tentamen som r¨aknas. De tre f¨oljande uppgifterna utg¨or del B och de tre sista uppgifterna del C. F¨or de h¨ogsta betygen, A och B, kr¨avs vissa po¨ang p˚a del C. Betygsgr¨anserna vid tentamen kommer att ges av Betyg A B C D E Fx Total po¨ang 27 24 21 18 16 15 varav fr˚an del C 6 3 – – – – F¨or full po¨ang p˚a en uppgift kr¨avs att l¨osningen a¨ r v¨al presenterad och l¨att att f¨olja. Det inneb¨ar speciellt att inf¨orda beteckningar ska definieras, att den logiska strukturen tydligt beskrivs i ord eller symboler och att resonemangen a¨ r v¨al motiverade och tydligt f¨orklarade. L¨osningar som allvarligt brister i dessa avseenden bed¨oms med h¨ogst tv˚a po¨ang. Var god v¨and! 2 SF1625 Envariabelanalys — Tentamen 2013-06-05 D EL A 1. Visa att 1 x 1 − ≤ ≤ 2 2 1+x 2 f¨or alla (reella) v¨arden p˚a x. 2. Ber¨akna den obest¨amda integralen Z sin x dx, 5 − 3 cos x dvs finn alla primitiva funktioner till funktionen sin x . 5−3 cos x 3. a. (3p) Best¨am den allm¨anna l¨osningen till differentialekvationen y 00 − 6y 0 + 8y = 2 + 8x. b. (1p) Best¨am den l¨osning som satisfierar y(0) = 3, y 0 (0) = 5. D EL B 4. Betrakta funktionen ( 1 − x2 , 0 ≤ x < 1 f (x) = x ln x, 1 ≤ x ≤ e. Ber¨akna integralen Z a f (x) dx 0 f¨or alla v¨arden p˚a a i intervallet [0, e]. 5. Best¨am gr¨ansv¨ardet sin(x3 ) + ln(1 + x3 ) . x→0 arctan x − x lim 6. En 5 m l˚ang stege st˚ar lutad mot en v¨agg. Stegens nedre a¨ nde a¨ r 3 m fr˚an v¨aggen. Stegen glider och nedre a¨ nden r¨or sig med hastigheten 0,2 m/s o¨ ver golvet, vinkelr¨att ut fr˚an v¨aggen. Hur snabbt r¨or sig stegens o¨ vre a¨ nde l¨angs med v¨aggen? SF1625 Envariabelanalys — Tentamen 2013-06-05 3 D EL C 7. Bevisa att om funktionen f har lokalt maximum i en inre punkt x0 i definitionsintervallet och om f a¨ r deriverbar i x0 s˚a a¨ r f 0 (x0 ) = 0. 8. Ange en Riemannsumma som approximerar integralen Z 1 1 dx 0 1+x med ett fel som till beloppet a¨ r mindre a¨ n 0,05. Motivera ordentligt felets storlek. Du beh¨over inte ber¨akna Riemannsummans v¨arde. 9. L˚at Z x F (x) = 0 sin(t3 ) dt. 3 + 2 cos t Ber¨akna gr¨ansv¨ardet F (x2 ) . x→0 x8 lim SF1625 Envariabelanalys L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 D EL A 1. Visa att 1 x 1 − ≤ ≤ 2 2 1+x 2 f¨or alla (reella) v¨arden p˚a x. L¨osningsf¨orslag. x ardem¨angd, a¨ r inneh˚allen Metod 1 (standard): L˚at f (x) = 1+x 2 . Vi skall visa att Vf , f :s v¨ 1 1 i intervallet [− 2 , 2 ]. f a¨ r definierad och deriverbar f¨or alla reella x. Vi finner v¨ardem¨angden med en v¨ardetabell. 