• No results found

A NGE GRUPPNUMMER ELLER L Ä RARENS NAMN P Å OMSLAGET !

1. Bestäm ekvationen för tangentplanet till ytan x y2 + 2y z2 + 3z x2 = 8 i punkten (0,1,2). (3p)

2. Bestäm inversen till matrisen A–1AT då A =

 

 

1 1

1 0 . (3p)

3. a. Bestäm skärningspunkten mellan linjerna

r(t) = (2 – t, 3 – 2t, 3 – t) och p (s) = (3 + 2 s, 3 + 2s, 2). (1p) b. Bestäm ekvationen för det plan som innehåller de båda linjerna. (2p) 4. a. Bestäm Taylorpolynomet av andra graden till funktionen f(x,y) = x2 + 2cos(2x – y)

kring punkten (1,2). (2p)

b. Beräkna, med hjälp av detta polynom, ett approximativt värde av f(1.1, 2.1). (1p) 5. Bestäm konstanten a så att funktionen z = (2x – 3y)f (3x + ay) uppfyller

differentialek-vationen 3z ´x + 2z ´y = 0, då f är en godtycklig, deriverbar funktion av en variabel. (3p)

6. a. Beräkna riktningsderivatan f´v till funktionen f(x,y) = x + y

2x – y i punkten (1,1) i

riktning av vektorn v = (1,2). (2p)

b. Ange den riktning u i vilken riktningsderivatan f´u(1,1) är så stor som möjligt

och beräkna detta maximala värde. (2p)

7. Bestäm största och minsta värdet av funktionen f(x,y) = x + 2y på kvartscirkeln

x2 + y2 = 5, x 0, y ≥ 0. (4p)

8. Undersök om det finns konstanter a och b för vilka ekvationssystemet

 



ax + 3y + 2z = 4a + 3b bx + 2y + 2z = 2a + 4b ax + y + 2z = a + 4b

har precis en lösning x = 3, y = 2 och z = 1. (4p)

9. Undersök om det finns något tal a sådant att x2 + 4x y + ay2 + 2x – y = 0 är ekvationen

för en parabel? (4p)

10. Visa att vektorerna v1, v2, v3, v4 är linjärt oberoende om och endast om vektorerna v1, v1 + v2, v1 + v3, v1 + v4 är linjärt oberoende. (4p)

LYCKA TILL!

1. Ytan ges på formen f(x,y,z ) = 8 där f(x,y,z ) = x y + 2y z + 3z x . I punkten (0,1,2) fås

4a. Det sökta Taylorpolynomet p ges av f(1,2) + f´x(1,2)h + f´y(1,2)k + 1 är kompakt. Detta medför att f antar ett största och ett minsta värdet i mängden. Punkter där dessa värden antas är antingen ändpunkterna på kvartscirkeln eller kritiska punkter till Lagranges funktion g(x,y,t) = x + 2y + t(x2 + y2 – 5).

Ändpunkterna: (0, 5) och ( 5,0).

Kritiska punkter:

har precis en lösning

⇔ determinanten

in dessa värden i ekvationssystemet) så skulle

 

ek-vationen skall vara en ekvation för en parabel så måste ett av egenvärdena till matrisen A vara lika med noll. Egenvärdena fås ur ekvationen det(A – λE) = 0:

 

 

1 – λ 2

2 a – λ = 0 ⇔ (1 – λ)(a – λ) – 4 = 0. För λ = 0 får vi a = 4, vilket alltså är den enda tänkbara värdet för vilket den givna ekvationen beskriver en parabel. Den karakteristiska ekvationen är då (1 – λ)(4 – λ) – 4 = 0 och man får rötterna 0 och 5.

De båda valda egenvektorerna har längden 5. Koordinatbytet med transformationen

 

Tentamensskrivning, 2002-08-12, kl. 8.00–13.00.

5B1116 Matematik 2, f ¨or B, E, I, IT, M, Media och T.

F ¨or betyg 3 (godk¨ant), 4 och 5 kr¨avs minst 16, 22 respektive 30 po¨ang inklusive bonuspo¨ang.

Samtliga behandlade uppgifter ska f ¨orses med utf ¨orlig l ¨osning och motivering.

L ¨osningsf ¨orslag finns efter skrivningstidens slut på kurshemsidan.

Inga hj¨alpmedel!

