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
91 °C kavos puodelis paliekamas 22 °C kambaryje. Po 22 min temperatūra yra 32 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Raskite konstantą k min⁻¹.
T0 = 91 °CTa = 22 °CT(22) = 32 °C
k = min⁻¹
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite y″ + 3y′ + 18,25y = 0, kai y(0) = 5 ir y′(0) = 0 (paleista iš rimties). Raskite y(0,75); kampai radianais.
y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [5 4 0; 5 5 −5; −5 −4 −1]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −4x − 4y = 4 ir 6x − 2y = −6. Raskite x.
−4x − 4y = 46x − 2y = −6
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektorių a = (0, −5, 3) ir b = (2, 5, 7) skaliarinę sandaugą a·b.
a = (0, −5, 3)b = (2, 5, 7)
a·b =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite trikampio, kurio viršūnės A(3, 3, 1), B(−1, 3, −4) ir C(2, 2, −1), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.
A(3, 3, 1)B(−1, 3, −4)C(2, 2, −1)
A = m²
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₁3 x·ln x dx.
∫₁3 x ln x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 9 − x² ir x ašies plotą A.
Naudodami polines koordinates apskaičiuokite I = ∬R e−(x² + y²) dA, kur R yra viršutinis skritulio x² + y² ≤ 1 pusskritulis (y ≥ 0).
f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ π
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Laipsninė eilutė Σk=1∞ (2k)!·(x − 3)ᵏ/(k!)² konverguoja intervale aplink x₀ = 3. Raskite to intervalo kairįjį galą x.
Σ (2k)!·(x − 3)ᵏ/(k!)²x₀ = 3
x =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
Raskite koeficientą c₂ prie (x − 3)² funkcijos f(x) = 1/x Teiloro eilutėje taško a = 3 aplinkoje.
f(x) = 1/xa = 3k = 2
c₂ =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (6s + 35)/(s² + 10s + 25), ir apskaičiuokite f(0,1).
F(s) = (6s + 35)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 2y′ + 17y = 4u′ + 10u, 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 = 0,8 s. Raskite g(0,8).
y″ + 2y′ + 17y = 4u′ + 10ut = 0,8 s
g(0.8) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 4, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−5tu(t). Raskite išėjimą y(4), kai t = 4 s, jau pasibaigus impulsui.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−5tu(t)t = 4 s
y(4) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 10·cos(20t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 10·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(20t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: k = 0,0878 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−22k = 10/69
Išspręskite k atžvilgiu
k = ln(69/10)/22 = 0,0878 min⁻¹
Atsakymas
k = 0,0878 min⁻¹
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.75) = −1,521
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 = −1,5 ± 4j
Konstantos
A = 5, B = 1,5·5/4 = 1,875
Apskaičiuokite
y(0,75) = e−1,125(5·cos 3 + 1,875·sin 3) = −1,521
Atsakymas
y(0,75) = −1,521
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = −5
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 = −25, M₁₂ = −30, M₁₃ = 5
Skleidinys pagal eilutę
det A = 5·(−25) − 4·(−30) + 0·5 = −5
Atsakymas
det A = −5
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −1
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)·(−2) − (−4)·6 = 32
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 4·(−2) − (−4)·(−6) = −32
x = −32/32 = −1
Atsakymas
x = −1
y = 0
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: a·b = −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.
Sudauginkite atitinkamas komponentes ir sudėkite
a·b = 0·2 + (−5)·5 + 3·7 = 0 + (−25) + 21 = −4
Atsakymas
a·b = −4
Neigiama: kampas tarp vektorių didesnis nei 90°.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 3,536 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.
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.
Pasirinkite u ir dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Pirmykštė funkcija
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Ribos
(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944
Atsakymas
I = 2,944
8.Integralai
Atsakymas: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integruokite
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Atsakymas
A = 36
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: Duf = 231,6
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 = 4y²e2xy → fx(2, 1) = 218,4
fy = 2e2xy(1 + 2xy) → fy(2, 1) = 546
Vienetinis vektorius
|v| = √((−2)² + 2²) = 2,828
u = (−0,7071, 0,7071)
Skaliarinė sandauga
Duf = 218,4·(−0,7071) + 546·0,7071 = 231,6
Atsakymas
Duf = 231,6
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 0,9929
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 = ∫0π ∫01 e−r²·r dr dθ
Integruokite
∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 0,9929
Atsakymas
I = 0,9929
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: x = 2,75
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.
Koeficientai
ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, taigi R = 1/4
Spindulys
R = 0,25
Intervalas
2,75 < x < 3,25
x = 2,75
Atsakymas
x = 2,75
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: c₂ = 0,03704
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.
Išvestinė f⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = 2/x³
Koeficientas
c₂ = 2/(3³·2) = 0,03704
c₂ = 0,03704
Atsakymas
c₂ = 0,03704
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.1) = 3,942
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Paprastosios trupmenos
6s + 35 = 6(s + 5) + 5
F(s) = 6/(s + 5) + 5/(s + 5)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 6·e−5t + 5·t·e−5t
f(0,1) = (6 + 5·0,1)·e−5·0,1 = 3,942
Atsakymas
f(0,1) = 3,942
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.8) = −1,834
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).
Išėjimas impulso pabaigoje
y(2) = (4/5)(1 − e−10) = 0,8
Mažėjimas po impulso
y(4) = 0,8·e−5·2 = 3,632 × 10⁻⁵
Atsakymas
y(4) = 3,632 × 10⁻⁵
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: φ = −63,43 °
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)|.