Analisi matematica 2 per l’ingegneria: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 16 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matrici e determinanti

determinante 2×2
det = ad − bc
Inversa di una 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Prodotto
(AB)ij = Σk AikBkj
Autovalori
det(A − λI) = 0
Regola di Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Modulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Versore
û = a/|a|
Componenti a partire da un angolo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Prodotto scalare
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Proiezione scalare di a su b
a·b/|b|
Lavoro
W = F·d
Prodotto vettoriale
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Aree
parallelogramma |a × b|, triangolo ½|a × b|
Momento rispetto a O
MO = r × F, r = A − O
Volume di un parallelepipedo
V = |a·(b × c)|

Metodo

  1. Scrivi ogni vettore in componenti; per una forza data da un modulo e un angolo, usa F·cos θ e F·sin θ.
  2. Per lunghezze e direzioni usa il modulo √(x² + y² + z²) e il versore a/|a|.
  3. Usa il prodotto scalare per angoli, proiezioni, perpendicolarità e lavoro: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Usa il prodotto vettoriale per vettori perpendicolari, aree e momenti: scrivi con cura le tre componenti, mantenendo l’ordine a × b.

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Calcolo multivariabile

Derivate parziali
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiente
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Derivata direzionale
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Piano tangente
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Regola della catena
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test delle derivate seconde
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Integrale doppio
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordinate polari
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Metodo

  1. Per una derivata parziale, tratta l’altra variabile come una costante e usa le regole a una variabile.
  2. Per le domande sul gradiente calcola ∇f = (fx, fy) nel punto; usa |∇f| per la pendenza massima e ∇f·u con un versore u per una derivata direzionale.
  3. Per gli estremi risolvi insieme fx = 0 e fy = 0, poi classifica ogni punto con D = fxx·fyy − fxy².
  4. Per un integrale doppio disegna la regione, scegli l’ordine (o le coordinate polari per i dischi) in modo che gli estremi interni siano le curve di contorno, e integra prima all’interno.

Successioni e serie

Successione aritmetica
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Successione geometrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Serie geometrica infinita
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Serie armonica generalizzata
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Criterio del rapporto
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Raggio di convergenza
R = lim |ck/ck+1|
Polinomio di Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Serie di Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Maggiorazione di Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodo

  1. Individua il tipo: aritmetica (differenza costante), geometrica (ragione costante), una serie notevole, una serie di potenze o un polinomio di Taylor.
  2. Per le somme usa Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), oppure S = a₁/(1 − r) quando |r| < 1, con a₁ il primo termine della somma.
  3. Per la convergenza: prima il criterio del termine n-esimo, poi confronta con Σ1/kᵖ o con una serie geometrica, e usa il criterio del rapporto o della radice per fattoriali e potenze k-esime.
  4. Per i polinomi di Taylor elenca f(a), f′(a), f″(a), …, dividi la derivata k-esima per k!, e maggiora l’errore con M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Convoluzione e sistemi LTI

Convoluzione discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convoluzione continua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Lunghezza e somma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Inizio, fine e area
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Gradino in e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema del primo ordine
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Ricorsione del primo ordine
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoide attraverso h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Ampiezze della serie di Fourier
onda quadra ±A: 4A/(kπ), k dispari; onda triangolare ±A: 8A/(π²k²), k dispari; treno di impulsi: A·D e (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodo

  1. Disegna entrambi i segnali e annota dove ciascuno è non nullo.
  2. Ribalta h e falla scorrere: per ogni istante di uscita, trova l’intervallo in cui i due segnali si sovrappongono.
  3. Moltiplica e somma (discreto) oppure moltiplica e integra (continuo) solo su quella sovrapposizione.
  4. Controlla il risultato: l’uscita inizia alla somma degli istanti iniziali, finisce alla somma degli istanti finali, e la sua area o somma è il prodotto delle aree o somme degli ingressi.

2Esercizi

1.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)22Ta​38 °C30 °C

Una tazza di caffè a 94 °C viene lasciata in una stanza a 18 °C. Dopo 22 min la sua temperatura è 38 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 30 °C?

T0 = 94 °CTa = 18 °CT(22) = 38 °CT = 30 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 10y(0,75) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 9,25y = 92,5 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,75); angoli in radianti.

y″ + y′ + 9,25y = 92,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrici e determinantiMedia
A =−1−331015−45

Trova il determinante det A della matrice 3×3 A mostrata.

