Fys. matem. menet. IIb Harjoitus 1 Kevät 2015
Transcription
Fys. matem. menet. IIb Harjoitus 1 Kevät 2015
Fys. matem. menet. IIb Harjoitus 1 Kevät 2015 (Palautetaan ti 17.3. klo. 16 mennessä, käsitellään ti 24.3. ja pe 27.3.) 1. Etsi funktion x3 y 2 − −x 3 2 ääriarvot suoralla y = x − 1. Mitkä ovat lokaaleja maksimeja, mitkä minimejä? Ratkaise tehtävä sekä Lagrangen kertojan menetelmää käyttäen että eliminoimalla toinen muuttuja sidosehdon avulla. f (x, y) = 2. (a) Etsi funktion f (x, y, z) = x2 + y 2 + z 2 ääriarvot pintojen x + y + z = 1 ja xyz = −1 leikkauksella. (b) Etsi funktion f (x, y, z) = x2 y 2 z 2 maksimi sidosehdolla x2 + y 2 + z 2 = c2 . *(c) Osoita b-kohdan tuloksen avulla että kolmen positiivisen luvun a, b, c geo√ metrinen keskiarvo 3 abc ei koskaan ylitä niiden aritmeettista keskiarvoa (a + b + c)/3. R1 p 3. Mille y(x) funktionaali J[y] = 0 dx y(1 + (y 0 )2 ), y(0) = y(1) = 21 on stationaarinen? 4. Harmoninen oskillaattori: Harmonista oskillaattoria voidaan tarkastella Lagrangen mekaniikassa funktionaalien avulla. Lagrangen funktio on tällöin 1 1 L(t, x, ẋ) = K − V = mẋ2 − kx2 , 2 2 missä m on oskillaattorin massa ja k jousivakio. Lagrangen funktioon liittyvä funktionaali on tietysti aktio Z S[x(t)] = dt L(t, x, ẋ) . Johda harmonisen oskillaattorin liikeyhtälö aktiosta S[x(t)] vaatimalla, että se on stationaarinen pienten muutosten suhteen. 5. Hyrrän prekessio: Pyörivälle sylinterisymmetriselle hyrrälle voidaan johtaa Lagrangen funktio 2 1 1 L = Ia θ̇ + φ̇ cos α + Ib α̇2 + φ̇2 sin2 α − mgs cos α , 2 2 missä α on hyrrän kallistuskulma, θ hyrrän kiertokulma itsensä ympäri ja φ hyrrän pyörähdysakselin kiertokulma eli prekession kiertokulma (katso kuva seuraavalla sivulla). Vakiot m ja g ovat hyrrän massa ja gravitaatiokiihtyvyys, ja s on hyrrän massakeskipisteen etäisyys hyrrän kärjestä. Vakiot Ia ja Ib ovat hyrrän hitausmomentit pyörähdysakselin ja pyörähdysakselia vastaan kohtisuoran akselin suhteen, kun hyrrä pyörii kärkensä ympäri. Johda hyrrän liikeyhtälöt aktiosta Z S[α(t), θ(t), φ(t)] = dt L , ja osoita, että jos φ̇ θ̇ ja θ̈, φ̈ ≈ 0, prekessiotaajuus f = 2π φ̇ on kääntäen verrannollinen hyrrän pyörimisnopeuteen ω = θ̇. Kuva 1: Tehtävien laatijan kubistinen näkemys pyörivästä hyrrästä.