1. Ber¨akna determinanten

3 −1 6 2

−4 8 −5 5

4 4 8 6

−3 0 −6 −2

. (3p)

2. Låt f (x, y) = (2p

xy − 1, y ex−2y) .

a) Best¨am Jacobimatrisen f ¨or f . (1p)

b) Visa att f har en differentierbar lokal invers kring punkten (x, y) = (2, 1) . (1p) c) Best¨am den lokala inversens Jacobimatris i punkten som svarar mot (x, y) = (2, 1) . (1p)

3. Givet vektorerna u1= (−23, a,13) , u2= (b, −23, −23) och u3= (23, −13, −a) .

a) F ¨or vilka v¨arden på a och b bildar vektorerna en ON-bas? (2p) b) Best¨am den matris som transformerar en vektors koordinater (i standardbasen)

till dess koordinater i denna ON-bas. (1p)

4. Best¨am alla kritiska (station¨ara) punkter till funktionen f (x, y) = x2− x + y2arctan x

samt avg ¨or deras karakt¨ar. (3p)

5. Anpassa i minstakvadratmening kurvan y = ax2+ bx − (a + b) till punkterna (−1, 8) ,

(0, −2) , (1, 1) och (2, 3) . (3p)

6. Best¨am det st ¨orsta och minsta v¨arde som funktionen f (x, y) = 2x+ y kan anta då y ≤ 4

och y ≥ x2. (4p)

7. Best¨am genom att inf ¨ora variablerna











u = (x + y)e−z v = (x − y)ez w = z

den allm¨anna l ¨osningen till differentialekvationen y fx0+ x fy0+ fz0= 0 . (4p)

V.g. v¨and!

8. Ett plan innehåller punkten P = (3, 1, 2) och linjen (x, y, z) = (1, −1, 0) + t(4, 3, 2) .

Best¨am den punkt i planet som ligger n¨armast punkten Q = (7, 0, 8) . (4p)

9. Best¨am en linje (i parameterform) som går genom punkten P = (0, 0, −1) och tangerar

ytan z = x2+ y . (4p)

10. Två linj¨ara avbildningar i rummet har matriserna

A =





1 −1 8

2 5 −7

2 1 10



 respektive B =





1 3 −2

0 −2 3

2 6 −4



.

Best¨am en nollskild vektor v så att bildvektorerna Av och Bv ¨ar parallella. (4p)

1. Den sista raden ¨ar n¨astan lika med den f ¨orsta raden med omv¨ant tecken. Om vi d¨arf ¨or adderar den f ¨orsta raden till den sista raden får vi en rad med många nollor som vi kan utveckla l¨angs,

3 −1 6 2

I denna 3 × 3 -determinant ¨ar den andra kolonnen n¨asta lika med två gånger den f ¨orsta kolonnen. Med en kolonnoperation kan vi få en kolonn med många nollor som vi utvecklar l¨angs

2. a) Jacobimatrisen ¨ar

Jf =

b) Funktionen f har en lokal invers kring punkten (x, y) = (2, 1) om Jacobimatrisen Jf ¨ar inverterbar i punkten, d.v.s. om dess determinant ¨ar skild från noll. Vi har att

det Jf =

c) Den lokala inversens Jacobimatris ¨ar lika med inversen av f :s Jacobimatris i motsvarande punkt,

L ¨osningsf ¨orslag, Matematik 2, B, E, I, IT, M, Media och T, 2002-08-12. (Sida 2)

3. a) Vektorerna bildar en ON-bas om de har l¨angd 1 och ¨ar parvis vinkelr¨ata. Villkoret att u1

och u3 ¨ar vinkelr¨ata ger att

0 = u1· u3= −23·23+ a ·

13

13· (−a) = −4923aa = −23. Eftersom u1 och u2 ska vara vinkelr¨ata måste g¨alla att

0 = u1· u2= −23· b −23 ·

23 +13 ·

23

= 2923bb = 13.

Med dessa v¨arden på a och b kontrollerar vi sedan att de ¨ovriga villkoren ¨ar uppfyllda, u2· u3=

b) Den s ¨okta transformationsmatrisen C ges som inversen av matrisen med u1, u2 och u3

som kolonner,

Eftersom u1, u2 och u3 ¨ar en ON-bas ¨ar matrisen som ska inverteras en ON-matris och d¨arf ¨or ¨ar inversen lika med transponatet,

C =

4. De kritiska punkterna fås genom att s¨atta f :s partialderivator lika med noll,

fx0= 2x − 1 + y2

De kritiska punkternas karakt¨ar kan vi best¨amma med andraderivatorna. Hessianen ¨ar lika

och från dess egenv¨arden i de kritiska punkterna kan vi klassificera punkterna.

Punkten (x, y) = (0, −1) . Hessianens v¨arde ¨ar

Hf(0, −1) = 2 −2

−2 0

!

och dess egenv¨arden ges av den karakteristiska ekvationen

Hessianen har ett positivt och ett negativt egenv¨arde vilket betyder att punkten ¨ar en sadelpunkt.

