Tentamen Modellen en Simulatie (WISB134)

Vergelijkbare documenten
Tentamen Modellen en Simulatie (WISB134)

Tentamen Modellen en Simulatie (WISB134)

Tentamen Modellen en Simulatie (WISB134)

Modellen en Simulatie Recursies

Modellen en Simulatie Lesliematrices Markovketens

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Tentamen Modellen en Simulatie (WISB134)

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

Tentamen Numerieke Wiskunde (WISB251)

WISB134 Modellen & Simulatie. Lecture 8 - Niet-lineaire recursies in meerdere dimensies

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C110 9 April uur

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Oefeningentoets Differentiaalvergelijkingen, deel 1 dinsdag 6 november 2018 in lokaal 200M van 16:00 tot 18:00u

Tentamen Functies en Reeksen

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C Juni uur

Tentamen Simulaties van Biochemische Systemen - 8C110 en 8CB19 4 Juli uur

Differentiaalvergelijkingen Technische Universiteit Delft

WISB134 Modellen & Simulatie. Lecture 5 - Scalaire recursies (deel 2)

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

maplev 2010/9/8 17:01 page 349 #351

Tentamen Lineaire Algebra

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

1. (a) De methode die in deze opgave wordt gebruikt is als volgt gedefinieerd

Modellen en Simulatie Populatiegroei

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C110 3 juli uur

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

Tentamen Numerieke Wiskunde (WISB251)

Modellen en Simulatie Recursies

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

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Geef niet alleen antwoorden, maar bewijs al je beweringen.

Complexe eigenwaarden

Tentamen lineaire algebra voor BWI maandag 15 december 2008, uur.

168 HOOFDSTUK 5. REEKSONTWIKKELINGEN

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

WISB134 Modellen & Simulatie. Lecture 11 - Dynamica van lineaire differentiaalvergelijkingen in twee dimensies

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Faculteit Wiskunde en Informatica

Modellen en Simulatie Stelsels Dvg

HERTENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Modellen en Simulatie Stelsels Dvg

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

Tentamen Inleiding Kansrekening 9 juni 2016, 10:00 13:00 Docent: Prof. dr. F. den Hollander

1 Eigenwaarden en eigenvectoren

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C110 8 April uur

Combinatoriek groep 1 & 2: Recursie

Hoofdstuk 7: Stelsels eerste orde lineaire differentiaalvergelijkingen

7. Hamiltoniaanse systemen

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Tentamen Quantum Mechanica 2

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

Modellen en Simulatie Differentiaalvergelijkingen. Modellen en Simulatie. sleij101/ Program.

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C April uur

HERTENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

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

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

Stelsels differentiaalvergelijkingen

Tentamen Lineaire Algebra voor BMT en TIW (2DM20) op vrijdag 11 mei 2007, 9:00 12:00 uur.

WISB134 Modellen & Simulatie. Lecture 4 - Scalaire recursies

Eerste deeltentamen Lineaire Algebra A. De opgaven

Uitwerkingen tentamen lineaire algebra 2 13 januari 2017, 10:00 13:00

Tentamen lineaire algebra 2 18 januari 2019, 10:00 13:00 Uitwerkingen (schets)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Lineaire Algebra voor ST

FACULTEIT ECONOMIE EN BEDRIJFSKUNDE Afdeling Kwantitatieve Economie

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

1. Gegeven een Lineair Stationair Systeem in continue-tijd. Als aan het systeem het ingangssignaal

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking van het tentamen Inleiding Signalen (2Y490) op 15 augustus 2003

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Examen G0O17D Wiskunde II (6sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-12:30 uur

Tentamen Inleiding Meten en Modelleren Vakcode 8C120 7 april 2010, uur. Het gebruik van een (grafische) rekenmachine is toegestaan.

Tentamen Differentiaalvergelijkingen, (wi1 909TH) woensdag 12 april 2017, uur.

