Tentamen Functies en Reeksen

Vergelijkbare documenten
Overzicht Fourier-theorie

3. Bepaal de convergentie-eigenschappen (absoluut convergent, voorwaardelijk convergent, divergent) van de volgende reeksen: n=1. ( 1) n (n + 1)x 2n.

== Hertentamen Analyse 1 == Dinsdag 25 maart 2008, u

Extra opgaven bij Functies en Reeksen

Technische Universiteit Delft Tentamen Calculus TI1106M - Uitwerkingen. 2. Geef berekeningen en beargumenteer je antwoorden.

ax + 2 dx con- vergent? n ln(n) ln(ln(n)), n=3 (d) y(x) = e 1 2 x2 e 1 2 t2 +t dt + 2

Opgaven Functies en Reeksen. E.P. van den Ban

== Uitwerkingen Tentamen Analyse 1, WI1600 == Maandag 10 januari 2011, u

1. (a) Gegeven z = 2 2i, w = 1 i 3. Bereken z w. (b) Bepaal alle complexe getallen z die voldoen aan z 3 8i = 0.

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

== Tentamen Analyse 1 == Maandag 12 januari 2009, u

TW2040: Complexe Functietheorie

Het uitwendig product van twee vectoren

Doe de noodzakelijke berekeningen met de hand; gebruik Maple ter controle.

WI1708TH Analyse 3. College 5 23 februari Challenge the future

18.I.2010 Wiskundige Analyse I, theorie (= 60% van de punten)

Z.O.Z. Radboud Universiteit Nijmegen Tentamen Analyse 1 WP001B 16 juni 2016, 12:30 15:30 (16:30)

3 Opgaven bij Hoofdstuk 3

Tentamen Calculus 2 25 januari 2010, 9:00-12:00 uur

Tussentoets Analyse 1

Tussentoets Analyse 2. Natuur- en sterrenkunde.

(b) Formuleer het verband tussen f en U(P, f), en tussen f en L(P, f). Bewijs de eerste. (c) Geef de definitie van Riemann integreerbaarheid van f.

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Infi A oefententamen ψ

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Student number: Zet je naam op alle bladzijdes (liefst nu!) voor het geval ze loslaten.

1. (a) Formuleer het Cauchy criterium voor de convergentie van een reeks

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

ANALYSEQUIZ Ga naar new.shakeq.com en log in met de code uvaanalyse2a

n=0 en ( f(y n ) ) ) n=0 equivalente rijen zijn.

Uitwerking tentamen Analyse B

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN

Leeswijzer bij het college Functies en Reeksen

3 Rijen en reeksen van functies

Radboud Universiteit Nijmegen Tentamen Calculus 1 NWI-NP003B 4 januari 2013,

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Technische Universiteit Delft. ANTWOORDEN van Tentamen Gewone differentiaalvergelijkingen, TW2030 Vrijdag 30 januari 2015,

Je mag Zorich deel I en II gebruiken, maar geen ander hulpmiddelen (zoals andere boeken, aantekeningen, rekenmachine etc.)!

Tentamen Analyse 4. Maandag 16 juni 2008, uur

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Functietheorie (2Y480) op 25 november 1998, uur.

TENTAMEN ANALYSE 1. dinsdag 3 april 2007,

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking Tentamen Calculus, 2DM10, maandag 22 januari 2007

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking van het tentamen Functietheorie (2Y480) op ,

Opgaven Inleiding Analyse

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Tentamen WISN101 Wiskundige Technieken 1 Ma 7 nov :30 16:30

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

CALCULUS 2. najaar Wieb Bosma (naar aantekeningen van Arno van den Essen) Radboud Universiteit Nijmegen

Dit is in feite de ongelijkheid van Cauchy Schwarz voor het standaardinproduct in R s van de vectoren

Aanwijzingen bij vraagstukken distributies

Examen Complexe Analyse (September 2008)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica Tentamen Functietheorie (2Y480) op 22 november 1999,

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

TW2040: Complexe Functietheorie

Functies van één veranderlijke

n 2 + 3n + 6 4n 3 3 n + 8n n + 3n + 16 n=1 Indien convergent, bepaal dan ook de waarde van de reeks.