N¨asta punkt (x, y) = (0, 1) . Hessianens v¨arde ¨ar Hf(0, 1) = 2 2

2 0

!

och den karakteristiska ekvationen ¨ar

Både ett positivt och negativt egenv¨arde betyder att punkten ¨ar en sadelpunkt.

Slutligen punkten (x, y) = (12, 0) . Hessianen ¨ar Hf(12, 0) = 2 0

0 2 arctan12

!

och har egenv¨ardena 2 och 2 arctan12. Eftersom båda egenv¨ardena ¨ar postiva ¨ar punkten ett lokalt minimum.

5. Vi stoppar in punkterna (−1, 8) , (0, −2) , (1, 1) och (2, 3) i kurvans ekvation y = a(x2− 1) +

eller i matrisform 



L ¨osningsf ¨orslag, Matematik 2, B, E, I, IT, M, Media och T, 2002-08-12. (Sida 4)

Genom att v¨anstermultiplicera båda led med transponatet av v¨ansterledets koefficientmatris får vi systemets normalekvation

0 −1 0 3

L ¨osningen till detta system ger oss minstakvadrat-l ¨osningen. Cramers regeminstakvadrat-l ger

a =

Den kurva som b¨ast anpassar punkterna i minsta-kvadratmening ¨ar y = 52(x2−1)−72(x−1) = 52x272x+1 .

x y

y =52x272x + 1

6. Genom att rita upp de tillåtna punkterna ser vi att området

¨ar kompakt (slutet och begr¨ansat). Detta tillsammans med att funktionen f ¨ar kontinuerlig ger att det finns ett st ¨orsta och minsta v¨arde till f i området.

Funktionen antar detta st ¨orsta respektive minsta v¨arde i någon av f ¨oljande punkter

1. inre kritiska punkter,

2. punkter på randkurvorna, eller

3. sk¨arningspunkter mellan randkurvorna.

x y

y = 4 y = x2

Vi unders ¨oker dessa tre fall.

1. I en inre kritisk punkt måste g¨alla att fx0 = fy0 = 0 , men eftersom fx0 ≡ 2 , 0 saknas sådana punkter.

2. Vi har två randkurvor att unders ¨oka.

På linjen y = 4 ¨ar funktionen f (x, 4) = 2x + 4 str¨angt v¨axande, vilket betyder att det inte finns lokala extrempunkter i det inre av linjen.

På parabeln y = x2 ¨ar funktionen lika med f (x, x2) = 2x + x2. Om vi kallar detta uttryck f ¨or g(x) så måste g0(x) = 2+2x = 0 ⇔ x = −1 i en lokal extrempunkt på parabeln. Detta svarar mot punkten (x, y) = (−1, 1) (som verkligen tillh ¨or området eftersom punkten ligger mellan sk¨arningspunkterna i x -led; se punkt 3).

3. Sk¨arningspunkterna måste uppfylla båda randkurvornas ekvationer, y = 4

y = x2





 ⇔ (x, y) = (±2, 4).

Sammanfattningsvis har vi alltså tre punkter (−1, 1) , (−2, 4) och (2, 4) bland vilka f antar sitt st ¨orsta och minsta v¨arde. Eftersom

f (−1, 1) = −1, f (−2, 4) = 0 och f (2, 4) = 8

¨ar funktionens st ¨orsta v¨arde 8 och minsta v¨arde −1 .

7. Se uppgift 455 i ¨ovningsboken tillAnalytiska metoder II.

8. F ¨orst best¨ammer vi en normalvektor till planet. Vi v¨aljer två punkter R och S på linjen och bildar vektorerna −→

PR och −→

PS . Vektorerna −→

PR och −→

PS ¨ar då parallella med planet vilket g ¨or att deras kryssprodukt n =−→

PR ×−→

PS ¨ar en normalvektor till planet.

Tar vi två parameterv¨arden fås

R = (1, −1, 0), (svarar mot t = 0), S = (5, 2, 2), (svarar mot t = 1), och då ¨ar

−→PR = R − P = (1, −1, 0) − (3, 1, 2) = (−2, −2, −2),

−→PS = S − P = (5, 2, 2) − (3, 1, 2) = (2, 1, 0), n =−→

PR ×−→

PS = (2, −4, 2).

