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)24Ta​27 °C25 °C

Una tazza di caffè a 84 °C viene lasciata in una stanza a 23 °C. Dopo 24 min la sua temperatura è 27 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 25 °C?

T0 = 84 °CTa = 23 °CT(24) = 27 °CT = 25 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 10y(0,25) = ?

Risolvi y″ + 4y′ + 20y = 0 con y(0) = 10 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,25); angoli in radianti.

y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matrici e determinantiMedia
A =−123−6B =6156

Sia C = AB per le matrici mostrate. Trova l'elemento c21 (riga 2, colonna 1).

A = [−1 2; 3 −6]B = [6 1; 5 6]
c21 =
4.Matrici e determinantiDifficile
A =246−1b =−6−5

Risolvi il sistema 2x + 4y = −6 e 6x − y = −5. Trova x.

2x + 4y = −66x − y = −5
x =
5.Vettori: prodotto scalare e vettorialeMedia
xyzab

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

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

Trova il volume V del parallelepipedo i cui spigoli uscenti da un vertice sono a = (0, −3, −1), b = (−2, 2, 2) e c = (5, 4, 2).

a = (0, −3, −1)b = (−2, 2, 2)c = (5, 4, 2)
V =
7.IntegraliMedia
xy12

Calcola I = ∫12 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 2]
I =
8.IntegraliDifficile
xy−11

Trova l'area A della regione tra la parabola y = 1 − x² e l'asse x.

y = 1 − x²
A =
9.Calcolo multivariabileMedia
xy−2024024vP

Per f(x, y) = 3xy + 2x² − 2y³, trova la derivata direzionale Duf in (2, 2) nella direzione di v = (−4, −3).

f(x, y) = 3xy + 2x² − 2y³P = (2, 2)v = (−4, −3)
Duf =
10.Calcolo multivariabileDifficile
xy3

Usa le coordinate polari per calcolare I = ∬R (x² + y²) dA, dove R è il disco x² + y² ≤ 9.

f = x² + y²0 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Successioni e serieMedia
AΣ (5k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

A: Σ (5k + 1)/(k + 2)B: Σ k!/3ᵏC: Σ ln k / kD: Σ 1/(3ᵏ + k)
  1. 1A: Σ (5k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ k!/3ᵏ
  3. 3C: Σ ln k / k
  4. 4D: Σ 1/(3ᵏ + k)
12.Successioni e serieDifficile

f(x) = sin x è approssimata in x = 1,5 dal suo polinomio di Maclaurin di grado n. Con la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 1, trova il grado minimo n che garantisce un errore inferiore a 1 × 10⁻⁶.

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Trova f(t) per F(s) = (2s + 26)/(s² + 6s + 9) e calcola f(0,1).

F(s) = (2s + 26)/(s² + 6s + 9)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Risolvi y″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 10 e y′(0) = −3 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,4).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 10y′(0) = −3t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Convoluzione e sistemi LTIMedia
x(t)t14h(t)t35

L’impulso x(t) = 4 per 0 ≤ t < 1 s (nullo altrove) è applicato a un sistema con risposta impulsiva h(t) = 5 per 0 ≤ t < 3 s (nulla altrove). Trova l’uscita y(1) in t = 1 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 1 s
y(1) =
16.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
10cos(15t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

L’ingresso x(t) = 10·cos(15t) è applicato a un sistema con h(t) = 2·e−5tu(t). Trova l’ampiezza Ym dell’uscita a regime.

h(t) = 2e−5tu(t)x(t) = 10cos(15t)
Ym =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: t = 30,11 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(61/4)/24 = 0,1135 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(61/2)/0,1135 = 30,11 min

Risposta

t = 30,11 min
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.25) = 5,829

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.

Radici complesse

r = −2 ± 4j

Costanti

A = 10, B = 2·10/4 = 5

Calcola

y(0,25) = e−0,5(10·cos 1 + 5·sin 1) = 5,829

Risposta

y(0,25) = 5,829
3.Matrici e determinanti

Risposta: c21 = −12

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

c21 = 3·6 + (−6)·5 = −12

Risposta

c21 = −12
4.Matrici e determinanti

Risposta: x = −1

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 = 2·(−1) − 4·6 = −26

Sostituisci la colonna di x

det Aₓ = (−6)·(−1) − 4·(−5) = 26
x = 26/(−26) = −1

Risposta

x = −1
y = −1
5.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: k = 3,2

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.

