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)55Ta​T = ?

Un pezzo d’acciaio forgiato a 420 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 24 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,02 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 55 min.

T0 = 420 °CTa = 24 °Ck = 0,02 min⁻¹t = 55 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
xy12(1, 2)y(2) = ?

Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 2y/x = 1 per x > 0, con y(1) = 2. Trova y(2).

y′ + 2y/x = 1y(1) = 2
y(2) =
3.Matrici e determinantiMedia
A =−3−2−1−1B =0−50−4

Sia C = AB per le matrici mostrate. Trova l'elemento c22 (riga 2, colonna 2).

A = [−3 −2; −1 −1]B = [0 −5; 0 −4]
c22 =
4.Matrici e determinantiDifficile
A =−5−3−2−3b =42

Risolvi il sistema −5x − 3y = 4 e −2x − 3y = 2. Trova x.

−5x − 3y = 4−2x − 3y = 2
x =
5.Vettori: prodotto scalare e vettorialeMedia
xyzdFAB

Una forza costante F = (30, 10, −15) N agisce su un oggetto mentre si muove in linea retta dal punto A(−4, −3, 3) al punto B(3, −2, 1). Le coordinate sono in metri. Trova il lavoro W compiuto dalla forza.

F = (30, 10, −15) NA(−4, −3, 3) mB(3, −2, 1) m
W = J
6.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzrFOA

Una forza F = (50, 50, −30) N agisce nel punto A(2, −4, −2). Le coordinate sono in metri. Trova la componente z Mz del momento della forza rispetto a il punto O(0, −1, 3).

F = (50, 50, −30) NA(2, −4, −2) mO(0, −1, 3) m
Mz = N·m
7.IntegraliMedia
xy03

Calcola I = ∫03 ex dx.

f(x) = ex[0, 3]
I =
8.IntegraliDifficile
xy1y = xy = x²

La regione tra la retta y = x e la parabola y = x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.

y = xy = x²
V =
9.Calcolo multivariabileMedia
xy−23∇fP

Per f(x, y) = −4xy² + 4x² + y² − 3xy, trova la massima velocità di variazione di f nel punto (−2, 3), cioè |∇f|.

f(x, y) = −4xy² + 4x² + y² − 3xyP = (−2, 3)
|∇f| =
10.Calcolo multivariabileDifficile
xy−20202(2, 2)(−2, 2)

Trova i punti critici di f(x, y) = x³ − 12x + y² − 4y, classificali e dai il valore fmin di f nel suo minimo locale.

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 4y
fmin =
11.Successioni e serieMedia
AΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞BΣ (k + 4)/k²k = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(3k + 1)k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

A: Σ 1/(k(k + 3))B: Σ (k + 4)/k²C: Σ k!/3ᵏD: Σ 1/(3k + 1)
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 3))
  2. 2B: Σ (k + 4)/k²
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(3k + 1)
12.Successioni e serieDifficile

Riconosci la serie e trova la sua somma: S = Σk=0∞ 2ᵏ/k!.

ak = 2ᵏ/k!
S =
13.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Trova f(t) per F(s) = 25/(s(s + 4)(s + 6)) con i fratti semplici, e calcola f(0,1).

F(s) = 25/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Trasformate di LaplaceDifficile
ReIm−1−2−3−4−51

Un sistema è descritto dall’equazione differenziale y″ + 6y′ + 10y = 4u′ + 18u, con ingresso u(t) e uscita y(t). Trova la sua funzione di trasferimento G(s) = Y(s)/U(s) (condizioni iniziali nulle) e calcola la risposta all’impulso g(t) per t = 0,4 s. Trova g(0,4).

y″ + 6y′ + 10y = 4u′ + 18ut = 0,4 s
g(0.4) =
15.Convoluzione e sistemi LTIMedia
x(t)t42h(t)t41

L’impulso x(t) = 2 per 0 ≤ t < 4 s è convoluto con l’impulso h(t) = 1 per 0 ≤ t < 4 s. Trova l’area Ay sotto y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
16.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
x(t)t (ms)1483

Un treno di impulsi ha altezza 3, larghezza dell’impulso 1 ms e periodo 4 ms. Trova l’ampiezza c1 dell’armonica di ordine 1, a 250 Hz.

A = 3τ = 1 msT = 4 ms
c1 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: T = 155,8 °C

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.

Soluzione della legge di raffreddamento

T(t) = 24 + 396·e−0,02t

Sostituisci t

T(55) = 24 + 396·0,3329 = 155,8 °C

Risposta

T = 155,8 °C
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(2) = 1,083

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.

Fattore integrante

μ = e∫2/x dx = x2

Integra

(x2y)′ = x2 → x2y = 1x3/3 + C

Condizione iniziale

2 = 1/3 + C → C = 1,667

Calcola

y(2) = (1·23/3 + 1,667)/22 = 1,083

Risposta

y(2) = 1,083
3.Matrici e determinanti

Risposta: c22 = 9

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.