Notatie Voor een functie y = y(t) schrijven we. Definitie Een differentiaalvergelijking is een vergelijking van de vorm

Examen havo wiskunde B 2016-I (oefenexamen)

VU University Amsterdam 2018, Maart 27

Hoofdstuk 10: Partiële differentiaalvergelijkingen en Fourierreeksen

Aanvullingen van de Wiskunde

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Faculteit Wiskunde en Informatica

Tentamen Voortgezette Kansrekening (WB006C)

Voorblad bij Tentamen

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

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

Tentamen Lineaire Algebra B

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

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

Toets 3 Calculus 1 voor MST, 4051CALC1Y dinsdag 31 oktober 2017, 13:30 16:30 uur

extra sommen bij Numerieke lineaire algebra

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

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Wiskunde y en Theoretische Biologie, 12 april Naam: Collegekaartnummer: Vraag 1

w (n). w n+1 = w n+1 = w n + hf(w n ), w n+1 = w n + hf(w n+1 ), 1195w (n) [ ( 2) ( 2) =

Voorblad bij Tentamen

Inleiding Wiskundige Systeemtheorie

WI1708TH Analyse 2. College 5 24 november Challenge the future

Tentamen Inleiding Kansrekening 11 augustus 2011, uur

Transcriptie:

Tentamen Modellen en Simulatie (WISB4) Vrijdag, 7 april 5, :-6:, Educatorium Gamma Zaal Schrijf op elk vel dat je inlevert je naam en op het eerste vel je studentnummer en het totaal aantal ingeleverde vellen. Motiveer bij elke opgave duidelijk je antwoorden. Gebruik gerust resultaten uit voorgaande onderdelen ook als je geen bewijs hebt. Het dictaat, kopieën van de transparanten en een eenvoudige rekenmachine mag gebruikt worden, uitwerkingen van opgaven, grafische rekenmachines mogen niet gebruikt worden. Uitwerking. In kleine type-fonts letters. Puntentelling. Maximum te behalen punten per onderdeel staat in de kantlijn. Cijfer is het aantal behaalde punten gedeeld door. Opgave. De haringstand in de Noordzee is vanaf de jaren 7 tot midden jaren 9 van de vorige eeuw zeer onder niveau geweest, maar is daarna weer bijgetrokken. Er waren laatst alleen wat zorgen over het aantal jonge haringen. Een verklaring werd gezocht in het feit dat haringen haringlarven eten als die onvoldoende schuilplekken kunnen vinden. Zij x n het aantal haringlarven en y n het aantal haringen in jaar n (gemeten op het eind van de lente). We beschouwen het volgende model x n+ = ay n, y n+ = by n + cx n dx n y n. Hierin zijn a, b, c, d bekende positieve constanten. Verder is b <. a) Interpreteer de termen by n en dx n y n. Oplossing. De term by n modelleert het aantal haringen in jaar n dat in het daaropvolgend jaar nog in leven is. Dit deel is evenredig met y n en minder dan y n, b is de evenredigheidsconstant en b [, ). (c dy n)x n is het deel van de larven in jaar n dat in jaar n + uitgroeit tot haring. Dit deel is evenredig met x n met evenredigheidsconstante c dy n. Deze constante neemt lineair af bij groeiend aantal haringen: dy nx n modelleert de vraat van larven door volwassen haringen. Deze term is evenredig met het het aantal larven (naarmate er meer larven zijn zijn ze gemakkelijker te vinden) en met het aantal haringen (naarmate er meer haringen zijn worden er meer larven gegeten). De beschikbaarheid van de schuilplekken zit in de constante d. We veronderstellen verder dat a = en d =. b) Bereken de evenwichten. Oplossing. Stel x n = α en y n = β voor alle n. Dan α = x n+ = y n = β en β = bβ + cα αβ = (b + c β)β. Dus I) α = β = of II) α = β = b + c. Dit tweede evenwicht is alleen biologisch relevant als b + c. c) Bepaal de Jacobiaan matrix van[ de functie F ]: R [ R die] de recursie beschrijft. [ ] Oplossing. Jacobi matrix in (α, β):. Dus in geval I en c β b α c b b c in geval II d) Bepaal de stabiliteit van de evenwichten (hoe hangt dat af van b en c?).

