LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN. 7. Übung/Lösung Mathematik für Studierende der Biologie
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- Manfred Friedrich
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1 LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN FAKULTÄT FÜR BIOLOGIE Pof. Anes Hez, D. Stefn Häusle emil: Deptment Biologie II Telefon: Goßhenest. Fx: Plnegg-Mtinsie 7. Übung/Lösung Mthemtik fü Stuieene e Biologie 3..6 Abgbe m 6..6 vo e Volesung. Die Aufgben ween in en Tutoien vom 8., 9. un. Dezembe bespochen. Aktuelle Infos un Übungszettel finen Sie unte: (Integtion ( Welche Fläche F ( ht ein Keis mit Rius? Bestimmen Sie zuest ie Fläche es Vietelkeises im esten Qunten. Diese Fläche entspicht genu einem Vietel e gesuchten Fläche. (b Wie änet sich ie Keisfläche F (, wenn mn en Rius veänet? Bestimmen Sie zu ie Ableitung. Intepetieen Sie s Egebnis. F ( ( Um iese Fge zu bentwoten, beechnen wi ie Fläche unte em Vietelkeis x mit en Genzen x = un x =. Diese Fläche entspicht genu einem Vietel e gesuchten Keisfläche. Eine Stmmfunktion von x ist [x x + csin ( x ] (us Tbelle.4 im Skipt. Die Keisfläche ht lso en Wet F ( = 4 [x x + csin Altentiv: Die Substitution x = cos(ϕ egibt ] x x = = [ csin( csin(] = π/ = π. π/ Ptielle Integtion mit u = sin(ϕ un v = sin(ϕ egibt π/ π/ cos(ϕ sin(ϕϕ = sin(ϕ ϕ [ ] π/ ϕ sin(ϕ cos(ϕ sin(ϕ ϕ = = π 4 Diese Fläche entspicht genu einem Vietel e gesuchten Fläche π. - x (b Wi können nun weitehin ie Fge stellen, wie sich ie Keisfläche änet, wenn mn en Rius veänet. Mthemtisch beeutet ies, ss wi nch e Ableitung F (/ e Keisfläche nch em Rius fgen. Fühen wi ie Ableitung uch, so ehlten wi en Ausuck F (/ = π( / = π. Auch iesen Ausuck kennen Sie schon: es ist ie Fomel fü en Umfng eines Keises mit Rius. Dieses Egebnis eklät sich uch, ss ie Fläche eines Keisings mit inneem Rius un Beite b uch ie Diffeenz e Flächen
2 zweie Keise mit Rius + b un, lso uch F ( + b F ( = π[( + b ] = π[b + b ] = bπ[ + b] gegeben ist. Im Genzfll b knn e zweite Summn in e Klmme gegenübe em esten venchlässigt ween. In iesem Genzfll ist ie Fläche es Keisinges be uch uch s Poukt von Beite un Umfng gegeben, so ss e Umfng eines Keises mit Rius in e Tt uch π gegeben ist. Mit iese geometischen Intepettion hätten wi ie Fläche eines Keises mit Rius uch ls Integl (πxx = π(x = π[ / ] = π, ehlten können.. (Diffeentilgleichungen Wi betchten eine Bkteienkultu, ie mit konstnte po-kopf Rte wächst. Die Veäneung e Popultionsgöße po Zeiteinheit ist lso popotionl zu momentnen Göße. Stellen Sie ie Diffeentilgleichung uf, welche ieses Wchstum moeliet. Ht iese Gleichung eine sttionäe Lösung? Wi nehmen nun n, ss x(t = e bt ie von Ihnen ufgestellte Gleichung löst (Anfngsbeingung zu Zeit t = :. Fü welchen Wet von b stimmt ies, wenn ie Kultu po Tg um % wächst? Denken Sie bei uch n ie Einheit von b. tx = f(x = bx, wobei x ie Göße e Bkteienkultu un b > ie konstnte po-kopf Wchstumste ist. Sttionäe f(x = ist efüllt fü x = ( b >. Anstz: x(t = e bt. Fü b = ln(. [Tg ] un t gemessen in Tgen ehält mn x(t+ x(t = e b =.. 