Vectoranalyse voor TG

Vergelijkbare documenten
Vectoranalyse voor TG

Vectoranalyse voor TG

Math D2 Gauss (Wiskunde leerlijn TOM) Deelnemende Modules: /FMHT/ / A. Oefententamen #1 Uitwerking.

Vectoranalyse voor TG

Vectoranalyse voor TG

Topologie in R n 10.1

Vectoranalyse voor TG

Vectoranalyse voor TG

Math D2 Gauss (Wiskunde leerlijn TOM) Deelnemende Modules: /FMHT/ / A. Oefententamen #2 Uitwerking

WI1708TH Analyse 3. College 5 23 februari Challenge the future

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Tussentoets Analyse 2. Natuur- en sterrenkunde.

WI1708TH Analyse 3. College 2 12 februari Challenge the future

Faculteit Wiskunde en Informatica VECTORANALYSE

Ruimtewiskunde. college 3 Lijnen, vlakken en oppervlakken in de ruimte. Vandaag

Faculteit Wiskunde en Informatica VECTORANALYSE

Ruimtewiskunde. college. Het inwendig- en het uitwendig product. Vandaag. Hoeken Orthogonaliteit en projecties. Toepassing: magnetische velden

Hertentamen WISN102 Wiskundige Technieken 2 Di 17 april 13:30 16:30

Vectormeetkunde in R 3

Mathematical Modelling

Faculteit Wiskunde en Informatica VECTORANALYSE

Vectoranalyse voor TG

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

Tentamen WISN102 Wiskundige Technieken 2 Ma 26 jan :30 16:30

Oefenzitting 2: Parametrisaties.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

(10 pnt) Bepaal alle punten waar deze functie een relatief extreem of een zadelpunt heeft. Opgave 3. Zij D het gebied gegeven door

Mathematical Modelling

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 30 juni 2011 van 14u00-17u00

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

1. Langere vraag over de theorie

Tentamen Vectorcalculus voor N (2DN06), dinsdag 24 januari 2006, uur.

Studiewijzer Vectorcalculus voor TN 2DN /13 Semester A kwartiel 2

x a k of.x 1 a 1 / 2 + ::+.x n a n / 2 k 2 bol om a, straal k

TW2040: Complexe Functietheorie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

TW2040: Complexe Functietheorie

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

10.0 Voorkennis. y = -4x + 8 is de vergelijking van een lijn. Hier wordt y uitgedrukt in x.

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Wiskunde voor relativiteitstheorie

TENTAMEN INFINITESIMAALREKENING 1C

Wiskunde voor relativiteitstheorie

Huiswerk Hints&Tips Analyse 2, College 26

34 HOOFDSTUK 1. EERSTE ORDE DIFFERENTIAALVERGELIJKINGEN

Lineaire Algebra voor ST

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 5 juli 2012 van 14u00-17u00

Aanvullingen van de Wiskunde / Partiële Differentiaalvergelijkingen

Tentamen WISN102 Wiskundige Technieken 2 Do 1 feb :00 12:00

Krommen in de ruimte

12.0 Voorkennis. Voorbeeld 1: Los de vergelijking sin(a) = 0 op. We zoeken nu de punten op de eenheidscirkel met y-coördinaat 0.

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.

Formule afleiding opgaven bij de cursus Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

Deeltoets II E&M & juni 2016 Velden en elektromagnetisme

8.0 Voorkennis. Voorbeeld 1: Bereken het snijpunt van 3x + 2y = 6 en -2x + y = 3

Tentamen Fysica in de Fysiologie (8N070) deel AB herkansing, blad 1/5

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Vectoranalyse voor TG

Voortgezette Analyse. H.A.W.M. Kneppers. april 2017

Analyse I. 1ste Bachelor Ingenieurswetenschappen Academiejaar ste semester 12 januari 2010

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

ICT - Cycloïden en andere bewegingen

Examen Complexe Analyse (September 2008)

Opgaven voor Tensoren en Toepassingen. 1 Metrieken en transformatiegedrag

Lineaire Algebra voor ST

Aanvullingen van de Wiskunde

wiskunde B vwo 2016-I

14.0 Voorkennis. sin sin sin. Sinusregel: In elke ABC geldt de sinusregel:

wiskunde B vwo 2018-I

TW2040: Complexe Functietheorie

Tussentijdse evaluatie Analyse I

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

5.8. De Bessel differentiaalvergelijking. Een differentiaalvergelijking van de vorm

Analyse I. f(x)dx + f(x)dx =

Tussentijdse evaluatie Analyse I

6. Toon aan dat voor alle 2]0; ß [ geldt dat sin <<tan Onderstel dat de functie f afleidbaar in ]a; +1[ is en dat Toon aan dat!+1 f ) = A.!+1 f