Reeksnr.: Naam: t 2. arcsin x f(t) = 2 dx. 1 x

(2) Bepaal de absolute waarde van (1 + i) 10 + ( x x 1 = 1. (4) Bepaal lim

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Uitwerking herkansing Functies en Reeksen

Analyse I. 1ste Bachelor Ingenieurswetenschappen Academiejaar ste semester 10 januari 2008

20 OKTOBER y 2 xy 2 = 0. x y = x 2 ± 1 2. x2 + 8,

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Infi A tentamen 8 nov :30 16:30

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Hertentamen WISN101 Wiskundige Technieken 1 Do 5 jan :30 16:30

Complexe Analyse - Bespreking Examen Juni 2010

college 6: limieten en l Hôpital

Primitieve functie Als f : R --> R continu is op een interval, dan noemt men F : R --> R een primiteive functie of

HERTENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Analyse I. 2. Formuleer en bewijs de formule van Taylor voor een functie f : R R. Stel de formules op voor de resttermen van Lagrange en Liouville.

== Modeluitwerking tentamen Analyse 1 == Maandag 14 januari 2008, u

Hoofdstuk 10: Partiële differentiaalvergelijkingen en Fourierreeksen

Centrale Commissie Voortentamen Wiskunde Uitwerkingen Voortentamen Wiskunde B 11 juni 2012

A = b c. (b) Bereken de oppervlakte van het parallellogram dat opgespannen wordt door b en c. Voor welke p is deze oppervlakte minimaal?

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

Hints en uitwerkingen huiswerk 2013 Analyse 1 H18

34 HOOFDSTUK 1. EERSTE ORDE DIFFERENTIAALVERGELIJKINGEN

Inhoud college 5 Basiswiskunde Taylorpolynomen

Opgaven Functies en Reeksen. E.P. van den Ban

Tentamen WISN101 Wiskundige Technieken 1 Ma 2 nov :30 16:30

168 HOOFDSTUK 5. REEKSONTWIKKELINGEN

Examen G0O17E Wiskunde II (3sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-11:30 uur. Bachelor Geografie en Bachelor Informatica

Hertentamen Wiskundige Technieken 1 Donderdag 4 jan 2018, 9-12 uur

Radboud Universiteit Nijmegen Tentamen Analyse 1 WP001B 26 augustus 2010, , Examenzaal

(x x 1 ) + y 1. x x k+1 x k x k+1

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak. Veronderstel dat een kromme in het vlak gegeven is door een parametervoorstelling

tentamen Analyse (deel 3) wi TH 21 juni 2006, uur

Tentamen Gewone Differentiaal Vergelijkingen II

Opgaven Inleiding Analyse

2. Hoelang moet de tweede faze duren om de hoeveelheid zout in de tank op het einde van de eerste faze, op de helft terug te brengen?

Inleiding Analyse. Opgaven. E.P. van den Ban. c Mathematisch Instituut Universiteit Utrecht Voorjaar 2003, herzien

15.0 Voorkennis. Herhaling rekenregels voor differentiëren: (somregel) (productregel) (quotiëntregel) n( x) ( n( x))

Hertentamen Calculus 1 voor MST, 4051CALC1Y vrijdag 7 november 2014; uur

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

Analyse 1 November 2011 Januari 2011 November 2010

Tussentijdse Toets Wiskunde 2 1ste bachelor Biochemie & Biotechnologie, Chemie, Geografie, Geologie en Informatica april 2011

Tentamen Wiskunde B. Het gebruik van een mobiele telefoon of andere telecommunicatieapparatuur tijdens het tentamen

Transcriptie:

