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
81 °C kavos puodelis paliekamas 23 °C kambaryje. Po 16 min temperatūra yra 35 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Raskite konstantą k min⁻¹.
T0 = 81 °CTa = 23 °CT(16) = 35 °C
k = min⁻¹
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + 4y′ + 29y = 29, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(0,25); kampai radianais.
y″ + 4y′ + 29y = 29y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [3 −4 −5; −3 3 0; 0 2 1]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 6x + y = 5 ir −6x − 5y = −12. Raskite x.
6x + y = 5−6x − 5y = −12
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite kampą θ tarp vektorių a = (−4, 6, −6) ir b = (4, 0, −3) laipsniais.
a = (−4, 6, −6)b = (4, 0, −3)
θ = °
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite trikampio, kurio viršūnės A(−4, −3, −2), B(−4, 4, 3) ir C(−2, 4, 2), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.
A(−4, −3, −2)B(−4, 4, 3)C(−2, 4, 2)
A = m²
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫03 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 3]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 4 − x² ir x ašies plotą A.
f(x) = eˣ taške x = 2 aproksimuojama n laipsnio Maklorino polinomu. Naudodami Lagranžo įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 8, raskite mažiausią laipsnį n, garantuojantį paklaidą, mažesnę nei 1 × 10⁻⁵.
f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (s + 12)/(s² + 8s + 12). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−2t + B·e−6t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (s + 12)/(s² + 8s + 12)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 6y′ + 5y = 2,5·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 5, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,3).
Impulsas x(t) = 1, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 2, kai 0 ≤ t < 4 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(2,5), kai t = 2,5 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 2,5 s
y(2.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Įėjimas yra vienetinis šuolis x[n] = u[n]. Raskite y[4].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: k = 0,09847 min⁻¹
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.
Temperatūrų skirtumų santykis
e−16k = 12/58
Išspręskite k atžvilgiu
k = ln(58/12)/16 = 0,09847 min⁻¹
Atsakymas
k = 0,09847 min⁻¹
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.25) = 0,5785
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.
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 = −3, M₁₃ = −6
Skleidinys pagal eilutę
det A = 3·3 − (−4)·(−3) + (−5)·(−6) = 27
Atsakymas
det A = 27
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 0,5417
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 = 6·(−5) − 1·(−6) = −24
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 5·(−5) − 1·(−12) = −13
x = −13/(−24) = 0,5417
Atsakymas
x = 0,5417
y = 1,75
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: θ = 87,56 °
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 = (−4)·4 + 6·0 + (−6)·(−3) = 2
Moduliai
|a| = √((−4)² + 6² + (−6)²) = 9,381
|b| = √(4² + 0² + (−3)²) = 5
Kampas
cos θ = 2/(9,381·5) = 0,04264
θ = arccos(0,04264) = 87,56°
Atsakymas
θ = 87,56°
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 9,287 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.
Kraštinių vektoriai
AB = B − A = (0, 7, 5)
AC = C − A = (2, 7, 4)
Vektorinė sandauga
(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 7·4 − 5·7 = −7
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 5·2 − 0·4 = 10
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 0·7 − 7·2 = −14
|AB × AC| = √((−7)² + 10² + (−14)²) = 18,57
Trikampio plotas
A = ½·18,57 = 9,287 m²
Atsakymas
A = 9,287 m²
7.Integralai
Atsakymas: I = 201,2
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) = e2x/2
Įstatykite rėžius
I = (e6 − 1)/2 = (403,4 − 1)/2 = 201,2
Atsakymas
I = 201,2
8.Integralai
Atsakymas: A = 10,67
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.
Nuliai
4 − x² = 0 → x = ±2
Integruokite
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Atsakymas
A = 10,67
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 5,385
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 = −2xy² − 4y → fx(1, −1) = 2
fy = −2x²y − 3y² − 4x → fy(1, −1) = −5
Gradiento ilgis
|∇f| = √(2² + (−5)²) = 5,385
Atsakymas
|∇f| = 5,385
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: B (0, 0)
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).
Kritiniai taškai
Kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0.
fx = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)
Antros eilės išvestinių testas
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → balno taškas
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.
Gretimų narių santykis
|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/3 → e/3
Išvada
L = 0,9061 < 1
Atsakymas
L = 0,9061
L < 1, todėl eilutė konverguoja.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 13
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.
Įverčiai didėjant n
n = 12: 1,052 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 13: 1,503 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵
Mažiausias laipsnis
n = 13
Atsakymas
n = 13
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 2,5
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 + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 2) ir įrašykite s = −2: B narys išnyksta.
A = (s + 12)/(s + 6) |s = −2 = 10/4 = 2,5
Atsakymas
A = 2,5
(B = −1,5, taigi f(t) = 2,5·e−2t − 1,5·e−6t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 0,3244
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).
Transformuokite lygtį
Y(s) = 12,5/(s(s + 1)(s + 5))
Paprastosios trupmenos
A = 12,5/(1·5) = 2,5
B = 12,5/((−1)·4) = −3,125
C = 12,5/((−5)·(−4)) = 0,625
Išskirta
y(t) = 2,5 − 3,125·e−t + 0,625·e−5t
y(0,3) = 0,3244
Atsakymas
y(0,3) = 0,3244
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(2.5) = 4
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).
Apversto impulso persidengimas
h(t − τ) yra h impulsas, apverstas ir pastumtas taip, kad baigtųsi ties τ = t.
τ ∈ [0, 2] → ilgis 2 s
Integralas
y(2,5) = 1·2·2 = 4
Atsakymas
y(2,5) = 4
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 4 ir krinta iki 0, kai t = 6 s.
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y[4] = 5,813
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)|.