2 )−x·2x 1−x2 Regeln f¨or derivatan av en kvot ger f ′ (x) = 1·(1+x = (1+x allen a¨ r 2 )2 . Dess nollst¨ (1+x2 )2 x = ±1. ”−∞” −1 1 ”∞” Tabell: x f ′ (x) f (x) − 0 0 + 0 − ց − 21 ր 1 2 ց 0 0 under ”−∞” och ”∞” st˚ar f¨or gr¨ansv¨ardena d˚a x → ±∞. De a¨ r v¨asentliga n¨ar man avg¨or vilka v¨arden f antar. De a¨ r b˚ada 0 eftersom f a¨ r en rationell funktion med l¨agre grad i t¨aljaren a¨ n i n¨amnaren. Ur tabellen ses att Vf = [− 12 , 21 ], s˚a saken a¨ r klar, x 1 or alla reella v¨arden p˚a x. − 12 ≤ 1+x 2 ≤ 2 f¨ Graf (olika skalor p˚a x- och y-axlarna): Metod 2 (speciell) Eftersom 1 + 2x + x2 = (1 + x)2 ≥ 0 och 1 − 2x + x2 = (1 − x)2 ≥ 0 f¨or alla reella x a¨ r 2x ≥ −(1 + x2 ) och 1 + x2 ≥ 2x. 1 + x2 > 0, s˚a vi kan dividera dessa x 1 1 x ¨ r klar. olikheter med 2(1 + x2 ) och f˚ar 1+x 2 ≥ − 2 och 2 ≥ 1+x2 . Saken a Svar. Olikheterna visade ovan. 2 SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 2. Ber¨akna den obest¨amda integralen Z sin x dx, 5 − 3 cos x dvs finn alla primitiva funktioner till funktionen sin x . 5−3 cos x L¨osningsf¨orslag. Eftersom derivatan av cos x n¨astan a¨ r sin x (bara tecknet skiljer), f¨orenklas integralen av variabelbytet t = cos x. Det ger sin x dx = −dt och den obest¨amda integralen blir Z Z −1 1 sin x dx = dt = − ln |5 − 3t| + C, 5 − 3 cos x 5 − 3t −3 d¨ar C a¨ r en godtycklig konstant. Ins¨attning av t = cos x ger 31 ln |5 − 3 cos x| + C och eftersom cos x ≤ 1 a¨ r 5 − 3 cos x > 0 f¨or alla reella x, s˚a |5 − 3 cos x| = 5 − 3 cos x. Svar. Den obest¨amda integralen ges av 13 ln(5 − 3 cos x) + C, C en godtycklig konstant. SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 3 3. a. (3p) Best¨am den allm¨anna l¨osningen till differentialekvationen y ′′ − 6y ′ + 8y = 2 + 8x. b. (1p) Best¨am den l¨osning som satisfierar y(0) = 3, y ′ (0) = 5. L¨osningsf¨orslag. Karakteristiska ekvationen f¨or motsvarande homogena ekvation a¨ r r2 − 6r + 8 = 0, med r¨otterna r1 = 4, r2 = 2, s˚a den homogena ekvationens allm¨anna l¨osning a¨ r yh (x) = C1 e4x + C2 e2x . F¨or en partikul¨arl¨osning till den inhomogena ekvationen g¨ors ansatsen y(x) = Ax + B. Ins¨attning i ekvationen ger 0 − 6A + 8(Ax + B) = 8Ax + (−6A + 8B) = 8x + 2. Identifikation av koefficienterna ger A = 1, −6A + 8B = 2 s˚a B = 1 och yp (x) = x + 1. Den allm¨anna l¨osningen till ekvationen a¨ r allts˚a y(x) = yh (x) + yp (x) = C1 e4x + C2 e2x + x + 1, vilket ger y ′ (x) = 4C1 e4x + 2C2 e2x + 1. Konstanterna C1 och C2 best¨ams av villkoren p˚a y(0) och y ′ (0), s˚a C1 + C2 + 1 = 3 och 4C1 + 2C2 + 1 = 5, vilket ger C1 = 0, C2 = 2 och l¨osningen y(x) = 2e2x + x + 1. Svar. a. Den allm¨anna l¨osningen a¨ r y(x) = C1 e4x + C2 e2x + x + 1, b. Den s¨okta l¨osningen a¨ r y(x) = 2e2x + x + 1. 