3. (Diffeentilgleichungen Betchten Sie folgene Diffeentilgleichung t x(t = x3 + x ( Beechnen Sie lle sttionäen Lösungen x e DGL in Abhängigkeit von R. (b Diskutieen Sie welche e sttionäen Lösungen stbil un welche instbil sin. Welche Beeiche von müssen zu getennt betchtet ween? (c Zeichnen Sie ie sttionäen Lösungen ls Funktion von un mkieen Sie een Stbilität. Eine solche gfische Dstellung wi uch Bifuktionsigmm gennnt. 4 ( Beechnen Sie lle sttionäen Lösungen x e DGL in Abhängigkeit von R. = x 3 + x x = un x,3 = ± 3 3 x x 3 x 3 x 3 x (b Diskutieen Sie welche e sttionäen Lösungen stbil un welche instbil sin. f(x x = 3x + ; mit f(x x x = un f(x x fü > : x instbil; x,3 symptotisch stbil x,3 = ; lso
3 fü < : nu eine sttionäe Lösung x = symptotisch stbil fü = : nu eine sttionäe Lösung x = symptotisch stbil, f(x < x > un f(x > x <..5 (c Zeichnung e sttionäen Lösungen ls Funktion von : (Diffeentilgleichungen - Koektu 69 lösten Johnn Benoulli, Huygens un Leibniz s Poblem, ie Gestlt eine ünnen, fei hängenen, nicht usehnben Kette unte em Einfluss e Schwekft zu bestimmen. Die Fom e Kettenlinie knn uch ie Diffeentilgleichung x y(x = + ( x y(x mit R +. beschieben ween. Zeigen Sie, ss y(x = cosh ie Diffeentilgleichung efüllt. Mit cosh(x = ex +e x, un ehlten wi un mit cosh sinh = folgt x y(x = e x/ + e x/ = ex/ e x/ = sinh x x y(x = e x/ e x/ = e x/ + e x/ = x cosh cosh = + sinh cosh = cosh. 5. (Diffeentilgleichungen Gegeben ist ie Diffeentilgleichung t x(t = t x ( Intepetieen Sie iese Diffeentilgleichung m Beispiel eine zeitbhängigen Popultion x(t un im Vegleich zu Diffeentilgleichung t x(t = c x mit c R+.
4 (b Geben Sie ie sttionäe Lösung e Diffeentilgleichung n, flls eine existiet. (c Wie heißt s Vefhen, um eine solche Diffeentilgleichung zu lösen? ( Beechnen Sie ie llgemeine Lösung e Diffeentilgleichung! (e Skizzieen Sie ie Lösung fü t un fü zwei veschieene Wete von = x(. ( Die Diffeentilgleichung t x(t = c x mit c R+ bescheibt eine exponentielle Abnhme e Popultionsgöße x mit e Rte c. Fü ie Diffeentilgleichung t x(t = t x ist iese Rte zeitbhängig c(t = t, soss e Zefll usgehen von e Rte qutisch in t zunimmt. (b f(x = t x = = x = (c Seption e Viblen ( Allgemeine Lösung e Diffeentilgleichung, mit x(t = x x = t t x(t x x t = t t [ln(x] x(t = [ t 3 ] t t 3 t (e mit t = t un t = x(t = e 3 t3 +ln = e 3 t3 xhtl 3 xhl á - xhl á xhl á t - 6. (Diffeentilgleichungen, Seption e Viblen Finen Sie ie Lösung y(x es Anfngswetpoblems y( = fü ie folgenen Diffeentilgleichungen uch Seption e Viblen fü beliebiges >. ( (b (c y(x = y x 3y x y(x = y x x y(x = y + ( x = y x 3y mit = y( = (x 3x y y(x y = [ln y ] y(x = x [ x (x 3x 3x ] x ln y(x ln = x 3x x + 3
5 (b (c mit x = x y(x = exp(/(x x 3(x x = y mit = y( = x y y(x x y = x mit x = x y = x + x = y + mit = y( y + = x y(x x [ ] y(x y = [x] x y + = x [ctn(y] y(x mit x = x y = tn [x + ctn( ] = [x] x
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