A = [−1 −3 3; 1 0 1; 5 −4 5]
det A =
4.Matrici e determinantiDifficile
A =−1−437

Trova l'autovalore maggiore λ della matrice A mostrata.

A = [−1 −4; 3 7]
λ =
5.Vettori: prodotto scalare e vettorialeMedia
xyzab

Trova il valore di k per cui i vettori a = (−5, 6, −4) e b = (5, k, 2) sono perpendicolari.

a = (−5, 6, −4)b = (5, k, 2)
k =
6.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzab

Per a = (5, 1, 1) e b = (4, −5, 6), trova la componente x (a × b)x del prodotto vettoriale a × b.

a = (5, 1, 1)b = (4, −5, 6)
(a × b)x =
7.IntegraliMedia
xy15y = x ln x

Calcola I = ∫₁5 x·ln x dx.

∫₁5 x ln x dx
I =
8.IntegraliDifficile
xy−33

Trova l'area A della regione tra la parabola y = 9 − x² e l'asse x.

y = 9 − x²
A =
9.Calcolo multivariabileMedia
xy0,50,5∇fP

Per f(x, y) = 2x²e3y, trova la massima velocità di variazione di f nel punto (0,5, 0,5), cioè |∇f|.

f(x, y) = 2x²e3yP = (0,5, 0,5)
|∇f| =
10.Calcolo multivariabileDifficile
xy02−1012(0, 0)(1, 1)

Trova i punti critici di f(x, y) = x³ + y³ − 3xy, classificali e dai il valore fmin di f nel suo minimo locale.

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy
fmin =
11.Successioni e serieMedia
AΣ 1/k²k = 1 … ∞BΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 6)k = 1 … ∞DΣ (3k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

A: Σ 1/k²B: Σ (5/3)ᵏC: Σ 1/(2k + 6)D: Σ (3k + 1)/(k + 2)
  1. 1A: Σ 1/k²
  2. 2B: Σ (5/3)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(2k + 6)
  4. 4D: Σ (3k + 1)/(k + 2)
12.Successioni e serieDifficile

f(x) = eˣ è approssimata in x = 0,5 dal suo polinomio di Maclaurin di grado n. Con la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 2, trova il grado minimo n che garantisce un errore inferiore a 0,0001.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,0001
n =
13.Trasformate di LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (3s + 16)/(s² + 8s + 7). La sua antitrasformata ha la forma f(t) = A·e−t + B·e−7t. Trova il coefficiente A con i fratti semplici.

F(s) = (3s + 16)/(s² + 8s + 7)
A =
14.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Risolvi y″ + 7y′ + 6y = 0 con y(0) = 7 e y′(0) = −3 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,5).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 7y′(0) = −3t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Convoluzione e sistemi LTIMedia
x(t)t5h(t)t1

L’ingresso x(t) = 5·e−3tu(t) è applicato a un sistema con h(t) = e−1tu(t). Trova l’uscita y(0,25) in t = 0,25 s.

x(t) = 5·e−3tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
16.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
δ(t)y′ + 1y = 10xh(t)

Un sistema obbedisce a y′(t) + 1·y(t) = 10·x(t). Trova la sua risposta impulsiva in t = 0,1 s, h(0,1).

y′ + 1y = 10xt = 0,1 s
h(0.1) =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: t = 30,42 min

Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.

Costante di raffreddamento

k = ln(76/20)/22 = 0,06068 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(76/12)/0,06068 = 30,42 min

Risposta

t = 30,42 min
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.75) = 13,43

Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.

Valore a regime e radici

yss = 10, r = −0,5 ± 3j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −1,667

Calcola

y(0,75) = 10·(1 − e−0,375(cos 2,25 + 0,1667·sin 2,25)) = 13,43

Risposta

y(0,75) = 13,43
3.Matrici e determinanti

Risposta: det A = −16

Matrici: il determinante di una matrice 2×2 è ad − bc. Per una 3×3 sviluppa lungo una riga: ogni elemento per il determinante della 2×2 che resta togliendo la sua riga e la sua colonna, con segni alterni + − +. Gli autovalori λ risolvono det(A − λI) = 0; per una 2×2 è λ² − (traccia)·λ + det = 0.