4 SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 D EL B 4. Betrakta funktionen f (x) = ( 1 − x2 , x ln x, Ber¨akna integralen Z 0≤x<1 1 ≤ x ≤ e. a f (x) dx 0 f¨or alla v¨arden p˚a a i intervallet [0, e]. L¨osningsf¨orslag. Eftersom f (x) definieras av olika uttryck i de tv˚a intervallen f˚ar vi skilja p˚a tv˚a fall f¨or a, beroende p˚a om alla x i integrationsintervallet uppfyller 0 ≤ x < 1 eller inte. Fall 1: Om 0 ≤ a ≤ 1 a¨ r Z a Z a ia h 3 3 (1 − x2 ) dx = x − x3 = a − a3 . f (x) dx = 0 0 0 Fall 2: Om 1 ≤ a ≤ e ger en partialintegration i den andra integralen Z a Z 1 Z a 2 x ln x dx = (1 − x ) dx + f (x) dx = 1 0 0 h 2 ia Z a 2 h 2 ia 13 x 1 2 a2 x x = (1 − 3 ) + 2 ln x − · dx = + ( ln a − 0) − = 2 x 3 2 4 1 = 2 3 + a2 2 Z a ln a − 2 ( a4 − 1 ) 4 ( a− = 1 11 12 1 + a2 2 ln a − a2 . 4 Svar. f (x) dx = 0 a3 , 3 2 11 + a2 12 ln a − a2 4 , 0≤a<1 1 ≤ a ≤ e. SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 5 5. Best¨am gr¨ansv¨ardet sin(x3 ) + ln(1 + x3 ) . x→0 arctan x − x lim L¨osningsf¨orslag. Vi anv¨ander Maclaurinutveckling av t¨aljaren och n¨amnaren. Den k¨anda utvecklingen sin t = t + t3 · B1 (t) ger sin(x3 ) = x3 + x9 · B(x). P.s.s. ger ln(1 + t) = t + t2 · C1 (t) att ln(1 + x3 ) = x3 + x6 · C(x). 3 Vidare vet vi att arctan x = x − x3 + x5 · D(x). H¨ar a¨ r, som vanligt, B1 (t), C1 (t) begr¨ansade funktioner i en omgivning av t = 0 och B(x), C(x), D(x) begr¨ansade i en omgivning av x = 0. Tillsammans ger de (d˚a x 6= 0 kan vi f¨orkorta med x3 ) sin(x3 ) + ln(1 + x3 ) x3 + x9 · B(x) + x3 + x6 · C(x) 2 + x6 · B(x) + x3 · C(x) . = = 3 arctan x − x − 31 + x2 · D(x) x − x3 + x5 · D(x) − x Det ger 2 + x6 · B(x) + x3 · C(x) sin(x3 ) + ln(1 + x3 ) 2 = lim = = −6. 1 x→0 x→0 arctan x − x − 3 + x2 · D(x) − 31 lim Alternativt kan man anv¨anda l’Hospitals regel (fast det egentligen kr¨avs en s˚adan lite starkare form av regeln som n¨amns i en anm¨arkning i kursboken – n¨amnarens derivata a¨ r ju noll f¨or x = 0). cos(x3 ) · 3x2 + sin(x3 ) + ln(1 + x3 ) = lim lim 1 x→0 x→0 arctan x − x −1 1+x2 3x2 1+x3 = 3(1 + 1) · 1 3(cos(x3 )(1 + x3 ) + 1)(1 + x2 ) = = −6 x→0 (−1)(1 + x3 ) (−1) · 1 = lim Svar. Gr¨ansv¨ardet a¨ r −6. 