DE AFWIKKELING VAN EEN AFGEKNOTTE KEGEL

Antwoordmodel VWO wb I. Verschuivend zwaartepunt. Maximumscore 3 3 = 1. d T = ,2 (cm) Maximumscore 4. Dus d T = = Maximumscore 4

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

Opgaven bij de cursus Relativiteitstheorie wiskunde voorkennis Najaar 2018 Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Functietheorie (2Y480) op 23 januari 2002,

Proeftoets 3 Calculus 1 voor MST, 4051CALC1Y dinsdag 31 oktober (Leids) studentnummer: A (Keijzer) / B (Kooij) / C (Weber) / D (van den Dries)

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

2 Vraagstuk Dynamicaboek (Kermisattractie)

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

Eerste orde partiële differentiaalvergelijkingen

Analyse I. 3. Formuleer en bewijs de formule van Taylor voor een functie f : R R. Stel de formules op voor de resttermen van Lagrange en Liouville.

1e bachelor ingenieurswetenschappen Modeloplossing examen oefeningen analyse I, januari y = u sin(vt) dt. wordt voorgesteld door de matrix

Examen VWO. wiskunde B. tijdvak 1 woensdag 18 mei 13:30-16:30 uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

1 Vlaamse Wiskunde Olympiade : tweede ronde

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

Examen VWO. wiskunde B. tijdvak 1 woensdag 18 mei 13:30-16:30 uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Analyse I. 1ste Bachelor Ingenieurswetenschappen Academiejaar ste semester 31 januari 2006

Hoofdstuk 27 Magnetisme. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

Transcriptie:

college 11 collegejaar college build slides Vandaag : : : : 17-18 11 23 oktober 2017 35 De sterrennacht Vincent van Gogh, 1889 1 2 3 4 5 Verband met de stelling van n 1 VA intro

ection 16.7 Definitie Equation (3) tel F (M, N, P) is een vectorveld op R 3, en stel dat alle partiële afgeleiden van M, N en P bestaan. De rotatie van F is gedefinieerd als ( P curl F y N z, M z P x, N x M ) y De rotatie is een vectorveld op R 3. De rotatie kan met behulp van de -operator en het uitwendig product handig worden berekend: x y z x y F M N P M N 2 1.1 VA telling Voor ieder vectorveld F op R 3 geldt curl F F. De rotatie kan ook met een determinant worden berekend: i j k curl F x y z M N P 3 1.2 VA

Voorbeeld Bereken de rotatie van F(x, y, z) ( xz, xyz, y 2). curl F F x y z xz xyz y 2 x xz ( 2y xy, x 0, yz 0 ) ( y(x + 2), x, yz ). y xyz 4 1.3 VA Booglengte en hoeksnelheid y ϕr ϕ x r r P y t 2 sec ωr 2 ω ωr 1 ω r 1 r 2 t 1 sec x Definitie De lengte van een boog met straal r en hoek ϕ gemeten in radialen, is ϕr. De hoeksnelheid van een punt dat om P draait is de hoek die per tijdseenheid wordt gedraaid. Een punt dat op afstand r van P met constante snelheid om P draait legt ωr meter af, en heeft dus snelheid ωr. 5 1.4 VA

De hoeksnelheid in R 3 tel l is een lijn door de oorsprong, en x draait met hoeksnelheid ω om l. Definieer de vector ω als de vector met lengte ω in de richting van l, waarbij de richting van ω wordt bepaald door de rechterhand regel. De snelheidsvector v staat loodrecht op de vlak door O, M en x, dus v x en v ω. O ω M α l v r x x Voor de snelheid v geldt v v ωr ω x sin α ω x sin α ω x. Voor de snelheidsvector v geldt v ω x 6 1.5 VA De rotatie van de hoeksnelheid l ω De hoeksnelheid is een vectorveld: v(x) ω x (ω x, ω y, ω z ) (x, y, z) (ω y z ω z y, ω z x ω x z, ω x y ω y x). Bereken de rotatie van v: x y z ω x ω y z ω z y ω z x ω x z ω x y ω y x dus curl v (ω x) (2ωx, 2ω y, 2ω z ) 2ω. 7 1.6 VA

