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
500 °C kalta plieno detalė paliekama aušti 30 °C dirbtuvėje. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,01 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 58 min.
T0 = 500 °CTa = 30 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 58 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 1000 L gryno vandens. Sūrymas, kurio litre yra 0,2 kg druskos, įteka 20 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Kiek druskos m bus talpoje po 30 min?
V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−3 2 2; −1 1 1; 0 1 −2]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.
A = [−3 2; −6 5]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite kampą θ tarp vektorių a = (2, −3, −5) ir b = (−5, −5, 4) laipsniais.
a = (2, −3, −5)b = (−5, −5, 4)
θ = °
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite trikampio, kurio viršūnės A(3, 1, 2), B(−1, −3, 2) ir C(0, −1, 1), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.
A(3, 1, 2)B(−1, −3, 2)C(0, −1, 1)
A = m²
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫28 4/x dx.
f(x) = 4/x[2, 8]
I =
8.IntegralaiSunkus
Sritis tarp tiesės y = 6x ir parabolės y = 3x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.
Naudodami polines koordinates apskaičiuokite I = ∬R (x² + y²) dA, kur R yra žiedas 1 ≤ x² + y² ≤ 2,25.
f = x² + y²1 ≤ r ≤ 1,50 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite sumą S = Σk=1∞ 4/(k(k + 3)).
ak = 4/(k(k + 3))
S =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=1∞ (−1)k+1/k.
ak = (−1)k+1/k
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5)), ir apskaičiuokite f(0,8).
F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 5y′ + 4y = 4u′ + 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 = 0,25 s. Raskite g(0,25).
y″ + 5y′ + 4y = 4u′ + 18ut = 0,25 s
g(0.25) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−0,5tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(6), kai t = 6 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 6 s
y(6) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Impulsų seka turi aukštį 3, impulso plotį 2 ms ir periodą 10 ms. Raskite 2-osios harmonikos, kurios dažnis 200 Hz, amplitudę c2.
A = 3τ = 2 msT = 10 ms
c2 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 293,2 °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) = 30 + 470·e−0,01t
Įstatykite t
T(58) = 30 + 470·0,5599 = 293,2 °C
Atsakymas
T = 293,2 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: m = 90,24 kg
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.
Sudarykite lygtį
dm/dt = 20·0,2 − (20/1000)·m = 4 − 0,02·m
Išspręskite
Integruojantysis daugiklis yra ert/V; sprendinys artėja prie pusiausvyrinės reikšmės c·V.
m(t) = 200 + (−200)·e−t/50
Įstatykite t
m(30) = 200 + (−200)·0,5488 = 90,24 kg
Atsakymas
m = 90,24 kg
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 3
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 = −3, M₁₂ = 2, M₁₃ = −1
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−3)·(−3) − 2·2 + 2·(−1) = 3
Atsakymas
det A = 3
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = 3
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 − (2)λ + (−3) = 0
Išspręskite
λ = (2 ± √(16))/2 → λ = −1, 3
λ = 3
Atsakymas
λ = 3
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: θ = 107,4 °
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 = 2·(−5) + (−3)·(−5) + (−5)·4 = −15
Moduliai
|a| = √(2² + (−3)² + (−5)²) = 6,164
|b| = √((−5)² + (−5)² + 4²) = 8,124
Kampas
cos θ = −15/(6,164·8,124) = −0,2995
θ = arccos(−0,2995) = 107,4°
Atsakymas
θ = 107,4°
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 3,464 m²
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.
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.
Pirmykštė funkcija
F(x) = 4·ln x
Įstatykite rėžius
I = 4·(ln 8 − ln 2) = 4·ln 4 = 5,545
Atsakymas
I = 5,545
8.Integralai
Atsakymas: V = 120,6
Sukimosi kūnų tūriai: sritį po kreive y = f(x) nuo x = a iki x = b sukant apie x ašį, gaunamas kūnas, kurio pjūvis ties x yra skritulys, kurio spindulys f(x). Sudėjus skritulius, gaunama V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Kai sritis yra tarp išorinės kreivės R(x) ir vidinės kreivės r(x), kiekvienas sluoksnis yra žiedas: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Spindulius pakelkite kvadratu prieš atimdami.
Susikirtimo taškai
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Žiedų metodas
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integruokite
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Atsakymas
V = 120,6
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 104,7
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.
Dalinės išvestinės
fx = −2xy³ + 12x² − 3y → fx(3, 1) = 99
fy = −3x²y² + 2y − 3x → fy(3, 1) = −34
Gradiento ilgis
|∇f| = √(99² + (−34)²) = 104,7
Atsakymas
|∇f| = 104,7
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 6,381
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).
Polinė forma
I = ∫02π ∫11,5 r²·r dr dθ
Integruokite
∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 6,381
Atsakymas
I = 6,381
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 2,444
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.
Paprastosios trupmenos
4/(k(k + 3)) = (4/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Atšaukti
S = (4/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 2,444
Atsakymas
S = 2,444
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 0,6931
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)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)
Įstatykite
x = 1
S = ln 2 = 0,6931
Atsakymas
S = 0,6931
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.8) = 1,772
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).
Paprastosios trupmenos
F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 20/(1·5) = 4
B = 20/((−1)·4) = −5
C = 20/((−5)·(−4)) = 1
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 4 − 5·e−t + e−5t
Apskaičiuokite
f(0,8) = 4 − 5·e−0,8 + e−5·0,8 = 1,772
Atsakymas
f(0,8) = 1,772
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.25) = 3,389
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).
Perdavimo funkcija
G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 18)/(s² + 5s + 4)
Paprastosios trupmenos
s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 4,667, B = −0,6667
Impulsinė reakcija
g(t) = 4,667·e−t − 0,6667·e−4t
g(0,25) = 3,389
Atsakymas
g(0,25) = 3,389
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(6) = 1,9
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).
Sąsūka su šuoliu
y(t) = 1·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (1/0,5)·(1 − e−0,5t)
Apskaičiuokite
y(6) = 2·(1 − e−3) = 1,9
Atsakymas
y(6) = 1,9
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c2 = 0,9082
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)|.