Il prodotto scalare è uguale a zero

a·b = 2·(−2) + 6·(−2) + 5·k = 0
−16 + 5·k = 0

Risolvi per k

k = −(−16)/5 = 3,2

Risposta

k = 3,2
6.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: V = 24

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.

Prodotto vettoriale b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 2·2 − 2·4 = −4
(b × c)y = bzcx − bxcz = 2·5 − (−2)·2 = 14
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·4 − 2·5 = −18

Prodotto scalare con a

a·(b × c) = 0·(−4) + (−3)·14 + (−1)·(−18) = −24
V = |−24| = 24

Risposta

V = 24
7.Integrali

Risposta: I = 2,079

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) = 3·ln x

Valuta agli estremi

I = 3·(ln 2 − ln 1) = 3·ln 2 = 2,079

Risposta

I = 2,079
8.Integrali

Risposta: A = 1,333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

Integra

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Risposta

A = 1,333
9.Calcolo multivariabile

Risposta: Duf = −0,4

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.

Gradiente nel punto

fx = 3y + 4x → fx(2, 2) = 14
fy = 3x − 6y² → fy(2, 2) = −18

Versore

|v| = √((−4)² + (−3)²) = 5
u = (−0,8, −0,6)

Prodotto scalare

Duf = 14·(−0,8) + (−18)·(−0,6) = −0,4

Risposta

Duf = −0,4
10.Calcolo multivariabile

Risposta: I = 127,2

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).

Forma polare

I = ∫02π ∫03 r²·r dr dθ

Integra

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 127,2

Risposta

I = 127,2
11.Successioni e serie

Risposta: D: Σ 1/(3ᵏ + k)

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 (5k + 1)/(k + 2) → I termini tendono a 5, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
B: Σ k!/3ᵏ → Criterio del rapporto: L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
C: Σ ln k / k → Maggiore di 1/k per k ≥ 3: diverge per confronto con la serie armonica.
D: Σ 1/(3ᵏ + k) → Minore di (1/3)ᵏ, una serie geometrica convergente: converge per confronto.

La risposta

D: Σ 1/(3ᵏ + k)

Risposta

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

Risposta: n = 11

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)!maggiorazione011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059936288001,589 × 10⁻⁵10399168002,167 × 10⁻⁶114790016002,709 × 10⁻⁷

Maggiorazioni al crescere di n

n = 10: 2,167 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 11: 2,709 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

Grado minimo

n = 11

Risposta

n = 11
13.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.1) = 2,963

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

Fratti semplici

2s + 26 = 2(s + 3) + 20
F(s) = 2/(s + 3) + 20/(s + 3)²

Antitrasformata

f(t) = 2·e−3t + 20·t·e−3t
f(0,1) = (2 + 20·0,1)·e−3·0,1 = 2,963

Risposta

f(0,1) = 2,963
14.Trasformate di Laplace

Risposta: y(0.4) = 6,273

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 − 10s − (−3) + 7(sY − 10) + 10Y = 0
Y(s) = (10s + 67)/((s + 2)(s + 5))

Fratti semplici

A = 47/3 = 15,67
B = 17/(−3) = −5,667

Risultato

y(t) = 15,67·e−2t − 5,667·e−5t
y(0,4) = 6,273

Risposta

y(0,4) = 6,273

Controllo: y(0) = A + B = 10.

15.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(1) = 20

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).

Sovrapposizione dell’impulso ribaltato

h(t − τ) è l’impulso di h ribaltato e traslato in modo che termini in τ = t.

τ ∈ [0, 1] → lunghezza 1 s

Integrale

y(1) = 4·5·1 = 20

Risposta

y(1) = 20

y(t) è un trapezio: sale da 0, resta a 20 e ridiscende a 0 in t = 4 s.

16.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: Ym = 1,265

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)|.

Risposta in frequenza

H(jω) = 2/(5 + jω)

Guadagno alla frequenza dell’ingresso

|H(j15)| = 2/√(5² + 15²) = 0,1265
Ym = 10·0,1265 = 1,265

Risposta

Ym = 1,265

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