Tentamen Functies en Reeksen 6 november 204, 3:30 6:30 uur Schrijf op ieder vel je naam en bovendien op het eerste vel je studentnummer, de naam van je practicumleider (Arjen Baarsma, KaYin Leung, Roy Wang) en het aantal ingeleverde vellen. Geef niet alleen antwoorden, maar laat ook zien hoe je aan die antwoorden gekomen bent. N.B. Als je een stelling uit het dictaat gebruikt, vermeld dat dan en laat ook expliciet zien dat de voorwaarden van die stelling vervuld zijn. N.B. Als je een onderdeel van een opgave niet kunt maken, ga dan toch door met de volgende onderdelen. Je mag daarbij de in eerdere onderdelen verschafte informatie gebruiken. Rekenmachine, diktaat en aantekeningen mogen niet worden gebruikt. Alle 5 opgaven tellen even zwaar. Succes! Opgave We beschouwen de functies h : R 2 R 3 en f : R 3 R gedefinieerd door h(u, v) := (uv + 2v 2, (u v) 2, u 3 ), f(x, y, z) := x 2 z 2 cos y + y cos z. 4 pt (a) Bewijs dat f en h totaal differentieerbaar zijn, en bepaal de matrices van de totale afgeleiden Dh(u, v) en Df(x, y, z). 4 pt (b) Bewijs dat f h richtingsdifferentieerbaar is in (0, ) en dat voor ieder vector w R 2 geldt dat D w (f h)(0, ) = Df(2,, 0)(D w h(0, )). Hint: bepaal eerst een formule voor D(f h)(0, ). 2 pt (c) Bepaal de richtingsafgeleide D w (f h)(0, ) voor de kolomvector w = ( 2, ) T. Opgave 2 4 pt (a) Toon aan dat de functie ϕ : t e t / t oneigenlijk Riemann-integreerbaar is op ]0, [; vergeet daarbij niet de lokale Riemann-integreerbaarheid te beargumenteren. 3 pt (b) Toon aan dat door cos(x t) g(x) := e t dt 0 t een continue functie g : R R gedefinieerd wordt. 3 pt (c) Toon aan dat de functie g differentieerbaar is, en dat g (x) voor alle x R. ZOZ

Opgave 3 Voor k definiëren we de functie f k : R R door f k (x) = kx + x2 k 3 + x 2. 3 pt (a) Bewijs dat de reeks k f k puntsgewijs convergeert op R. We definiëren de functie f : R R door f(x) = k= f k (x), (x R). ( ) 3 pt (b) Bewijs dat de reeks k f k uniform convergeert op [ R, R], voor elke R > 0. 2 pt (c) Bewijs dat de reeks k f k niet uniform convergeert op R. 2 pt (d) Bewijs dat de in ( ) gedefinieerde functie f continu is op R. Opgave 4 Bepaal voor elk van de volgende machtreeksen de convergentiestraal, en het middelpunt van de convergentiecirkel. 2 x 5 pt (a) (3 + i) n z n ; (b) n + n n n(z + 2i) n 2 n. Opgave 5 Gegeven is een constante 0 < a <. We beschouwen de 2π-periodieke functie f : R C die voor π < x π gedefinieerd is door f(x) = cos ax. 2 pt (a) Toon aan dat f continu is op R. (Hint: maak een schets van de grafiek van f.) 3 pt (b) Bereken de Fourier-coëfficiënten van f. Laat in het bijzonder zien dat er een constante C > 0 bestaat zo dat deze Fourier-coëfficiënten gegeven worden door (Ff) k = C ( )k a 2 k 2. Hint: schrijf cos ax als som van complexe e-machten. 2 pt (c) Bewijs dat de Fourier-reeks k Z F(f) k e ikx absoluut uniform convergent is op R. 3 pt (d) Bewijs dat C = k= ( ) k a 2 k 2. Formuleer expliciet de stelling(en) die je daarbij gebruikt. 2

