3Eva_IT2018_T3 EDP Parabólica, temperatura en varilla

3ra Evaluación I Término 2018-2019. 11/Septiembre/2018. MATG1013

Tema 3. (30 puntos) La temperatura u(x,t) de una varilla larga y delgada, de sección transversal constante y de un material conductor homogéneo está regida por la ecuación unidimensional de calor. Si se genera calor en el material (por ejemplo, debido a la resistencia de la corriente), la ecuación se convierte en:

\frac{d^2u}{dx^2} + \frac{Kr}{\rho C} = K\frac{du}{dt} 0 \lt x \lt L, 0 \lt t
Donde: Suponga que:
L es la longitud, L =  1.5 cm
ρ es la densidad, ρ = 10.6 g/cm3
C es el calor específico C = 0.056 cal/g deg
K es la difusividad térmica de la varilla K = 1.04 cal/cm deg s
La función r = r(x,t,u) representa el calor generado por unidad de volumen. r(x,t,u) = 5 cal/g deg

Si los extremos de la varilla se mantienen a 0°C, entonces

u(0,t) = u(L,t) = 0, t>0

Suponga que la distribución inicial de la temperatura está dada por:

u(x,0) = \sin \Big( \frac{\pi x}{L} \Big), 0 \le x \le L

Aproxime la distribución de la temperatura con h=0.25, k=0.025 para t=3k


Referencia: Burden 9ed Chapter 12 exercise 18 p738

3Eva_IT2018_T2 Drenaje de estanque

3ra Evaluación I Término 2018-2019. 11/Septiembre/2018. MATG1013

Tema 2. (40 puntos) Un estanque se drena a través de un tubo como se observa en la figura.

Con suposiciones simplificadoras, la ecuación diferencial siguiente describe cómo cambia la profundidad con el tiempo:

\frac{dh}{dt} = -\frac{\pi d^2}{4A(h)}\sqrt{2g(h+e)}

 
Donde:
h = profundidad (m),
t = tiempo (s),
d = diámetro del tubo (m),
A(h) = área de la superficie del estanque como función de la profundidad (m2),
g = constante gravitacional (9,81 m/s2) y
e es la profundidad de salida del tubo por debajo del fondo del estanque (m).

Con base en la tabla siguiente de área-profundidad, resuelva esta ecuación diferencial para determinar cuánto tiempo tomaría que el estanque se vacie, dado que h(0) = 6 m, d = 0.25 m, e = 0.3 m.

h 6 5 4 3 2 1 0
A(h) 1.17 0.97 0.67 0.45 0.32 0.18 0.02

a) Con las profundidades 0, 2, 4, 6, encuentre un modelo de trazador cúbico natural para modelar el área A(h) y calcule el error en h = 5 m

b) Use el método de Taylor de segundo orden con dt=1 s para aproximar el tiempo en que la profundidad es 3 m.

Rúbrica: literal a (20 puntos), literal b (20 puntos)


hi = np.array([6, 5, 4, 3, 2, 1, 0])
Ai = np.array([1.17, 0.97, 0.67, 0.45, 0.32, 0.18, 0.02])

Referencia: Chapra Ejercicio 28.24 p849, pdf873

Video: Superestructuras: la presa Hoover

3Eva_IT2018_T1 Intersección de círculos

3ra Evaluación I Término 2018-2019. 11/Septiembre/2018. MATG1013

Tema 1. (30 puntos) Encuentre las raíces de las ecuaciones simultaneas siguientes:

(x-4)^2 + (y-4)^2 = 5 x^2 + y^2 = 16

a) Use el enfoque gráfico para obtener los valores iniciales.

b) Encuentre aproximaciones refinadas con el Método de Newton-Raphson

Rúbrica: literal a (10 puntos), literal b  (20 puntos)


Referencia: Un asteroide dos veces más grande que un avión Boeing 747 pasará muy cerca la Tierra. https://www.eluniverso.com/noticias/2018/08/28/nota/6927335/asteroide-dos-veces-mas-grande-que-avion-pasara-muy-cerca-tierra

3Eva_IIT2017_T3 EDP Elíptica, placa rectangular

3ra Evaluación II Término 2017-2018. Febrero 20, 2018. MATG1013

Tema 3. Aproxime la solución de la siguiente EDP elíptica.