6 SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 6. En 5 m l˚ang stege st˚ar lutad mot en v¨agg. Stegens nedre a¨ nde a¨ r 3 m fr˚an v¨aggen. Stegen glider och nedre a¨ nden r¨or sig med hastigheten 0,2 m/s o¨ ver golvet, vinkelr¨att ut fr˚an v¨aggen. Hur snabbt r¨or sig stegens o¨ vre a¨ nde l¨angs med v¨aggen? L¨osningsf¨orslag. L˚at, som i figuren, x vara avst˚andet mellan v¨aggen och t stegens nedre a¨ nde, y avst˚andet mellan golvet och ste❙ gens o¨ vre a¨ nde och l stegens l¨angd. ❙ Stegen glider, s˚a x (och d¨armed y) beror av tiden t. Vi ❙ ❙ l vet hur snabbt x v¨axer, dvs dess t-derivata x˙ a¨ r k¨and. Vi y ❙ s¨oker hastigheten f¨or den o¨ vre a¨ nden, dvs y. ˙ ❙ ❙ Pythagoras sats ger x2 + y 2 = l2 , vilket g¨aller f¨or al❙ la t. Om man deriverar b˚ada leden (implicit derivering) ❙t f˚ar man 2xx˙ + 2y y˙ = 0, vilket ger (d˚a y 6= 0) att x ˙ y˙ = − xy x. √ Ins¨attning av givna v¨arden l = 5 m, x = 3 m (s˚a y = l2 − x2 = 4 m) och x˙ = 0, 2 m/s ger y˙ = − 34 · 0, 2 = −0, 15 m/s. (y˙ < 0 betyder att den o¨ vre a¨ nden r¨or sig ned˚at.) Alternativt (lite l¨angre) kan man i detta fall uttrycka y som en funktion av x (y ≥ 0) som √ y(x) = l2 − x2 . Kedjeregeln ger sambandet mellan x˙ och y: ˙ y˙ = (y ′ st˚ar allts˚a f¨or d y(x) dx och y˙ f¨or = y ′ (x)x. ˙ d y(x(t)).) dt Med y(x) ovan f˚ar man y (x) = ′ d y(x(t)) dt √−2x 2 l2 −x2 = √ −x , l2 −x2 s˚a y˙ = Svar. Stegens o¨ vre a¨ nde r¨or sig ned˚at med hastigheten 0, 15 m/s. √ −x x ˙ l2 −x2 = − xy x, ˙ som ovan. SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 7 D EL C 7. Bevisa att om funktionen f har lokalt maximum i en inre punkt x0 i definitionsintervallet och om f a¨ r deriverbar i x0 s˚a a¨ r f ′ (x0 ) = 0. L¨osningsf¨orslag. Eftersom x0 a¨ r en inre punkt i f :s definitionsm¨angd finns ett tal h1 > 0 s˚adant att alla x med x0 − h1 < x < x0 + h1 tillh¨or definitionsm¨angden. Eftersom f har ett lokalt maximum i x0 finns h med h1 ≥ h > 0 s˚adant att f (x0 ) ≥ f (x) f¨or alla x med x0 − h < x < x0 + h. (x0 ) ≤ 0 (eftersom f (x)−f (x0 ) ≤ 0, x−x0 > 0) D˚a g¨aller f¨or alla x med x0 < x < x0 +h att f (x)−f x−x0 f (x)−f (x0 ) och f¨or alla x med x0 − h < x < x0 att x−x0 ≥ 0 (eftersom f (x) − f (x0 ) ≤ 0, x − x0 < 0). Eftersom f a¨ r deriverbar i x0 a¨ r f (x) − f (x0 ) f (x) − f (x0 ) f (x) − f (x0 ) = lim+ = lim− . f ′ (x0 ) = lim x→x0 x − x0 x − x0 x − x0 x→x0 x→x0 Enligt ovan a¨ r h¨ogergr¨ansv¨ardet ≤ 0 och v¨anstergr¨ansv¨ardet ≥ 0 (gr¨ans¨overg˚ang i olikhet), s˚a f ′ (x0 ) ≤ 0 och f ′ (x0 ) ≥ 0. Det betyder att f ′ (x0 ) = 0, saken a¨ r klar. Svar. P˚ast˚aendet visat ovan. 8 SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 8. Ange en Riemannsumma som approximerar integralen Z 1 1 dx 0 1+x med ett fel som till beloppet a¨ r mindre a¨ n 0,05. Motivera ordentligt felets storlek. Du beh¨over inte ber¨akna Riemannsummans v¨arde. L¨osningsf¨orslag. 