Uitwerking, Tentamen Functies en Reeksen, 8 nov 204 Opgave (a) Met de gebruikelijke rekenregels volgt dat de functies h en f partieel diffferentieerbaar zijn en dat hun Jacobi-matrices gegeven worden door v u + 4v Dh(u, v) = 2(u v) 2(u v), 3u 2 0 en Df(x, y, z) = ( 2x z 2 sin y + cos z 2z cos y y sin z ). Met de gebruikelijke rekenregels zien we dat de optredende partiële afgeleiden continue functies zijn. Hieruit concluderen we met een stelling dat f en h totaal differentieerbaar zijn, en dat hun totale afgeleiden Df(x, y, z) : R 3 R en Dh(u, v) : R 2 R 3 gegeven worden door de hierboven bepaalde Jacobi matrices. (b) Uit de kettingregel volgt dat f h overal totaal differentieerbaar is. De totale afgeleide in (0, ) wordt gegeven door D(f h)(0, ) = Df(h(0, )) Dh(0, ) = Df(2,, 0) Dh(0, ). Wegens eens stelling is de functie f h daarom ook richtingsdifferentieerbaar in (0, ), terwijl voor iedere w R 2 geldt dat D w (f h)(0, ) = [D(f h)(0, )](w) = [Df(2,, 0) Dh(0, )](w) = Df(2,, 0)[Dh(0, )(w)] = Df(2,, 0)D w h(0, ). (c) Invullen in de in (a) gevonden formules levert 4 Dh(0, ) = 2 2 en Df(2,, 0) = (4 0). 0 0 Hieruit volgt wegens eens stelling dat ( 2 D w h(0, ) = Dh(0, ) ) = 2 6 0, en dus D w (f h)(0, ) = (4 0) (2 6 0) T = 4. 3

Opgave 2 (a) De functie ϕ is continu dus lokaal Riemann-integreerbaar op het interval. We splitsen het interval op als ]0, [ = ]0, ] [, [, (#) en onderzoeken de oneigenlijke Riemann-integreerbaarheid op beide stukken. Voor 0 < t geldt ϕ(t) t /2, terwijl de laatstgenoemde functie oneigenlijk integreerbaar is op ]0, ]. Met majorantie volgt dat ook ϕ dat is. Voor t < geldt dat ϕ(t) e t, terwijl de laatstgenoemde functie oneigenlijk integreerbaar is over [, [. Hieruit volgt dat ook ϕ dat is. We concluderen dat ϕ oneigenlijk integreerbaar is over beide deelintervallen in (#), dus over ]0, [. (b) We definiëren de functie f : R ]0, [ R door f(x, t) = cos(x t) e t dt. t Deze functie is continu, en er geldt voor alle (x, t) R ]0, [ dat f(x, t) ϕ(t), dus de gegeven integraal convergeert voor alle x R en de functie g is continu op R. (c) De functie f is partieel differentieerbaar naar de x-variabele, met partiële afgeleide gegeven door D f(x, t) = sin(x t) e t. Hieraan zien we dat D f continu is op R ]0, [. Voor alle (x, t) in de laatstgenoemde verzameling geldt dat D f(x, t) e t, terwijl t e t oneigenlijk Riemann-integreerbaar is op ]0, [. Hieruit volgt met een stelling dat de functie g differentieerbaar is. Voor de afgeleide geldt g (x) = D f(x, t) dt e t dt =. 0 0 Opgave 3 (a) Er geldt dat f k (x) = k 2 x + x 2 /k + x 2 /k 2. Hieruit volgt dat f k (x) /(/k 2 ) x voor k. De reeks k k 2 is convergent. Met behulp van het limietkenmerk concluderen we dat de reeks k f k(x) convergent is voor elke x R. 4

