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
Išspręskite y″ + 5y′ + 4y = 0, kai y(0) = 2 ir y′(0) = 4. Raskite y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + 2y/x = 6, kai x > 0, su y(1) = 5. Raskite y(2).
y′ + 2y/x = 6y(1) = 5
y(2) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [5 5 3; −4 −3 3; 4 3 0]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 4x + 5y = −11 ir 3x − y = 11. Raskite x.
4x + 5y = −113x − y = 11
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (−25, −25, 20) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(−3, 4, −4) į tašką B(−3, −5, 0). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (−25, −25, 20) NA(−3, 4, −4) mB(−3, −5, 0) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Kai a = (1, 5, 3) ir b = (−6, −3, −4), raskite vektorinės sandaugos a × b z komponentę (a × b)z.
Naudodami polines koordinates apskaičiuokite I = ∬R (x² + y²) dA, kur R yra skritulys x² + y² ≤ 4.
f = x² + y²0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Lygiai viena iš keturių eilučių diverguoja. Spustelėkite ją.
A: Σ 2/k²B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ (4/5)ᵏD: Σ k/(k + 5)
1A: Σ 2/k²
2B: Σ (−1)ᵏ/k
3C: Σ (4/5)ᵏ
4D: Σ k/(k + 5)
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = eˣ aproksimuojama 4 laipsnio Maklorino polinomu taške x = 0,3. Naudodami Lagranžo paklaidos įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = e0,3 = 1,35, raskite didžiausią galimą paklaidą |R₄|.
f(x) = eˣn = 4x = 0,3M = 1,35
|R₄| =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (s + 15)/(s² + 11s + 28). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−4t + B·e−7t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (s + 15)/(s² + 11s + 28)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 6y′ + 10y = u′ + 6u, 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 = 0,1 s. Raskite g(0,1).
y″ + 6y′ + 10y = u′ + 6ut = 0,1 s
g(0.1) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = 1 s ir t = 4 s, o h(t) – tik tarp t = 1 s ir t = 5 s. Raskite laiką tstart, kada y(t) = x(t) ∗ h(t) prasideda.
x: 1 … 4 sh: 1 … 5 s
tstart = s
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −2 ir +2, jos periodas T = 1 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 3000 Hz, amplitudę c3.
±2T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.5) = 2,155
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.
Charakteristinės šaknys
(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Konstantos pagal pradines vertes
A + B = 2, −1A − 4B = 4
A = 4, B = −2
Apskaičiuokite
y(0,5) = 4·e−0,5 + (−2)·e−2 = 2,155
Atsakymas
y(0,5) = 2,155
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(2) = 4,75
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.
Integruojantysis daugiklis
μ = e∫2/x dx = x2
Integruokite
(x2y)′ = 6x2 → x2y = 6x3/3 + C
Pradinė sąlyga
5 = 6/3 + C → C = 3
Apskaičiuokite
y(2) = (6·23/3 + 3)/22 = 4,75
Atsakymas
y(2) = 4,75
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 15
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 = −9, M₁₂ = −12, M₁₃ = 0
Skleidinys pagal eilutę
det A = 5·(−9) − 5·(−12) + 3·0 = 15
Atsakymas
det A = 15
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 2,316
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.
Koeficientų matricos determinantas
det A = 4·(−1) − 5·3 = −19
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−11)·(−1) − 5·11 = −44
x = −44/(−19) = 2,316
Atsakymas
x = 2,316
y = −4,053
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 305 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.
Poslinkis
d = B − A = (−3, −5, 0) − (−3, 4, −4) = (0, −9, 4) m
Darbas
W = F·d = (−25)·0 + (−25)·(−9) + 20·4 = 305 J
Atsakymas
W = 305 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: (a × b)z = 27
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 komponentėmis
(a × b)x = aybz − azby = 5·(−4) − 3·(−3) = −11
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−6) − 1·(−4) = −14
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−3) − 5·(−6) = 27
Prašoma komponentė
(a × b)z = 27
Atsakymas
(a × b)z = 27
Patikra: a × b yra statmena abiem vektoriams, todėl jos skaliarinė sandauga su a ir su b lygi nuliui.
7.Integralai
Atsakymas: I = 2,333
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.
Keitinys
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Integruokite ir įstatykite rėžius
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Atsakymas
I = 2,333
8.Integralai
Atsakymas: I = 0,7183
Integravimas dalimis: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, išplaukia iš sandaugos diferencijavimo taisyklės. Kaip u rinkitės dauginamąjį, kuris diferencijuojant tampa paprastesnis (x laipsnį ar ln x), o kaip dv – dauginamąjį, kurį galite suintegruoti (eˣ, sin x, cos x arba x, kai u = ln x). Apibrėžtiniam integralui u·v apskaičiuokite abiejose ribose: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Dauginamajam x² reikia dviejų ciklų.
Pirmasis ciklas
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Antrasis ciklas
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Ribos
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Atsakymas
I = 0,7183
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: Duf = 64
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 = −3y³ + 8x − 4y → fx(−2, 2) = −48
fy = −9xy² − 8y − 4x → fy(−2, 2) = 64
Vienetinis vektorius
|v| = √(0² + 1²) = 1
u = (0, 1)
Skaliarinė sandauga
Duf = (−48)·0 + 64·1 = 64
Atsakymas
Duf = 64
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 25,13
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 ∫02 r²·r dr dθ
Integruokite
∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 25,13
Atsakymas
I = 25,13
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: D: Σ k/(k + 5)
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.
C: Σ (4/5)ᵏ → Geometrinė, kai r = 4/5, |r| < 1: konverguoja.
D: Σ k/(k + 5) → Nariai artėja prie 1, o ne prie 0: diverguoja pagal būtinąją sąlygą.
Atsakymas
D: Σ k/(k + 5)
Atsakymas
D: Σ k/(k + 5)
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: |R₄| = 2,733 × 10⁻⁵
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.
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 + 11s + 28 = (s + 4)(s + 7)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 7)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 4) ir įrašykite s = −4: B narys išnyksta.
A = (s + 15)/(s + 7) |s = −4 = 11/3 = 3,667
Atsakymas
A = 3,667
(B = −2,667, taigi f(t) = 3,667·e−4t − 2,667·e−7t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.1) = 0,959
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).
Pradžia ir pabaiga
tstart = 1 + 1 = 2 s
tend = 4 + 5 = 9 s
Atsakymas
tstart = 2 s
Atsakymas
tstart = 2 s
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c3 = 0,1801
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)|.