Egzamin z Analizy 1, 29 VI 2009

1. Zadanie wstępne grupa A

Nr

Zadanie

Odp.

∂ 2 f

1.1

Obliczyć pochodną

( P ) jeżeli f ( x, y) = ex 2 y 2+ x+ y , P = ( − 1 , 1) 11 e

∂y 2

Rozwiązanie:

∂f = ex 2 y 2+ x+ y(2 x 2 y + 1)

∂y

∂ 2 f = ex 2 y 2+ x+ y(2 x 2 y + 1)2 + ex 2 y 2+ x+ y(2 x 2) = 11 e

∂y 2

1.2

OObliczyć gradient pola skalarnego f w punkcie P f = ln( x 2 y −z)+ y 2

[4 , 6 , − 1]

, P = (2 , 1 , 3)

Rozwiązanie:

h ∂ f

∂f

∂f i

h

2 xy

x 2

− 1

i

grad f =

,

,

=

,

+ 2 y ,

=

∂x

∂y

∂z

x 2 y − z

x 2 y − z

x 2 y − z

[4 , 6 , − 1]

1  2 y



Z

Z

2

1.3

Obliczyć całkę iterowaną



(2 x − y) d x d y

3

0

y

Rozwiązanie:

1  2 y



1

1

Z

Z

Z

Z

h

i2 y

h 2

2

x 2 − xy

y 3i1



(2 x − y) d x d y =

d y =

2 y 2 d y =

=

y

3

0

3

0

y

0

0

Z

1.4

Obliczyć całkę krzywoliniową skierowaną

xy 2 d x + x d y C : x =

2

C

1

t 2 , y =

od t = 1 do t = 2

t

Rozwiązanie:

2

2

Z

Z

Z

1

− 1

h

i2

y d x+ x d y =

t 2 ·

· 2 t d t+ t 2 ·

d t =

(2 t− 1) d t = t 2 −t

= 2

t 2

t 2

1

C

1

1



0 ¬ ϕ ¬ 2 π





1.5

Zapisać zbiór A we współrzędnych walcowych w postaci normalnej:

√

0 ¬ r ¬ 1

A :

z ­ x 2 + y 2 , z ¬

x 2 + y 2





r 2 ¬ z ¬ r

Rozwiązanie:

z ­ r 2

pierwszy warunek (paraboloida)

z ¬ r

drugi warunek (stożek)

r 2 = r = ⇒ r = 0 ∨ r = 1

przcięcie powierzchni

1

2. Znaleźć ekstrema lokalne funkcji

f ( x, y) = xy 2 − 4 y 2 − 2 x 2

Rozwiązanie:

Dziedzina funkcji D : R 2

Rozwiązujemy układ równań :



∂f





= 0







∂x





∂f







= 0





∂y

Obliczamy pochodne cząstkowe:

∂f = y 2 − 4 x

∂x

∂f = 2 xy − 8 y

∂y

Stąd:

(

y 2 − 4 x = 0

xy − 4 y = 0

Z drugiego równania:

y( x − 4) = 0

Czyli y = 0 lub x = 4

Dla y = 0 z pierwszego równania x = 0

Dla x = 4 z pierwszego równania y = ± 4

Mamy więc trzy punkty stacjonarne:

P 1(0 , 0) , P 2(4 , − 4) , P 3(4 , 4) Obliczamy pochodne cząstkowe drugiego rzędu:

∂ 2 f

∂ 2 f

∂ 2 f

= − 4

;

= 2 x − 8

;

= 2 y

∂x 2

∂y 2

∂x∂y

Badamy macierz drugich pochodnych w punkcie P 1 :

"

−

#

4

0

W

0 − 8

1 = − 4 < 0 , W 2 = 32 > 0

w P 1 jest maksimum lokalne.

Badamy macierz drugich pochodnych w punkcie P 2 :

"

−

#

4 − 8

W

− 8

0

1 = − 4 < 0 , W 2 = − 64 < 0

w punkcie P 2 nie ma ekstremum.

Badamy macierz drugich pochodnych w punkcie P 3 :

"

−

#

4 8

W

8 0

1 = − 4 < 0 , W 2 = − 64 < 0

w punkcie P 3 nie ma ekstremum.

2

3. Obliczyć masę obszaru ograniczonego krzywymi x = y 2 , x + y = 2 jeżeli jego gęstość ρ( x, y) = 6 x

Rozwiązanie:

Rozwiązanie:

Masa obszaru jest równa:

Obliczamy całki:

Z Z

Z Z

m =

ρ d x d y =

6 x d x d y

D

D

Szukamy punktów przecięcia krzywych:

(

x = y 2

x + y = 2

x = 2 − y

y 2 + y − 2 = 0

∆ = 9

y 1 = − 2 = ⇒ x 1 = 4

y 2 = 1 = ⇒ x 2 = 1

MAmy więc:

(

− 2 ¬ y ¬ 1

D :

y 2 ¬ x ¬ 2 − y

Obliczamy całki:





1

2 −y

1

1

Z

Z

Z

Z

h

m = 6



x d x d y = 3

x 2i2 −y d y = 3

((2 − y)2 − y 4) d y =





y 2

− 2

y 2

− 2

− 2

1

"

