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
6 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 27 °C kambarį. Po 30 min temperatūra yra 25 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Raskite konstantą k min⁻¹.
T0 = 6 °CTa = 27 °CT(30) = 25 °C
k = min⁻¹
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite y″ + y′ + 4,25y = 0, kai y(0) = 1 ir y′(0) = 0 (paleista iš rimties). Raskite y(0,5); kampai radianais.
y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [3 0 1; −4 −1 −2; 5 −1 4]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −4x − y = 0 ir 6x − 6y = 12. Raskite x.
−4x − y = 06x − 6y = 12
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektoriaus a = (0, 1, 5) skaliarinę projekciją compb a į b = (2, 1, −5), t. y. a komponentę b kryptimi.
a = (0, 1, 5)b = (2, 1, −5)
compb a =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (1, 4, −2), b = (1, 3, 4) ir c = (−4, 5, 4), tūrį V.
a = (1, 4, −2)b = (1, 3, 4)c = (−4, 5, 4)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫03 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 3]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 1 − x² ir x ašies plotą A.
Impulsas x(t) = 2, kai 0 ≤ t < 4 s, sąsukamas su h(t) – trikampiu, kuris tiesiškai krinta nuo 4, kai t = 0, iki 0, kai t = 2 s. Raskite plotą Ay po y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 4, h(2) = 0
Ay =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = 0,8·y[n − 1] + 2·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Įėjimas yra vienetinis šuolis x[n] = u[n]. Raskite y[2].
y[n] = 0,8y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: k = 0,07838 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−30k = -2/-21
Išspręskite k atžvilgiu
k = ln(-21/-2)/30 = 0,07838 min⁻¹
Atsakymas
k = 0,07838 min⁻¹
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.5) = 0,5846
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 = −0,5 ± 2j
Konstantos
A = 1, B = 0,5·1/2 = 0,25
Apskaičiuokite
y(0,5) = e−0,25(1·cos 1 + 0,25·sin 1) = 0,5846
Atsakymas
y(0,5) = 0,5846
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = −9
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 = −6, M₁₂ = −6, M₁₃ = 9
Skleidinys pagal eilutę
det A = 3·(−6) − 0·(−6) + 1·9 = −9
Atsakymas
det A = −9
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 0,4
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)·(−6) − (−1)·6 = 30
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 0·(−6) − (−1)·12 = 12
x = 12/30 = 0,4
Atsakymas
x = 0,4
y = −1,6
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: compb a = −4,382
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 = 0·2 + 1·1 + 5·(−5) = −24
b ilgis
|b| = √(2² + 1² + (−5)²) = 5,477
Skaliarinė projekcija
compb a = a·b/|b| = −24/5,477 = −4,382
Atsakymas
compb a = −4,382
Neigiama: a turi komponentę, nukreiptą prieš b.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 122
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 3·4 − 4·5 = −8
(b × c)y = bzcx − bxcz = 4·(−4) − 1·4 = −20
(b × c)z = bxcy − bycx = 1·5 − 3·(−4) = 17
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = 1·(−8) + 4·(−20) + (−2)·17 = −122
V = |−122| = 122
Atsakymas
V = 122
7.Integralai
Atsakymas: I = 0,9502
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) = e−x/(−1)
Įstatykite rėžius
I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502
Atsakymas
I = 0,9502
8.Integralai
Atsakymas: A = 1,333
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.
Nuliai
1 − x² = 0 → x = ±1
Integruokite
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Atsakymas
A = 1,333
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 33,97
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 = 6x²y − 12x² − y → fx(−2, 1) = −25
fy = 2x³ − 9y² − x → fy(−2, 1) = −23
Gradiento ilgis
|∇f| = √((−25)² + (−23)²) = 33,97
Atsakymas
|∇f| = 33,97
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 2,094
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 ∫01 r·r dr dθ
Integruokite
∫ r·r dr = [r³/3]
I = 2,094
Atsakymas
I = 2,094
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: L = 0,75
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.
Gretimų narių santykis
|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)²·3/4 → 3/4
Išvada
L = 0,75 < 1
Atsakymas
L = 0,75
L < 1, todėl eilutė konverguoja.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 0,5403
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)ᵏx2k/(2k)! = cos x
Įstatykite
x = 1
S = cos 1 = 0,5403
Atsakymas
S = 0,5403
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 6
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 + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 6) ir įrašykite s = −6: B narys išnyksta.
A = (3s + 30)/(s + 8) |s = −6 = 12/2 = 6
Atsakymas
A = 6
(B = −3, taigi f(t) = 6·e−6t − 3·e−8t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.2) = 1,145
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 + 8s + 12)·Y(s) = 1s + 8 + 24/s
Y(s) = (s² + 8s + 24)/(s(s + 2)(s + 6))
Paprastosios trupmenos
A = 24/(2·6) = 2
B = 12/((−2)·4) = −1,5
C = 12/((−6)·(−4)) = 0,5
Rezultatas
y(t) = 2 − 1,5·e−2t + 0,5·e−6t
y(0,2) = 1,145
Atsakymas
y(0,2) = 1,145
Patikra: y(0) = A + B + C = 1.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: Ay = 32
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).
Įėjimų plotai
∫x dt = 2·4 = 8
∫h dt = ½·2·4 = 4
Išėjimo plotas
Ay = 8·4 = 32
Atsakymas
Ay = 32
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y[2] = 4,88
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)|.