\frac{d^2 u}{dx^2} + \frac{d^2u}{dy^2} = (x^2 + y^2) e^{xy} 0 \lt x \lt 2, 0 \lt y \lt 1

con condiciones de frontera

u(0,y) = 1 , u(2,y) = e^{2y}, 0 \leq y \leq 1 u(x,0) = 1, u(x,1) = e^x , 0 \leq x \leq 2

a) use tamaños de paso h = 2/3 y k = 1/3

b) compare con la solución u(x,y) = exy en forma gráfica

3Eva_IIT2017_T2 trazador cúbico natural

3ra Evaluación II Término 2017-2018. Febrero 20, 2018. MATG1013

Tema 2. El caballo llamado Thunder Gulch ganó el derby de Kentuckyde 1995, con un tiempo de 2 min 1 1/5 s en la carrera de 1 1/4 millas.

Los tiempos en los postes que marcan el cuarto de milla, la mitad de la milla y la milla fueron respectivamente 22 2/5 s, 45 4/5 s, 1min con 1 1/5 s.

a) Use los valores anteriores junto con el tiempo de arranque y construya un trazador cúbico natural.

b) Use el trazador para predecir el tiempo en el poste de tres cuartos de milla y compare el resultado con el tiempo real de 1 in con 10 1/5 s.

c) Usando el trazador y las fórmulas de diferencias finitas, aproxime la velocidad y la aceleración del caballo en todos los postes.

3Eva_IIT2017_T1 Punto fijo

3ra Evaluación II Término 2017-2018. Febrero 20, 2018. MATG1013

Tema 1. Sea g: [a,b] →ℜe (reales) una función diferenciable tal que g(x) ∈ [a,b], para toda x ∈ [a,b]. Demuestre o refute las siguientes afirmaciones.

a) g tiene al menos un punto fijo en [a,b]

b) g tiene un punto fijo único en [a,b]

3Eva_IT2017_T4 EDP elíptica, placa desplazada

3ra Evaluación I Término 2017-2018. 11/Septiembre/2017. MATG1013

Tema 4.  Aproxime la solución de la EDP elíptica:

\frac{\delta ^2 U}{\delta x^2} + \frac{\delta ^2 U}{\delta y^2} = \frac{x}{y} + \frac{y}{x}

1 <  x < 2
1 <  y < 2

U(x,1)= x \ln (x), U(x,2) = x \ln (4x^{2}),1 \lt x \lt 2 U(1,y)= y \ln(y), U(2,y) = 2y \ln (2y), 1 \lt x \lt 2

use h = k = 0.5

3Eva_IT2017_T2 EDO Runge-Kutta d3y/dx3

3ra Evaluación I Término 2017-2018. 11/Septiembre/2017. MATG1013

Tema 2. Use un método de Runge Kutta para sistemas y aproxime la solución de la siguiente EDO de orden superior

y'''+ 2y'' - y'- 2y = e^t

0 ≤ t ≤ 1

y(0) = 1
y'(0) = 0
y''(0) = 0

con h = 0.25

3Eva_IT2017_T3 Sustancia en lago

3ra Evaluación I Término 2017-2018. 11/Septiembre/2017. MATG1013

Tema 3. El área de la sección transversal As (m2) de un lago, a cierta profundidad, se calcula a partir del volumen utilizando la diferenciación:

A_s(Z) = -\frac{\delta V}{\delta z} (Z)

Donde V = volumen (m3) y z = profundidad (m), se mide a partir de la superficie en dirección del fondo.

La concentración promedio de una sustancia que varía con la profundidad \overline{c} (g/m3) se obtiene por integración:

\overline{c} = \frac{\int_0^{Z_t} c(Z) A_s(Z) \delta Z}{\int_0^{Z_t}A_s(z) \delta Z}

Donde Zt es la profundidad total (m).
Determine la concentración promedio con base en los siguientes datos:

z (m)  0  4 8 12 16
V (106 m3)  9.82 5.11 1.96 0.393 0.000
c (g/m3)  10.2  8.5  7.4 5.2 4.1

zi = [0.  , 4   , 8   , 12    , 16]
vi = [9.82, 5.11, 1.96,  0.393,  0.]
ci = [10.2, 8.5 , 7.4 ,  5.2  ,  4.1]