D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Dvilypis integralas
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Polinės koordinatės
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Metodas
Dalinei išvestinei kitą kintamąjį laikykite konstanta ir naudokite vieno kintamojo taisykles.
Gradiento uždaviniuose taške apskaičiuokite ∇f = (fx, fy); stačiausiam nuolydžiui naudokite |∇f|, o išvestinei pagal kryptį – ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u.
Ekstremumams kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0, tada kiekvieną tašką klasifikuokite pagal D = fxx·fyy − fxy².
Dvilypiam integralui nubraižykite sritį, pasirinkite tvarką (arba polines koordinates skrituliams), kad vidinės ribos būtų ribojančios kreivės, ir integruokite pirmiausia vidų.
Sekos ir eilutės
Aritmetinė seka
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrinė seka
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Begalinė geometrinė eilutė
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p eilutė
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
D’Alambero kriterijus
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergavimo spindulys
R = lim |ck/ck+1|
Teiloro polinomas
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maklorino eilutė
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Sumoms naudokite Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) arba S = a₁/(1 − r), kai |r| < 1, kur a₁ yra pirmasis sumos narys.
Konvergavimui: pirmiausia būtinoji sąlyga, tada palyginkite su Σ1/kᵖ ar geometrine eilute, o faktorialams ir k-tiesiems laipsniams naudokite d’Alambero ar Koši kriterijų.
Teiloro polinomams išvardykite f(a), f′(a), f″(a), …, k-ąją išvestinę padalykite iš k! ir paklaidą įvertinkite M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
Patikrinkite rezultatą: išėjimas prasideda pradžios laikų suma, baigiasi pabaigos laikų suma, o jo plotas ar suma lygi įėjimų plotų ar sumų sandaugai.
2Uždaviniai
1.Diferencialinės lygtysVidutinis
4 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 24 °C kambarį. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,03 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 9 min.
T0 = 4 °CTa = 24 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 9 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite y″ + y′ + 4,25y = 0, kai y(0) = 2 ir y′(0) = 0 (paleista iš rimties). Raskite y(1,5); kampai radianais.
y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−5 −4 4; 0 −4 −4; 0 −2 5]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.
A = [5 −2; −2 2]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektoriaus a = (5, −7, −7) skaliarinę projekciją compb a į b = (−1, −4, −3), t. y. a komponentę b kryptimi.
a = (5, −7, −7)b = (−1, −4, −3)
compb a =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite lygiagretainio, sudaryto vektorių a = (1, −5, 6) ir b = (4, 4, 3), plotą A.
a = (1, −5, 6)b = (4, 4, 3)
A =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = x2 ir y = 2x, plotą A.
Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·22k/(2k)!
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (3s + 2)/(s² + 2s + 1), ir apskaičiuokite f(1,5).
F(s) = (3s + 2)/(s² + 2s + 1)t = 1,5 s
f(1.5) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 4y′ + 5y = u′ + 18u, kurios įėjimas u(t), o išėjimas y(t). Raskite jos perdavimo funkciją G(s) = Y(s)/U(s) (pradinės sąlygos nulinės) ir apskaičiuokite impulsinę reakciją g(t) ties t = 0,3 s. Raskite g(0,3).
y″ + 4y′ + 5y = u′ + 18ut = 0,3 s
g(0.3) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Įėjimas x(t) = 1·e−5tu(t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−2tu(t). Raskite išėjimą y(2), kai t = 2 s.
x(t) = 1·e−5tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y′(t) + 0,5·y(t) = 10·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 0,4 s, h(0,4).
y′ + 0,5y = 10xt = 0,4 s
h(0.4) =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 8,732 °C
Pirmos eilės diferencialinės lygtys: lygties dy/dt = k·y sprendinys yra y = y₀·ekt (augimas, kai k > 0, mažėjimas, kai k < 0); pusėjimo trukmė T duoda k = ln 2/T. Niutono aušimo dėsnis dT/dt = −k·(T − Tₐ) duoda T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Tiesinė lygtis y′ + p(x)·y = q(x) sprendžiama su integruojančiuoju daugikliu μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, todėl μy = ∫μq dx + C.