Minori 2×2 della prima riga

M₁₁ = 4, M₁₂ = 0, M₁₃ = −4

Sviluppo di Laplace

det A = (−1)·4 − (−3)·0 + 3·(−4) = −16

Risposta

det A = −16
4.Matrici e determinanti

Risposta: λ = 5

Matrici: il determinante di una matrice 2×2 è ad − bc. Per una 3×3 sviluppa lungo una riga: ogni elemento per il determinante della 2×2 che resta togliendo la sua riga e la sua colonna, con segni alterni + − +. Gli autovalori λ risolvono det(A − λI) = 0; per una 2×2 è λ² − (traccia)·λ + det = 0.

Equazione caratteristica

λ² − (6)λ + (5) = 0

Risolvi

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Risposta

λ = 5
5.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: k = 5,5

Prodotto scalare: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, uno scalare. Fornisce l’angolo tra due vettori, cos θ = a·b/(|a|·|b|), ed è nullo quando i vettori sono perpendicolari. La proiezione scalare di a su b è a·b/|b|, e una forza costante F che compie uno spostamento d esegue il lavoro W = F·d.

Il prodotto scalare è uguale a zero

a·b = (−5)·5 + 6·k + (−4)·2 = 0
−33 + 6·k = 0

Risolvi per k

k = −(−33)/6 = 5,5

Risposta

k = 5,5
6.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: (a × b)x = 11

Prodotto vettoriale: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) è perpendicolare a entrambi i vettori, e |a × b| = |a|·|b|·sin θ è l’area del parallelogramma che essi generano (il triangolo ne ha la metà). L’ordine conta: b × a = −(a × b). Il momento di una forza F applicata nel punto A rispetto al punto O è MO = r × F, con r = A − O.

Prodotto vettoriale, componente per componente

(a × b)x = aybz − azby = 1·6 − 1·(−5) = 11
(a × b)y = azbx − axbz = 1·4 − 5·6 = −26
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−5) − 1·4 = −29

Componente richiesta

(a × b)x = 11

Risposta

(a × b)x = 11

Controllo: a × b è perpendicolare a entrambi i vettori, quindi il suo prodotto scalare con a e con b è nullo.

7.Integrali

Risposta: I = 14,12

Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.

Scegli u e dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limiti

(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12

Risposta

I = 14,12
8.Integrali

Risposta: A = 36

Integrali definiti: ∫ₐᵇ f(x) dx è l'area con segno tra il grafico e l'asse x da a a b. Trova una primitiva F (con F′ = f) e calcola F(b) − F(a). Regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'area tra due curve è ∫(superiore − inferiore) dx.

Zeri

9 − x² = 0 → x = ±3

Integra

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Risposta

A = 36
9.Calcolo multivariabile

Risposta: |∇f| = 11,2

Gradiente: ∇f = (fx, fy) punta nella direzione di massima crescita, e |∇f| è la massima velocità di variazione. La derivata direzionale lungo una direzione v è Duf = ∇f·u con il versore u = v/|v|. Il piano tangente in (a, b) è z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); dà l’approssimazione lineare di f vicino a quel punto. Regola della catena: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Derivate parziali

fx = 4xe3y → fx(0,5, 0,5) = 8,963
fy = 6x²e3y → fy(0,5, 0,5) = 6,723

Lunghezza del gradiente

|∇f| = √(8,963² + 6,723²) = 11,2

Risposta

|∇f| = 11,2
10.Calcolo multivariabile

Risposta: fmin = −1

Punti critici e integrali doppi: un punto critico ha fx = fy = 0. Test delle derivate seconde con D = fxxfyy − fxy²: D > 0 e fxx > 0 è un minimo locale, D > 0 e fxx < 0 un massimo locale, D < 0 un punto di sella, e D = 0 non decide nulla. Per un integrale doppio su una regione generica, prendi come estremi interni le curve che delimitano la regione; per dischi e settori usa le coordinate polari, x = r cos θ, y = r sin θ e dA = r dr dθ (non dimenticare il fattore r).