4 Oplossing. De eigenwaarden λ i in evenwicht (, ) (geval I) voldoen aan φ(λ) λ(λ b) = c. Stabiel als > b + c. Hierbij hebben we gebruikt dat c en dus heeft de vergelijking twee reële wortels λ en λ die tussen en + liggen als φ(+) > c en φ( ) > c. Omdat φ( ) = + b en b impliceert φ() = b > c dat φ( ) > c. De eigenwaarden λ i in (b + c, b + c ) (geval II) voldoen aan φ(λ) λ(λ + c) = b. Stabiel als b + c > > c b. Hierbij hebben we gebruikt dat b en dus heeft de vergelijking twee reële wortels λ en λ die tussen en + liggen als φ(+) > b en φ( ) > b. Opgave. Een onderzoeksbureau heeft een eenvoudig economisch model gemaakt met gebruik van Amerikaanse werkloosheidscijfers van de e eeuw. Het model gaat er van uit dat de economie in jaar n in één van drie mogelijke toestanden verkeert: () normale groei, () lichte recessie, () zware recessie. Uit de data zijn de volgende trends te herkennen: Na een jaar van normale groei, volgt er weer een jaar met normale groei in 9 op de jaren, en anders een jaar van lichte recessie. Na een jaar van lichte recessie, volgt er: een jaar van normale groei in op de jaren, een zware recessie in op de jaren, en anders weer lichte recessie. Na een jaar van zware recessie blijft de economie in 5 op de jaren in recessie, en anders herstelt het zich naar lichte recessie. a) Stel een Markovketen met kansmatrix (transitiematrix) P op, die dit model beschrijft, en teken de graaf van P. Als het je niet lukt om de matrix op te stellen, ga verder met de volgende matrix: P = 7 8 4 6 4 Oplossing. Element P ij van P geeft de kans aan dat er na een jaar van economisch toestand j een jaar van economisch toestand i volgt, for i, j =,,. Uit de beschrijving volgt de volgende kansmatrix: met bijbehorende graaf: 7/ / 9/ / / 5/ P = 5/ 9 7 b) Maak gebruik van de graaf om te bepalen in hoeverre de stelling van Perron-Frobenius van toepassing is op P. Toon aan dat het model een stabiel evenwicht heeft. Als een Amerikaanse president twee keer gekozen wordt, en dus 8 jaar in het Witte Huis blijft, hoeveel jaren van economisch normale groei kan die gemiddeld verwachten?

Oplossing. De matrix is niet-negatief. De graaf is (i) irreducibel omdat er een pad bestaat van elke knoop naar elke andere knoop, en (ii) a-periodiek omdat een cyclus van lengte één voorkomt. De stelling van Perron-Frobenius is dus volledig van kracht. De stelling zegt dat er een reële, positieve, dominante eigenwaarde λ is met bibehorende, reële niet-negatieve eigenvector p. Omdat P een kansmatrix is, is λ =. Op den duur convergeert de recursie p n+ = P p n naar de stationaire p = (p, p, p ) T die voldoet aan P p = p. De eerste een laatste rijen leveren de vergelijkingen 9 p + p = p p = p p + 5 p = p p = 5p Hieruit volgt dat p = c(, 5, ) T voor een constante c. Als p een kansvector is, is p = (/6, 5/6, /6) T. Gemiddeld is er normal groei in /6 = 5/8, of 5 van de 8 jaren. c) Als er in een verkiezingsjaar zware recessie is, wordt er meestal een nieuwe president gekozen. Wat is de kans dat er jaar later, wanneer de campagnes opnieuw beginnen, normale groei is? Oplossing. Kies p = e. De kansen op ieder toestand in jaar worden gegeven door p = P p. De kans op normale groei na drie jaar is dus e T p = e T P e. Dit is makkelijk te berekenen door met de eenheidsvectoren van links en rechts te vermenigvuldigen dus een % kans. e T P P P e = ( 9,, ) P (,, )T = ( 9,, ) (, 6, )T =, d) Leg uit hoe je het antwoord op de volgende vraag kan berekenen (maar je hoeft de berekening dus niet uit te voeren): Hoe lang duurt het gemiddeld na een zware recessie, voordat er voor het eerst weer normale groei is? Oplossing. Om te bepalen wanneer dit voor het eerst gebeurt, stellen we de defectieve kansmatrix op (die weergeeft dat er bij de telling geen vervolg op Toestand is) 6 P = De gemiddelde tijd tussen transities wordt gegeven door n P n = P (I P ). n= Dan is de gemiddelde tijd na een zware recessie, voordat er weer normale groei gegeven door ( e T n= n P n = P (I P ) ) e Opgave. Wij spreken van een harmonische oscillatie als een systeem stabiel lineair oscillerend gedrag toont. Een eenvoudig model van harmonische oscillatie is x = y y = ω x () a) Bepaal het evenwicht en de eigenwaarden van de Jacobiaan bij het evenwicht. Wat kun je concluderen over de stabiliteit van het evenwicht aan de hand van de eigenwaarden?

