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″ + 7y′ + 12y = 0, kai y(0) = 4 ir y′(0) = 4. Raskite y(1,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + y′ + 16,25y = 16,25, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(1,5); kampai radianais.
y″ + y′ + 16,25y = 16,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [0 −5 −2; 1 −1 −4; −1 5 5]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą x + 3y = −6 ir −6x − 3y = −4. Raskite x.
x + 3y = −6−6x − 3y = −4
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (15, −30, 5) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(3, 5, −1) į tašką B(1, 5, −3). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (15, −30, 5) NA(3, 5, −1) mB(1, 5, −3) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Jėga F = (60, 50, 50) N veikia taške A(−2, 4, −2). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos momento taško koordinačių pradžia O(0, 0, 0) atžvilgiu modulį |M|.
F = (60, 50, 50) NA(−2, 4, −2) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegralaiVidutinis
Sritis po y = √(2x) nuo x = 0 iki x = 4 sukama apie x ašį. Raskite kūno (paraboloido) tūrį V.
y = √(2x)0 ≤ x ≤ 4
V =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = 0,5x2 ir y = 2x, plotą A.
f(x) = sin x taške x = 0,5 aproksimuojama n laipsnio Maklorino polinomu. Naudodami Lagranžo įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 1, raskite mažiausią laipsnį n, garantuojantį paklaidą, mažesnę nei 0,0005.
f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (s + 33)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,6).
F(s) = (s + 33)/(s² + 6s + 9)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t), kai y(0) = 4 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 5. Laplaso transformacija raskite y(0,25).
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−4tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(0,75), kai t = 0,75 s.
h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,75 s
y(0.75) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 10·cos(7,5t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 2·e−5tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 2e−5tu(t)x(t) = 10cos(7,5t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,1825
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Konstantos pagal pradines vertes
A + B = 4, −3A − 4B = 4
A = 20, B = −16
Apskaičiuokite
y(1,5) = 20·e−4,5 + (−16)·e−6 = 0,1825
Atsakymas
y(1,5) = 0,1825
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,5629
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 = 15, M₁₂ = 1, M₁₃ = 4
Skleidinys pagal eilutę
det A = 0·15 − (−5)·1 + (−2)·4 = −3
Atsakymas
det A = −3
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 2
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 = 1·(−3) − 3·(−6) = 15
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−6)·(−3) − 3·(−4) = 30
x = 30/15 = 2
Atsakymas
x = 2
y = −2,667
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = −40 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 = (1, 5, −3) − (3, 5, −1) = (−2, 0, −2) m
Darbas
W = F·d = 15·(−2) + (−30)·0 + 5·(−2) = −40 J
Atsakymas
W = −40 J
Neigiamas darbas: jėga daugiausia veikia prieš judėjimą.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: |M| = 453,9 N·m
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.
Padėties vektorius iš O į A
r = A − O = (−2, 4, −2) − (0, 0, 0) = (−2, 4, −2) m
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.
Skritulių metodas
V = π∫₀4 2x dx
Integruokite
V = π·2·4²/2 = 50,27
Atsakymas
V = 50,27
8.Integralai
Atsakymas: A = 5,333
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.
Susikirtimo taškai
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Atsakymas
A = 5,333
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: c = 9,206
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.
Reikšmė ir nuolydžiai taške
f(2, 0,5) = 1,411
fx = −4 cos(−2x − 3y) → fx(2, 0,5) = −2,835
fy = −6 cos(−2x − 3y) → fy(2, 0,5) = −4,252
Liečiamoji plokštuma
z = 1,411 − 2,835(x − 2) − 4,252(y − 0,5)
z = −2,835x − 4,252y + 9,206
Konstantos narys
c = 9,206
Atsakymas
c = 9,206
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: A (−3, −3)
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).
(−3, −3): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → balno taškas
Taškas
A (−3, −3): balno taškas
Atsakymas
A (−3, −3)
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 1,833
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
3/(k(k + 3)) = (3/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Atšaukti
S = (3/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 1,833
Atsakymas
S = 1,833
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 4
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 = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005
Mažiausias laipsnis
n = 4
Atsakymas
n = 4
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.6) = 3,141
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 + 6s + 9 = (s + 3)²
Paprastosios trupmenos
s + 33 = 1(s + 3) + 30
F(s) = 1/(s + 3) + 30/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = e−3t + 30·t·e−3t
f(0,6) = (1 + 30·0,6)·e−3·0,6 = 3,141
Atsakymas
f(0,6) = 3,141
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.25) = 4,049
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
(s² + 3s + 2)·Y(s) = 4s + 12 + 10/s
Y(s) = (4s² + 12s + 10)/(s(s + 1)(s + 2))
Paprastosios trupmenos
A = 10/(1·2) = 5
B = 2/((−1)·1) = −2
C = 2/((−2)·(−1)) = 1
Rezultatas
y(t) = 5 − 2·e−t + e−2t
y(0,25) = 4,049
Atsakymas
y(0,25) = 4,049
Patikra: y(0) = A + B + C = 4.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(0.75) = 0,2376
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−4τ dτ = (1/4)·(1 − e−4t)
Apskaičiuokite
y(0,75) = 0,25·(1 − e−3) = 0,2376
Atsakymas
y(0,75) = 0,2376
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: φ = −56,31 °
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)|.