Aušimo dėsnio sprendinys
T(t) = 24 + (−20)·e−0,03t
Įstatykite t
T(9) = 24 + (−20)·0,7634 = 8,732 °C
Atsakymas
T = 8,732 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = −0,9019
Antros eilės tiesinės lygtys: lygčiai y″ + b·y′ + c·y = 0 bandykite y = ert: gaunama charakteristinė lygtis r² + b·r + c = 0. Dvi skirtingos realiosios šaknys r₁ ≠ r₂ duoda y = A·er₁t + B·er₂t (viršslopinamas atvejis); dviguba šaknis r duoda y = (A + Bt)·ert (kritinis slopinimas); kompleksinės šaknys −α ± jω duoda y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (nepakankamas slopinimas, virpesiai). Pradinės vertės y(0) ir y′(0) nustato A ir B. Užrašius y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn yra savasis dažnis, o ζ – slopinimo santykis: kai ζ < 1, atsiranda virpesių. Esant pastoviam įėjimui, y″ + by′ + cy = c·K, sprendinys yra nusistovėjusi vertė K plius laisvoji dedamoji.
Kompleksinės šaknys
r = −0,5 ± 2j
Konstantos
A = 2, B = 0,5·2/2 = 0,5
Apskaičiuokite
y(1,5) = e−0,75(2·cos 3 + 0,5·sin 3) = −0,9019
Atsakymas
y(1,5) = −0,9019
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 140
Matricos: 2×2 matricos determinantas yra ad − bc. 3×3 atveju skleiskite pagal eilutę: kiekvienas elementas dauginamas iš 2×2 matricos, likusios išbraukus jo eilutę ir stulpelį, determinanto, su besikeičiančiais ženklais + − +. Tikrinės reikšmės λ tenkina det(A − λI) = 0; 2×2 atveju tai λ² − (pėdsakas)·λ + det = 0.
Pirmosios eilutės 2×2 minorai
M₁₁ = −28, M₁₂ = 0, M₁₃ = 0
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−5)·(−28) − (−4)·0 + 4·0 = 140
Atsakymas
det A = 140
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = 6
Matricos: 2×2 matricos determinantas yra ad − bc. 3×3 atveju skleiskite pagal eilutę: kiekvienas elementas dauginamas iš 2×2 matricos, likusios išbraukus jo eilutę ir stulpelį, determinanto, su besikeičiančiais ženklais + − +. Tikrinės reikšmės λ tenkina det(A − λI) = 0; 2×2 atveju tai λ² − (pėdsakas)·λ + det = 0.
Charakteringoji lygtis
λ² − (7)λ + (6) = 0
Išspręskite
λ = (7 ± √(25))/2 → λ = 1, 6
λ = 6
Atsakymas
λ = 6
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: compb a = 8,629
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.
Skaliarinė sandauga
a·b = 5·(−1) + (−7)·(−4) + (−7)·(−3) = 44
b ilgis
|b| = √((−1)² + (−4)² + (−3)²) = 5,099
Skaliarinė projekcija
compb a = a·b/|b| = 44/5,099 = 8,629
Atsakymas
compb a = 8,629
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 50,38
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.
Vektorinė sandauga
(a × b)x = aybz − azby = (−5)·3 − 6·4 = −39
(a × b)y = azbx − axbz = 6·4 − 1·3 = 21
(a × b)z = axby − aybx = 1·4 − (−5)·4 = 24
Plotas
A = |a × b| = √((−39)² + 21² + 24²) = 50,38
Atsakymas
A = 50,38
7.Integralai
Atsakymas: I = 1,264
Apibrėžtiniai integralai: ∫ₐᵇ f(x) dx – tai ženklą turintis plotas tarp grafiko ir x ašies nuo a iki b. Raskite pirmykštę funkciją F (F′ = f) ir apskaičiuokite F(b) − F(a). Laipsnio taisyklė: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Plotas tarp dviejų kreivių yra ∫(viršutinė − apatinė) dx.
Apibrėžtiniai integralai: ∫ₐᵇ f(x) dx – tai ženklą turintis plotas tarp grafiko ir x ašies nuo a iki b. Raskite pirmykštę funkciją F (F′ = f) ir apskaičiuokite F(b) − F(a). Laipsnio taisyklė: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Plotas tarp dviejų kreivių yra ∫(viršutinė − apatinė) dx.
Susikirtimo taškai
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Atsakymas
A = 1,333
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: Duf = −6,534
Gradientas: ∇f = (fx, fy) nukreiptas stačiausio kilimo kryptimi, o |∇f| yra didžiausias kitimo greitis. Išvestinė kryptimi v yra Duf = ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u = v/|v|. Liečiamoji plokštuma taške (a, b) yra z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); ji duoda tiesinę f aproksimaciją šalia to taško. Sudėtinės funkcijos taisyklė: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Gradientas taške
fx = 3 cos(x − 2y) → fx(1, 2) = −2,97
fy = −6 cos(x − 2y) → fy(1, 2) = 5,94
Vienetinis vektorius
|v| = √(3² + (−4)²) = 5
u = (0,6, −0,8)
Skaliarinė sandauga
Duf = (−2,97)·0,6 + 5,94·(−0,8) = −6,534
Atsakymas
Duf = −6,534
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 27
Kritiniai taškai ir dvilypiai integralai: kritiniame taške fx = fy = 0. Antros eilės išvestinių testas su D = fxxfyy − fxy²: D > 0 ir fxx > 0 yra lokalusis minimumas, D > 0 ir fxx < 0 – lokalusis maksimumas, D < 0 – balno taškas, o D = 0 nieko nenusprendžia. Dvilypiam integralui bendrojoje srityje vidinėmis ribomis imkite sritį ribojančias kreives; skritulių ir išpjovų atveju naudokite polines koordinates, x = r cos θ, y = r sin θ ir dA = r dr dθ (nepamirškite daugiklio r).