Oplossing. Voor het evenwicht geldt x = y = en y = ω x =. Het enige evenwicht is dus x = y =. De Jacobiaan is [ ] ω. De eigenwaarden zijn λ, = ±iω. Wij nemen aan dat ω >. Dus het evenwicht is een centrumpunt. Het is stabiel in de zin van Lyapunov, maar niet asymptotisch stabiel. Wij hanteren de volgende definitie van een stabiel evenwicht: Een evenwicht α : f(α) = van een differentiaalvergelijking z = f(z) is stabiel in de zin van Lyapunov als er voor elk ε > een δ > te vinden is, zodanig dat voor alle beginwaarden z() = z waarvoor geldt z α < δ, de oplossing voor voor alle t > voldoet aan z(t) α < ε. b) Beschouw de functie H(x, y) = ( ω x + y ). Gebruik de differentiaalvergelijking om te laten zien dat wanneer (x(t), y(t)) een oplossing is van (), de functie h(t) = H(x(t), y(t)) constant is (Hint: laat zien dat dh dt = als x(t) and y(t) voldoen aan de differentiaalvergelijkingen). Hoe zien de functies H(x, y) = constante in de (x, y)-vlak eruit? Beargumenteer aan de hand hiervan dat het evenwicht stabiel is volgens de bovenstaande definitie. Oplossing. We berekenen de afgeleide van h: dh dt = H dx x dt + H dy = ωx(y) + y( ωx) =. y dt De functies H(x, y) = c = constante, (c > ) zijn ellipsen met H(x, ) = ± c en H(, y) = ±c. De ω oplossing (x(t), y(t)) blijft op de ellipse behorend bij een zekere waarde van c. Door c te kiezen zodanig dat ε = max{c, c/ω} en δ = min{c, c/ω}, zien we dat x = y = is stabiel volgens de definitie. c) Stel dat het model van harmonische oscillatie numeriek wordt opgelost met gebruik van de methode van Euler: x n+ = x n + τy n y n+ = y n τω x n Met gebruik van eigenwaarde analyse, onder welke restrictie aan de stapgrootte τ is het evenwicht van deze recursie stabiel? Oplossing. De Jacobiaan met karacteristieke vergelijking is [ ] τ DF =, λ λ + ( + τ ω ) =. τω Hieruit volgt dat λ = ± ( + τ ω ) = ± iτω, en λ > voor alle τ >. instabiel voor alle positieve stapgroottes. Het evenwicht is d) Stel dat het model van harmonische oscillatie numeriek wordt opgelost met gebruik van de trapeziumregel (iets anders opgeschreven): x n+ x n τ y n+ y n τ = y n+ + y n = ω ( xn+ + x n ) Laat zien dat voor deze methode geldt H(x n+, y n+ ) = H(x n, y n ) (Hint: door te schalen en van elkaar af te trekken, elimineer de termen aan de rechter kant van beide vergelijkingen). Wat kun je hieruit concluderen over de stabiliteit van het evenwicht en eventuele restrictie aan de stapgrootte τ bij de trapeziumregel? 4

Oplossing. Vermenigvuldig the eerste vergelijking met τω (x n+ + x n), de tweede vergelijking met τ(y n+ + y n), en tel bij elkaar op: ω (x n+ + x n)(x n+ x n) + (y n+ + y n)(y n+ y n) =. Hieruit volgt ω (x n+ x n) + (yn+ yn) = H(x n+, y n+) H(x n, y n) =. Dus de numerieke oplossing behoudt de ellipse onafhankelijk van τ en is onvoorwaardelijk stabiel. 5