Riga per colonna

c22 = (−1)·(−5) + (−1)·(−4) = 9

Risposta

c22 = 9
4.Matrici e determinanti

Risposta: x = −0,6667

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.

Determinante della matrice dei coefficienti

det A = (−5)·(−3) − (−3)·(−2) = 9

Sostituisci la colonna di x

det Aₓ = 4·(−3) − (−3)·2 = −6
x = −6/9 = −0,6667

Risposta

x = −0,6667
y = −0,2222
5.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: W = 250 J

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Spostamento

d = B − A = (3, −2, 1) − (−4, −3, 3) = (7, 1, −2) m

Lavoro

W = F·d = 30·7 + 10·1 + (−15)·(−2) = 250 J

Risposta

W = 250 J
6.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: Mz = 250 N·m

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Vettore posizione da O ad A

r = A − O = (2, −4, −2) − (0, −1, 3) = (2, −3, −5) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·(−30) − (−5)·50 = 340 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−5)·50 − 2·(−30) = −190 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 2·50 − (−3)·50 = 250 N·m

Componente richiesta

Mz = 250 N·m

Risposta

Mz = 250 N·m
7.Integrali

Risposta: I = 19,09

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.

Primitiva

F(x) = ex/1

Valuta agli estremi

I = (e3 − 1)/1 = (20,09 − 1)/1 = 19,09

Risposta

I = 19,09
8.Integrali

Risposta: V = 0,4189

Volumi di rotazione: ruotando attorno all’asse x la regione sotto y = f(x) da x = a a x = b si ottiene un solido la cui sezione in x è un disco di raggio f(x). Sommando i dischi si ha V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando la regione sta tra una curva esterna R(x) e una interna r(x), ogni fetta è una rondella: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva al quadrato i raggi prima di sottrarli.

Punti di intersezione

1x = 1x² → x = 0, x = 1

Metodo delle rondelle

V = π∫₀1 ((1x)² − (1x²)²) dx

Integra

V = π(1·1³/3 − 1·1⁵/5) = π·0,1333 = 0,4189

Risposta

V = 0,4189
9.Calcolo multivariabile

Risposta: |∇f| = 85,56

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 = −4y² + 8x − 3y → fx(−2, 3) = −61
fy = −8xy + 2y − 3x → fy(−2, 3) = 60

Lunghezza del gradiente

|∇f| = √((−61)² + 60²) = 85,56

Risposta

|∇f| = 85,56
10.Calcolo multivariabile

Risposta: fmin = −20

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 − 12) = 0
fy = (2y − 4) = 0
(2, 2), (−2, 2)

Test delle derivate seconde

(2, 2): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → minimo locale
(−2, 2): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → punto di sella

Valore nell’estremo

f(2, 2) = −20

Risposta

fmin = −20
11.Successioni e serie

Risposta: A: Σ 1/(k(k + 3))

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/(k(k + 3)) → Minore di 1/k²: converge per confronto.
B: Σ (k + 4)/k² → Si comporta come 1/k per k grande: diverge per confronto con la serie armonica.
C: Σ k!/3ᵏ → Criterio del rapporto: L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
D: Σ 1/(3k + 1) → Si comporta come 1/(3k) per k grande; confrontata con la serie armonica, diverge.

La risposta

A: Σ 1/(k(k + 3))

Risposta

A: Σ 1/(k(k + 3))
12.Successioni e serie

Risposta: S = 7,389

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.

Serie notevoli

Σ xᵏ/k! = eˣ

Sostituisci

x = 2
S = e2 = 7,389

Risposta

S = 7,389
13.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.1) = 0,09027

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).

Fratti semplici

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 6)
A = 25/(4·6) = 1,042
B = 25/((−4)·2) = −3,125
C = 25/((−6)·(−2)) = 2,083

Antitrasformata

f(t) = 1,042 − 3,125·e−4t + 2,083·e−6t

Calcola

f(0,1) = 1,042 − 3,125·e−4·0,1 + 2,083·e−6·0,1 = 0,09027

Risposta

f(0,1) = 0,09027
14.Trasformate di Laplace

Risposta: g(0.4) = 1,813

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).

Funzione di trasferimento

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 18)/(s² + 6s + 10)

Fratti semplici

s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1²
G(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (6/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Risposta all’impulso

g(t) = e−3t·(4·cos 1t + 6·sin 1t)
g(0,4) = 1,813

Risposta

g(0,4) = 1,813
15.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: Ay = 32

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).

Aree degli ingressi

∫x dt = 2·4 = 8
∫h dt = 1·4 = 4

Area dell’uscita

Ay = 8·4 = 32

Risposta

Ay = 32
16.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: c1 = 1,35

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)|.

Rapporto di lavoro

D = 1/4 = 0,25

Ampiezza dell’armonica

c1 = (2·3/(1π))·|sin(1π·0,25)| = 1,35

Risposta

c1 = 1,35

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