P

R

S n =−→

PR ×−→

PS

Om vi kallar den s ¨okta punkten, som ligger n¨armast Q , f ¨or T så ¨ar vektorn −−→

TQ parallell med normalen n och vi kan best¨amma −−→

TQ genom att projicera vektorn −−→

PQ på n . Punkten T:s koordinater får vi sedan genom att gå från origo via Q till T ,

P

T Q

T Q

O

−−→TQ =

−−→PQ · n

|n|2 n =n −−→

PQ = Q − P = (4, −1, 6)o

= (4, −1, 6) · (2, −4, 2)

22+ (−4)2+ 22 (2, −4, 2)

= 8 + 4 + 12

4 + 16 + 4(2, −4, 2) = (2, −4, 2), T =−−→

OT =−−→

OQ +−−→

QT =−−→

OQ −−−→

TQ = (7, 0, 8) − (2, −4, 2) = (5, 4, 6).

L ¨osningsf ¨orslag, Matematik 2, B, E, I, IT, M, Media och T, 2002-08-12. (Sida 6)

9. Eftersom den s ¨okta linjen går genom punkten P = (0, 0, −1) kan vi parametrisera linjen som (x, y, z) = (0, 0, −1) + t (α, β, γ),

d¨ar v = (α, β, γ) ¨ar linjens riktning.

Ytans ekvation kan vi skriva som f (x, y, z) = z − x2− y = 0 . Om vi kallar tangeringspunkten f ¨or Q = (x0, y0, z0) så ska dels Q ligga på ytan och d¨arf ¨or uppfylla ytans ekvation

z0= x20+ y0, (1) dels ytans normalriktning ∇f i punkten Q vara vinkelr¨at mot linjens riktning v ,

∇ f (Q) · v = (−2x0, −1, 1) · (α, β, γ) = −2αx0− β + γ = 0. (2) P Q

v

∇f

Punkten Q ska också ligga på linjen vilket betyder att f ¨or ett visst parameterv¨arde t = t0 ger linjens parameterekvation punkten Q ,

0 + αt0= x0, (3)

0 + βt0= y0, (4)

−1 + γt0= z0. (5)

Ekvationer (3) , (4) och (5) insatta i (1) och (2) ger

− 1 + γt0= α2t20+ βt0, (1’)

− 2α2t0− β + γ = 0. (2’)

Eftersom vi egentligen bara ¨ar intresserade av att best¨amma en linje kan vi prova om ekva-tionerna (10) och (20) har någon l ¨osning f ¨or t.ex. α = 1 och β = 0 . Ekvationerna blir i detta fall

t20− γt0+ 1 = 0, (1”)

− 2t0+ γ = 0. (2”)

Multiplicera (200) med t0 och addera (100) ,

−t20+ 1 = 0 ⇔ t0 = ±1.

Om exempelvis t0= 1 blir (100) och (200) (1 − γ + 1 = 0

− 2 + γ = 0 ⇔ γ = 2.

Ett svar ¨ar alltså linjen (x, y, z) = (0, 0, −1) + t(1, 0, 2) .

Anm. Givetvis finns det många andra korrekta svar och allm¨ant kan man visa att en linje (x, y, z) = (0, 0, −1) + t(α, β, γ)

tangerar ytan om och endast om 4α2= (β + γ)2, 0 .

10. Vektorerna Av och Bv ¨ar parallella om det finns ett tal λ så att Av = λ Bv . Vi kan skriva om denna likhet genom att flytta ¨over allt i ena ledet,

(A − λB) v = 0. (∗)

Detta system har en icke-trivial l ¨osning v om och endast om det(A − λB) = 0 , d.v.s.

1 − λ −1 − 3λ 8 + 2λ

(utveckla l¨angs den tredje raden

Med λ = 3 gausseliminerar vi systemet (∗) ,

−2 −10 14 0

Från slutschemat kan vi avl¨asa l ¨osningarna

v =

Alternativuppgifter f ¨or ¨aldre teknologer

3. Med en partialintegrering kan vi derivera bort logaritmfunktionen Z 1

Inom intervallet [xi, xi+1] approximerar vi l¨angden av kurvan y = f (x) med l¨angden av kordan mellan kurvstyckets ¨andpunkter.

L¨angd av kurvstycket mellan x = xioch x = xi+1

≈ L¨angd av linjestycket mellan (xi, f (xi)) och (xi+1, f (xi+1))

= q

(xi+1− xi)2+ ( f (xi) − f (xi+1))2 xi xi+1

Om vi g ¨or denna approximation i varje delintervall blir kurvans totala l¨angd L ungef¨ar lika med

d¨ar xi< ξi< xi+1. Detta betyder att summaformeln kan skrivas som

L ≈

och h¨ar k¨anner vi igen summan som en Riemannsumma som konvergerar mot integralen Z b

a

q

1 + ( f0(x))2dx n¨ar n → ∞ .

b) Anv¨ander vi formeln i a-uppgiften fås att bågl¨angden ¨ar Z 2

Related documents