#1

Z

y 3

y 5

32

1

1

3

(4 − 4 y + y 2 − y 4) d y = 3 4 y − 2 y 2 +

−

=

= 3(4 − 2 +

− ) − 3( − 8 −

3

5

3

3

5

− 2

− 2

8

32

216

8 −

+

) =

3

5

5

Odpowiedź:

216

m = 5

3

4. Znaleźć moment bezwładności względem osi Oz jednorodnej bryły ograniczonej powierzchniami: z 2 = x 2 + y 2 , x 2 + y 2 = 1 oraz leżącej w obszarze x ­ 0

Rozwiązanie:

Moment bezwładności jest równy:

Z Z Z

Z Z Z

Iz =

( x 2 + y 2) ρ d x d y d z = ρ

( x 2 + y 2) d x d y d z A

A

Stosujemy współrzędne walcowe:

Z Z

Z Z Z

Iz = ρ

r 2 · r d r d ϕ d z = ρ

r 3 d r d ϕ d z

A∗

A∗

Zbiór A∗ jest ograniczony powierzchniami: z 2 = r 2 = ⇒ z = ±r ; r 2 = 1 = ⇒ r = 1 ;

zachodzić ma nierówność: r cos ϕ ­ 0 oraz standardowe ograniczenia współrzędnych walcowych: r ­ 0 oraz ϕ należy do jednego okresu.

A∗ : ϕ ∈< − π , π > ; r ∈< 0 , 1 > ; z ∈< −r, r > 2

2

π

2

1  r



1

1

Z

Z

Z

π

Z

Z

1

h

i

h

i r

1

I

2

z = ρ

d ϕ ·

r 3

ϕ

·

r 3 z

r 5



d z d r = ρ

d r = πρ ·

2 r 4 d r = 2 πρ

=

− π

−r

5

2

0

− π

0

−r

0

0

2

2 πρ

5

Odpowiedź:

2 πρ

Iz = 5

4

5. Znaleźć potencjał pola wektorowego i korzystając z niego obliczyć całkę: (1 , 1 , 1)

Z

yz d x + ( xz + 2 yz) d y + ( xy + y 2 + 1) d z (0 , 0 , 0)

Rozwiązanie:

Szukamy pola skalrnego ϕ( x, y, z) takiego, że grad ϕ = ~

F :



∂ϕ





= yz





∂x

















∂ϕ = xz + 2 yz

∂y



















∂ϕ





= xy + y 2 + 1



∂z

Całkujemy pierwsze równanie:

Z

ϕ( x, y, z) =

yz d x = xyz + f ( y, z) Wstawiamy ϕ do drugiego równania:

∂f

xz +

= xz + 2 yz

∂y

∂f = 2 yz

∂y

Z

f ( y, z) =

2 yz d y = y 2 z + g( z) Stąd:

ϕ( x, y, z) = xyz + y 2 z + g( z) Wstawiamy ϕ do trzeciego równania:

xy + y 2 + g0 = xy + y 2 + 1

g0 = 1

Z

g( z) =

1 d z = z + C

Stąd:

ϕ( x, y, z) = xyz + y 2 z + z + C

Ponieważ pole jest potencjalne (znaleźliśmy potencjał) to: (1 , 1 , 1)

Z

yz d x + ( xz + 2 yz) d y + ( xy + y 2 + 1) d z = ϕ(1 , 1 , 1) − ϕ(0 , 0 , 0) = 3

(0 , 0 , 0)

Odpowiedź:

Potencjał ϕ( x, y, z) = xyz + y 2 z + z + C

(1 , 1 , 1)

Z

yz d x + ( xz + 2 yz) d y + ( xy + y 2 + 1) d z = 3

(0 , 0 , 0)

5

6. Obliczyć strumień pola ~

F = [2 x, 2 y, 8 z] przez powierzchnię S : z = x 2 + y 2 , z ¬ 1

zorientowaną do góry.

Rozwiązanie:

Strumień pola jest równy:

Z Z

Φ =

2 x d y d z + 2 y d z d x + 2 z d x d y S

Powierzchnia S jest wykresem funkcji z( x, y) = x 2 + y 2 , ( x, y) ∈ D. D jest rzutem powierzchni na płaszczyznę xy . Jest to koło: x 2 + y 2 ¬ 1.

Wektor normalny do powierzchni:

h

∂z

∂z

i

h

i

~

n d S = ± −

, −

, 1 d x d y = ± − 2 x , − 2 y , 1 d x d y

∂x

∂y

Wybieramy znak + ponieważ powierzchnia jest zorientowana go góry.

h

i

~

n d S = − 2 x , − 2 y , 1 d x d y Mamy:

Z Z

Z Z

Z Z

h

i

h

i

Φ =

~

F ·~

n d S =

2 x , 2 y , 8( x 2 + y 2) · − 2 x , − 2 y , 1 d x d y =

4( x 2 + y 2) d x d y

S

D

D

Stosujemy współrzędne biegunowe:

∗

∗

1

2 π

Z Z

Z Z

Z

Z

h

Φ =

4 r 2 · r d r d ϕ =

4 r 3 d ϕ =

4 r 3 d r ·

d ϕ = r 4i1 · [ ϕ]2 π = 2 π

0

0

D

D

0

0

Odpowiedź:

Strumień pola jest równy:

Φ = 2 π

6