De rotatie als hoeksnelheid ω v Een deeltje dat zich in een stromingsveld v bevindt zal naast een verplaatsing ook een draaiing ondergaan. De hoeksnelheid van deze draaiing is 1 2 curl v. 8 1.7 VA Laminaire stroming in een cilindrische buis x R z y Voor laminaire stroming door een cilinder met straal R geldt: de snelheid in x (x, y, z) is ( v(x) v max 1 r 2 ) R 2 e z. waarbij r x 2 + y 2 de afstand is van x tot de cilinder-as, en v max de snelheid op de cilinder-as is. In haakjes-notatie geeft dit ( ) v(x) v max 0, 0, 1 x2 R 2 y2 R 2. 9 1.8 VA

Laminaire stroming in een cilindrische buis y x ω y z x z De rotatie van v is curl v v max ( 2y R 2, 2x R 2, 0 ) K ( y, x, 0 ). met K 2v max /R 2. De draaiings-assen raken aan cirkels evenwijdig aan het xy-vlak met middelpunt op de z-as. De hoeksnelheid is 1 2 curl v 1 2 Kr. 10 1.9 VA ection 16.7 telling Theorem 6 Het oppervlak is georiënteerd en stuksgewijs glad. De rand van is een georiënteerde, enkelvoudige, gesloten, stuksgewijs gladde kromme, waarvan de oriëntatie overeenstemt met die van volgens de rechterhandregel; Vectorveld F heeft continue partiële afgeleiden op een open omgeving van. Dan geldt F dr curl F n dσ. 11 2.1 VA

irculatie Zie ook college 9 Definitie Gegeven is een stroming v in R 3. tel is een georiënteerde, gesloten kromme. De circulatie door is de lijnintegraal van v door, dus v dr. n telling circulatiestelling tel is een klein georiënteerd oppervlak met normaal n, dan is de circulatie van het vectorveld F gelijk aan F dr (curl F n) opp(). 12 2.2 VA n 1 B n 2 2 D A 1 D Voor vlak 1 geldt: curl F n 1 opp( 1 ) F 1 dr. Voor 2 geldt: curl F n 2 opp( 2 ) F 2 dr. Lijnstuk AB wordt twee keer doorlopen, maar in tegengestelde richting, dus F 2 dr + F 2 dr F ( 1 dr. 2 ) Dus curl F n 1 opp( 1 )+curl F n 2 opp( 2 ) F dr. ( 1 2 ) 13 2.3 VA

n k k Door herhaald toepassen krijg je een Riemann som curl F n k opp( k ) F dr. k Maak de oppervlakjes k kleiner en kleiner. Door limiet opp( k ) 0 te nemen volgt de stelling van : curl F n dσ F dr. 14 2.4 VA Voorbeeld ection 16.7, example 2 Gegeven is het vectorveld F (y, x, 0).Verifieer de stelling van voor het oppervlak : x 2 + y 2 + z 2 9, z 0. Kies de oriëntatie van is linksom (van boven gezien). Parametrisering van : r(θ) (3 cos θ, 3 sin θ, 0) met 0 θ 2π. r (θ) ( 3 sin θ, 3 cos θ, 0) F ( r(θ) ) (3 sin θ, 3 cos θ, 0) F ( r(θ) ) r (θ) 9 sin 2 θ 9 cos 2 θ 9. 2π F dr F ( r(θ) ) r (θ) dθ 0 2π 9 dθ 18π. 0 15 2.5 VA

Voorbeeld (vervolg) curl F(x, y, z) (0, 0, 2) 2k. In Thomas wordt de oppervlakteintegraal met behulp van de impliciete vorm berekend. Dit voorbeeld wordt berekend met een expliciete parametrisering. Parametrisering van : r(ϕ, θ) (3 sin ϕ cos θ, 3 sin ϕ sin θ, 3 cos ϕ) met 0 ϕ π/2 en 0 θ 2π. r ϕ 3(cos ϕ cos θ, cos ϕ sin θ, sin ϕ). r θ 3( sin ϕ sin θ, sin ϕ cos θ, 0). r ϕ r θ 9 sin ϕ(sin ϕ cos θ, sin ϕ sin θ, cos ϕ). Als 0 ϕ π/2 dan cos ϕ 0, dus r ϕ r θ wijst naar boven. curl F ( r(ϕ, θ) ) (r ϕ r θ ) 18 sin ϕ cos ϕ 9 sin(2ϕ). curl F n dσ 2π π/2 0 0 9 sin(2ϕ) dϕ dθ 18π. 16 2.6 VA Voorbeeld De kromme is de snijfiguur van de cilinder x 2 + y 2 1 en het vlak y + z 2. Bereken F dr waarbij F(x, y, z) ( y 2, x, z 2). De oriëntatie van is linksom (van boven gezien). curl F(x, y, z) (0, 0, 1 + 2y). met {(x, y, z) x 2 + y 2 1, y + z 2}. Parametrisering van : r(x, y) (x, y, 2 y) met (x, y) R {(x, y) x 2 + y 2 1}. r x (1, 0, 0) en r y (0, 1, 1). r x r y (0, 1, 1). Deze vector is naar boven gericht en klopt met de oriëntatie van. 17 2.7 VA