Punti critici

Risolvi insieme fx = 0 e fy = 0.

fx = 3x² − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)

Test delle derivate seconde

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → punto di sella
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → minimo locale

Valore nell’estremo

f(1, 1) = −1

Risposta

fmin = −1
11.Successioni e serie

Risposta: A: Σ 1/k²

Convergenza: se i termini non tendono a 0 la serie diverge (criterio del termine n-esimo). Σ1/kᵖ converge solo per p > 1, e Σrᵏ solo per |r| < 1. Confronta una serie con una di queste quando i suoi termini si comportano come loro per k grande. Criterio del rapporto: L = lim |ak+1/ak|; criterio della radice: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 non decide nulla. Una serie di potenze Σck(x − x₀)ᵏ converge per |x − x₀| < R con R = lim |ck/ck+1|; una serie a segni alterni con termini decrescenti a 0 converge.

Verifica ogni serie

A: Σ 1/k² → Serie armonica generalizzata con p = 2 > 1: converge.
B: Σ (5/3)ᵏ → Geometrica con r = 5/3 > 1: i termini crescono, quindi diverge.
C: Σ 1/(2k + 6) → Si comporta come 1/(2k) per k grande; confrontata con la serie armonica, diverge.
D: Σ (3k + 1)/(k + 2) → I termini tendono a 3, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.

La risposta

A: Σ 1/k²

Risposta

A: Σ 1/k²
12.Successioni e serie

Risposta: n = 5

Polinomi di Taylor: vicino a x = a una funzione regolare è approssimata da Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; per a = 0 questo è il polinomio di Maclaurin. Serie notevoli: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Maggiorazione del resto di Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dove M è il massimo valore di |f⁽ⁿ⁺¹⁾| tra a e x.

n(n + 1)!maggiorazione011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵

Maggiorazioni al crescere di n

n = 4: 0,0005208 ≥ 0,0001
n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ < 0,0001

Grado minimo

n = 5

Risposta

n = 5
13.Trasformate di Laplace

Risposta: A = 2,167

Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Scomponi il denominatore

s² + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

Regola di copertura

Moltiplica per (s + 1) e poni s = −1: il termine in B si annulla.

A = (3s + 16)/(s + 7) |s = −1 = 13/6 = 2,167

Risposta

A = 2,167
(B = 0,8333, quindi f(t) = 2,167·e−t + 0,8333·e−7t)
14.Trasformate di Laplace

Risposta: y(0.5) = 4,691

Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Trasforma l’equazione

s²Y − 7s − (−3) + 7(sY − 7) + 6Y = 0
Y(s) = (7s + 46)/((s + 1)(s + 6))

Fratti semplici

A = 39/5 = 7,8
B = 4/(−5) = −0,8

Risultato

y(t) = 7,8·e−t − 0,8·e−6t
y(0,5) = 4,691

Risposta

y(0,5) = 4,691

Controllo: y(0) = A + B = 7.

15.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(0.25) = 0,7661

Convoluzione continua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Ribalta h, falla scorrere fino alla posizione t e integra il prodotto delle parti sovrapposte. Per segnali causali l’integrale va da 0 a t. Risultati utili: l’area di y è l’area di x per l’area di h; se x dura da t₁ a t₂ e h da t₃ a t₄, y dura da t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Per h(t) = e−atu(t) e un gradino di altezza A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Integrale di convoluzione

y(t) = 5e−1t∫₀ᵗ e−(3 − 1)τ dτ = 5(e−1t − e−3t)/(2)

Calcola

y(0,25) = 5·(0,7788 − 0,4724)/(2) = 0,7661

Risposta

y(0,25) = 0,7661
16.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: h(0.1) = 9,048

Risposta impulsiva e serie di Fourier: la risposta impulsiva h(t) descrive completamente un sistema LTI: per y′ + a·y = b·x è h(t) = b·e−atu(t), e per y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] è h[n] = b·aⁿu[n]. Una sinusoide cos ωt passa con guadagno |H(jω)| e fase ∠H(jω), dove H è la trasformata di Fourier di h. Un segnale periodico è una somma di armoniche a k/T: un’onda quadra di ±A ha solo armoniche dispari con ampiezze 4A/(kπ), un’onda triangolare di picco A ha 8A/(π²k²), e un treno di impulsi di altezza A e rapporto di duty D ha il valor medio A·D e le armoniche (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Funzione di trasferimento

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 1)

Risposta all’impulso

h(t) = 10·e−1tu(t)
h(0,1) = 10·e−0,1 = 9,048

Risposta

h(0,1) = 9,048

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