Ribos
0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 3x
Vidinis integralas
∫03x (4x − 2y) dy = 4x·3x − 2·(3x)²/2 = 3x²
Išorinis integralas
I = 3·3³/3 = 27
Atsakymas
I = 27
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: C: Σ 1/(2k + 1)
Konvergavimas: jei nariai nesiekia 0, eilutė diverguoja (būtinoji sąlyga). Σ1/kᵖ konverguoja tik kai p > 1, o Σrᵏ – tik kai |r| < 1. Eilutę palyginkite su viena iš šių, kai jos nariai dideliems k elgiasi panašiai. D’Alambero kriterijus: L = lim |ak+1/ak|; Koši šaknies kriterijus: L = lim |ak|1/k. L < 1 konverguoja, L > 1 diverguoja, L = 1 nieko nenusprendžia. Laipsninė eilutė Σck(x − x₀)ᵏ konverguoja, kai |x − x₀| < R, kur R = lim |ck/ck+1|; alternuojančioji eilutė, kurios nariai mažėja iki 0, konverguoja.
Patikrinkite kiekvieną eilutę
A: Σ 2/k² → p eilutė, kai p = 2 > 1: konverguoja.
B: Σ 1/(k(k + 2)) → Mažesnė už 1/k²: konverguoja pagal palyginimo kriterijų.
C: Σ 1/(2k + 1) → Dideliems k elgiasi kaip 1/(2k); palyginus su harmonine eilute, diverguoja.
D: Σ (2/3)ᵏ → Geometrinė, kai r = 2/3, |r| < 1: konverguoja.
Atsakymas
C: Σ 1/(2k + 1)
Atsakymas
C: Σ 1/(2k + 1)
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = −0,4161
Teiloro polinomai: prie x = a glodi funkcija aproksimuojama Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; kai a = 0, tai Maklorino polinomas. Standartinės eilutės: 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. Lagranžo paklaidos įvertis: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, kur M yra didžiausia |f⁽ⁿ⁺¹⁾| reikšmė tarp a ir x.
Standartinės eilutės
Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x
Įstatykite
x = 2
S = cos 2 = −0,4161
Atsakymas
S = −0,4161
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(1.5) = 0,3347
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 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), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Išskaidykite vardiklį dauginamaisiais
s² + 2s + 1 = (s + 1)²
Paprastosios trupmenos
3s + 2 = 3(s + 1) + −1
F(s) = 3/(s + 1) − 1/(s + 1)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 3·e−t − t·e−t
f(1,5) = (3 − 1·1,5)·e−1,5 = 0,3347
Atsakymas
f(1,5) = 0,3347
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.3) = 3,119
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 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), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Tolydžioji sąsūka: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Apverskite h, pastumkite į padėtį t ir suintegruokite persidengiančių dalių sandaugą. Priežastiniams signalams integralas skaičiuojamas nuo 0 iki t. Naudingi rezultatai: y plotas lygus x ploto ir h ploto sandaugai; jei x trunka nuo t₁ iki t₂, o h nuo t₃ iki t₄, tai y trunka nuo t₁ + t₃ iki t₂ + t₄. Kai h(t) = e−atu(t), o šuolio aukštis A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Impulsinė charakteristika ir Furjė eilutė: impulsinė charakteristika h(t) visiškai aprašo LTI sistemą: lygčiai y′ + a·y = b·x ji yra h(t) = b·e−atu(t), o lygčiai y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ji yra h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoidė cos ωt praeina su stiprinimu |H(jω)| ir faze ∠H(jω), kur H yra h Furjė transformacija. Periodinis signalas yra harmonikų, kurių dažnis k/T, suma: ±A stačiakampė banga turi tik nelygines harmonikas, kurių amplitudės 4A/(kπ), A pikinės vertės trikampė banga turi 8A/(π²k²), o A aukščio ir pildymo koeficiento D impulsų seka turi vidurkį A·D ir harmonikas (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.