Voorbeeld (vervolg) F dr R curl F n dσ (0, 0, 1 + 2y) (0, 1, 1) dx dy R 2π 1 0 2π 0 2π 1 0 1 + 2y dx dy 0 (1 + 2r sin θ)r dr dθ [ 1 2 r 2 + 2 3 r 3 sin θ ] 1 0 dθ 2 + 2 3 sin θ dθ 1 2 θ 2 3 cos θ 2π 0 1 2 2π 2 ( ) 3 cos(2π) cos(0) π. 18 2.8 VA Voorbeeld Het oppervlak is het gedeelte van de bol x 2 + y 2 + z 2 4 dat binnen de cilinder x 2 + y 2 1 en boven het xy-vlak ligt. Bereken curl F n dσ waarbij F(x, y, z) (xz, yz, xy). Hierbij is de oriëntatie van de rand van linksom (van boven gezien). 19 2.9 VA

Voorbeeld (vervolg) Parametriseer de rand van : r(t) (cos t, sin t, 3). r (t) ( sin t, cos t, 0). F ( r(t) ) ( 3 cos t, 3 sin t, cos t sin t). curl F n dσ F dr 2π 0 2π 0 2π 0 F ( r(t) ) r (t) dt 3 cos t sin t + 3 sin t cos t dt 0 dt 0. 20 2.10 VA ecion 16.4 telling Theorem 5 R R 2 is een enkelvoudig samenhangend gebied, met rand. is een enkelvoudige gesloten, stuksgewijs gladde, positief georiënteerde kromme. M en N zijn functies waarvan de partiële afgeleiden bestaan en continu zijn op een open gebied dat R omvat. Dan geldt M dx + N dy Als F (M, N ) dan R N x M y da. M dx + N dy F dr. 21 3.1 VA

Beschouw R als een oppervlak in R 3 : {(x, y, 0) (x, y) R} R. Definieer F(x, y, z) (M (x, y), N (x, y), 0). Als wordt geparametriseerd met de vectorfunctie r(t) ( x(t), y(t) ) met a t b dan is een parametrisering van als kromme in het xy-vlak: ( x(t), y(t), 0 ). F ( r(t) ) r (t)m ( x(t), y(t) ) x (t)+n ( x(t), y(t) ) y (t). 22 3.2 VA ( 0 volgt curl F 0, 0, N x M ). y Parametriseer R: r(x, y) (x, y, 0). Uit M z N z Er geldt r x r y (1, 0, 0) (0, 1, 0) (0, 0, 1). Daarmee M dx + N dy b M ( x(t), y(t) ) x (t) dt + N ( x(t), y(t) ) y (t) dt a F dr curl F n dσ R ( 0, 0, N x M ) y (0, 0, 1) da R R N x M y da. 23 3.3 VA

De rotatie van grad f telling ection 16.7, equation (8) tel f is een functie van drie variabelen waarvan de tweede-orde partiële afgeleiden bestaan en continu zijn. Dan geldt curl(grad f ) 0. Gevolg curl(grad f ) x f x ( 2 f yz 2 f zy, y f y z f z 2 f zx 2 f xz, x f x y f y 2 f zy 2 f yx (0, 0, 0). ection 14.3, mixed derivative theorem Als F conservatief is, dan is curl F 0. ) 24 4.1 VA en conservatieve Voorbeeld Toon aan dat het vectorveld F(x, y, z) ( xz, xyz, y 2) niet conservatief is. Definitie Zie voorbeeld op slide 4: curl F ( y(2 + x), x, yz). Gebruik de stelling van slide 24: curl F 0, dus F is niet conservatief. Een vectorveld F in R 3 heet rotatievrij als curl F(x) 0 voor alle x R 3. Het vectorveld F van het bovenstaande voorbeeld is niet rotatievrij. 25 4.2 VA