1 L˚at f (x) = 1+x och tag ett heltal n > 0. Vi delar in intervallet [0, 1] med punkterna xk = nk , k = 0, 1, . . . , n. D˚a a¨ r 0 = x0 < x1 < · · · < xn = 1. Den Riemannsumma f¨or integralen som svarar mot valet ξk = xk−1 a¨ r n X n X n−1 1 1X R1 = f (xk−1 )(xk − xk−1 ) = f (xk−1 ) = f (xk ) n n k=0 k=1 k=1 och den som svarar mot ξk = xk a¨ r n n n X X 1X 1 f (xk ). R2 = f (xk )(xk − xk−1 ) = f (xk ) = n n k=1 k=1 k=1 1 a f¨or alla x i ]xk−1 , xk [ g¨aller f a¨ r en str¨angt avtagande funktion (f ′ (x) = − (1+x) 2 < 0), s˚ R xk 1 f (xk−1 ) > f (x) > f (xk ). Det f¨oljer att (eftersom f (xk−1 ) n > xk−1 f (x) dx > f (xk ) n1 ) Z 1 1 dx > R2 . R1 > 0 1+x 1 Men R1 − R2 = n1 (f (x0 ) − f (xn )) = n1 (f (0) − f (1)) = n1 (1 − 21 ) = 2n , s˚a genom att dra R2 fr˚an olikheten f˚as Z 1 1 1 > dx − R2 > 0 2n 0 1+x och genom att dra alla led i olikheten fr˚an R1 (och byta > mot <) f˚as Z 1 1 1 0 < R1 − dx < . 2n 0 1+x Det betyder att om n = 10 uppfyller b˚ade R1 och R2 villkoret (0, 05 = Svar. T.ex. 10 X k=1 1 1 · k−1 1 + 10 10 och 10 X k=1 1 1 · . k 1 + 10 10 1 ). 2·10 SF1625 Envariabelanalys — L¨osningsf¨orslag till tentamen 2013-06-05 9. L˚at F (x) = Ber¨akna gr¨ansv¨ardet Z x 0 9 sin(t3 ) dt. 3 + 2 cos t F (x2 ) . x→0 x8 lim L¨osningsf¨orslag. attning av gr¨ansv¨arden). Eftersom limx→0 x2 = 0 a¨ r det s¨okta gr¨ansv¨ardet limu→0 Fu(u) 4 (sammans¨ Eftersom b˚ade t¨aljaren och n¨amnaren a¨ r deriverbara hur m˚anga g˚anger som helst och b˚ada a¨ r 0 d˚a u = 0, kan vi anv¨anda l’Hospitals regel, s˚a F (u) F ′ (u) lim = lim . u→0 u4 u→0 4u3 Enligt analysens huvudsats a¨ r F ′ (u) = sin(u3 ) , 3+2 cos u s˚a F (x2 ) sin(u3 ) sin(u3 ) 1 = lim = lim · = 8 3 3 x→0 u→0 (3 + 2 cos u) · 4u u→0 x u (3 + 2 cos u) · 4 1 1 =1· = . (3 + 2) · 4 20 lim (Om man inte byter till u = x2 i gr¨ansv¨ardet f˚ar man anv¨anda kedjeregeln f¨or att ber¨akna d F (x2 ) = F ′ (x2 ) · 2x, med F ′ som ovan.) dx Man kan ocks˚a anv¨anda Maclaurinutveckling. 3 4 R R sin(t3 ) = t5 +t5 ·B(t), vilket ger F (x) = x20 +x6 ·C(x) (ty f (x) < g(x) ⇒ 0x f (t) dt < 0x g(t) dt) 3+2 cos t 8 och F (x2 ) = x20 + x12 · D(x) etc. (B, C, D begr¨ansade funktioner n¨ara 0). Svar. Gr¨ansv¨ardet a¨ r 1 . 20