(b) Voor x R geldt dat f k (x) Hieruit concluderen we dat k x + x2 k 3 + x 2 k x + x2 x + x2 /k k 3 k 2 R + R2 k 2. f k [ R,R] R + R2 k 2. Aangezien de reeks k /k2 convergent is, concluderen we met het majorantiekenmerk dat de reeks k f k absoluut uniform, dus uniform, convergent is op [ R, R]. (c) Voor x 0 geldt f k (x) = Hieraan zien we dat f k R. kx + x2 k 3 + x 2 (x ). [Alternatief argument: er geldt dat f k (k 2 ) =, dus f k R.] Dus er geldt niet dat f k R 0 voor k. Hieruit volgt dat de reeks k f k niet uniform convergeert op R. (d) Zij x 0 R. Kies R > 0 zo dat x 0 < R. De reeks voor f convergeert uniform op [ R, R], en de functies f k zijn continu op R, dus f is continu op [ R, R]. Hieruit volgt dat f continu is in x 0. Aangezien x 0 een willekeurig punt van R is concluderen we dat f continu is op R. Opgave 4 (a) Schrijf a n = (3 + i) n /(n + ). Dan is a n+ a n = (3 + i) n + n + 2 = 0 + /n + 2/n 0 (n ). Hieruit concluderen we dat de convergentiestraal van de machtreeks gegeven wordt door ρ = / 0 = 0 0. Aangezien z n = (z 0) n, gaat het hier om een machtreeks rond nul. De convergentiecirkel heeft dus middelpunt 0. (b) Schrijf b n = n2 n. Dan geldt dat b n+ b n = n + 2n = + /n 2 2 (n ). Hieruit volgt dat de convergentiestraal van de machtreeks gelijk is aan /(/2) = 2. Aangezien (z + 2i) n = (z ( 2i)) n, gaat het hier om een machtreeks rond 2i. Het middelpunt van de convergentiecirkel is dus 2i (= (0, 2) ). 5

Opgave 5 (a) Wegens de 2π-periodiciteit van f en de evidente continuïteit van f op ] π, π[ hoeven we alleen de continuïteit van f in π aan te tonen. Door de schets van de grafiek realiseren we ons dat de functie x cos ax een grafiek heeft die symmetrisch is ten aanzien van y-as. In formule: f( x) = cos(a( x)) = cos( ax) = cos(ax) = f(x) voor alle x ] π, π[. Er geldt daarom dat lim x π f(x) = lim x π f( x) = lim f(x) = f(π). x π Met de 2π-periodiciteit van f volgt nu dat f continu is in π. Het precieze argument is: dus f is continu in π. lim f(x) = lim f(x + 2π) = lim f(x) = f(π) = lim f(x), x π x π x π x π (b) De k-de Fourier-coëfficiënt van f wordt gegeven door c k = (Ff) k = 2π π π f(x) e ikx dx. We merken op dat f(x) = (e iax + e iax )/2 en berekenen eerst π e iax e ikx dx = e i(a k)x π 2π π 2π i(a k) = ( )k e iaπ e iaπ 2π i(a k) Op soortgelijke manier vinden we π = ( )k π sin(aπ) (a k) 2π π π Door middelen vinden we c k = ( )k 2π e iax e ikx dx = ( )k π sin(aπ) Hieruit blijkt de in de opgave gegeven formule, met sin( aπ) ( a k) = ( )k sin(aπ) π (a + k). ( a k + ) = ( )k a + k 2π sin(aπ) 2a a 2 k. 2 C = a sin(aπ). π (c) Er geldt dat lim c k /(/k 2 k 2 ) = C lim k k k 2 a =. 2 Met het limietkenmerk volgt hieruit dat de reeks k Z c k convergeert. Hieruit volgt dat f continu is, terwijl zijn Fourier-reeks absoluut uniform, dus uniform, convergeert op R. 6

(d) De functie f is continu, en zijn Fourier-reeks convergeert uniform. Met een stelling concluderen we hieruit dat f gelijk is aan de som van zijn Fourier-reeks. In het bijzonder geldt in het punt x = 0 dat = f(0) = k= C ( )k a 2 k 2. De gevraagde formule in (c) volgt door beide leden met C te vermenigvuldigen. Terzijde: substitutie van de gevonden uitdrukking voor C levert de interessante formule voor elke 0 < a <. π a sin(aπ) = k= ( ) k a 2 k 2, 7

8