telling ection 16.7, theorem 7 tel F is een vectorveld gedefinieerd op een open, enkelvoudig samenhangend gebied D, en stel F is rotatievrij. Als de partiële afgeleiden van de componenten van F continu zijn, dan is F conservatief. Bewijs tel zowel 1 als 2 is een pad van P naar Q in D. F 1 dr F 2 dr F dr curl F n dσ 0 n dσ 0. Dus lijnintegralen in D zijn pad-onafhankelijk. 26 4.3 VA en conservatieve Voorbeeld Toon aan dat F(x, y, z) ( y 2 z 3, 2xyz 3, 3xy 2 z 2) conservatief is. curl F F x y z y 2 z 3 2xyz 3 3xy 2 z 2 x y y 2 z 3 2xyz 3 ( 6xyz 2 6xyz 2, 3y 2 z 2 3y 2 z 2, 2yz 3 2yz 3) 0. Een potentiaal van F is f (x, y, z) xy 2 z 3 : f x (x, y, z) y 2 z 3, f y (x, y, z) 2xyz 3, f z (x, y, z) 3xy 2 z 2. 27 4.4 VA

De componententest Zie ook college 8 telling ection 16.3, blz. 943, eq, (2) tel F (M, N, P) is een vectorveld op R 3 en stel dat van M, N en P de tweede-orde partiële afgeleiden bestaan en continu zijn. Dan is F conservatief dan en slechts dan als P y N z, M z P x en N x M y. Voor het vectorveld F ( y 2 z 3, 2xyz 3, 3xy 2 z 2) geldt M y 2 z 3 N 2xyz 3 en P 3xy 2 z 2. Vectorveld F is conservatief want en P y 6xyz2 N z, N x 2yz3 M y. M z 3y2 z 2 P x 28 4.5 VA n telling Voor een enkelvoudig gesloten oppervlak geldt curl F n dσ 0. tel het gesloten oppervlak is verdeeld in twee delen 1 en 2, met gemeenschappelijke rand. Het normaalveld n is naar buiten gericht. curl F n dσ F dr F dr 0. 1 curl F n dσ + 2 curl F n dσ 29 5.1 VA

n Gevolg Voor twee een enkelvoudige n 1 en 2 met gemeenschappelijke rand en identieke oriëntatie geldt curl F 1 n dσ curl F 2 n dσ. curl F 1 n dσ F dr curl F 2 n dσ. 30 5.2 VA n Voorbeeld Gegeven is het vectorveld F(x, y, z) ( y, x, xyz 2 ). Het oppervlak is een piramide bestaande uit drie driehoeken D 1, D 2 en D 3. De oriëntatie van E is naar boven gericht. Bereken curl F n dσ. De rand van bestaat uit de driehoek met hoekpunten (0, 0, 0), (1, 0, 0) en (0, 1, 0). 31 5.3 VA

Voorbeeld (vervolg) Het oppervlak bestaat uit drie delen: curl F n dσ + + D 1 D 2 D 3 De rand van bestaat uit drie lijnstukken: F dr + + 1 2 3 De rand van is ook de rand van de driehoek D 0 met hoekpunten (0, 0, 0), (1, 0, 0) en (0, 1, 0). curl F n dσ curl F D 0 n dσ 32 5.4 VA Voorbeeld (vervolg) De normaal op D 0 is n (0, 0, 1). F(x, y, z) ( y, x, xyz 2 ). curl F(x, y, z) (,, x (x) y ( y)) (,, 2). Dus curl F(x, y, z) n 2. curl F n dσ curl F D 0 n dσ 2 dσ 2 opp(d 0 ) 2 1 2 1. D 0 33 5.5 VA

: de wet van Faraday Inductiewet van Faraday Een veranderend magneetveld wekt een elektrisch veld op. - Michael Faraday, 1831 B Voor ieder georiënteerd oppervlak met rand geldt E dr d d t B n dσ. - James lerk Maxwell 34 6.1 VA : de wet van Faraday Gebruik de stelling van : d B n dσ E dr d t curl E n dσ. Als niet afhangt van de tijd geldt: d B n dσ B n dσ d t t Dus ( curl E + B ) t n dσ 0. Dit geldt voor ieder oppervlak R 3, dus curl E B t. 35 6.2 VA