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
3 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 24 °C kambarį. Po 28 min temperatūra yra 21 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 10 °C?
T0 = 3 °CTa = 24 °CT(28) = 21 °CT = 10 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 400 L gryno vandens. Sūrymas, kurio litre yra 0,2 kg druskos, įteka 2 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Po kiek minučių t talpoje bus 56 kg druskos?
V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−1 −5 1; −4 2 4; −2 2 5]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 5x + 3y = −8 ir 6x − y = −11. Raskite x.
5x + 3y = −86x − y = −11
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektoriaus a = (1, 6, −3) skaliarinę projekciją compb a į b = (1, 0, −4), t. y. a komponentę b kryptimi.
a = (1, 6, −3)b = (1, 0, −4)
compb a =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (−4, −3, −5), b = (3, 2, 2) ir c = (3, −2, 3), tūrį V.
a = (−4, −3, −5)b = (3, 2, 2)c = (3, −2, 3)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Sritis po y = x nuo x = 0 iki x = 2 sukama apie x ašį. Raskite kūno (kūgio) tūrį V.
y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = x2 ir y = 4x, plotą A.
f(x) = sin x aproksimuojama 3 laipsnio Maklorino polinomu taške x = 0,8. Naudodami Lagranžo paklaidos įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 1, raskite didžiausią galimą paklaidą |R₃|.
f(x) = sin xn = 3x = 0,8M = 1
|R₃| =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (2s + 11)/(s² + 4s + 4), ir apskaičiuokite f(0,8).
F(s) = (2s + 11)/(s² + 4s + 4)t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 5y′ + 6y = 0, kai y(0) = −9 ir y′(0) = −11, ir raskite y(0,25).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −9y′(0) = −11t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = −2 s ir t = −1 s, o h(t) – tik tarp t = 1 s ir t = 3 s. Raskite laiką tend, kada y(t) = x(t) ∗ h(t) baigiasi.
x: −2 … −1 sh: 1 … 3 s
tend = s
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 5·cos(40t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 2·e−20tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo amplitudę Ym.
h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(40t)
Ym =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 5,834 min
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.
Aušimo konstanta
k = ln(-21/-3)/28 = 0,0695 min⁻¹
Laikas iki tikslinės temperatūros
t = ln(-21/(−14))/0,0695 = 5,834 min
Atsakymas
t = 5,834 min
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 240,8 min
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.
Rezultatas
m(t) = 80 + (−80)·e−t/200
Išspręskite t atžvilgiu
e−t/200 = (80 − 56)/(80 − 0) = 0,3
t = 200·ln(3,333) = 240,8 min
Atsakymas
t = 240,8 min
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = −66
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 = 2, M₁₂ = −12, M₁₃ = −4
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−1)·2 − (−5)·(−12) + 1·(−4) = −66
Atsakymas
det A = −66
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −1,783
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 = 5·(−1) − 3·6 = −23
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−8)·(−1) − 3·(−11) = 41
x = 41/(−23) = −1,783
Atsakymas
x = −1,783
y = 0,3043
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: compb a = 3,153
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 = 1·1 + 6·0 + (−3)·(−4) = 13
b ilgis
|b| = √(1² + 0² + (−4)²) = 4,123
Skaliarinė projekcija
compb a = a·b/|b| = 13/4,123 = 3,153
Atsakymas
compb a = 3,153
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 29
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 = 2·3 − 2·(−2) = 10
(b × c)y = bzcx − bxcz = 2·3 − 3·3 = −3
(b × c)z = bxcy − bycx = 3·(−2) − 2·3 = −12
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = (−4)·10 + (−3)·(−3) + (−5)·(−12) = 29
V = |29| = 29
Atsakymas
V = 29
7.Integralai
Atsakymas: V = 8,378
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∫₀2 1x² dx
Integruokite
V = π·1·2³/3 = 8,378
Atsakymas
V = 8,378
Patikra: kūgio, kurio spindulys 2 ir aukštis 2, tūris (1/3)πr²h = 8,378.
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.
Susikirtimo taškai
x2 = 4x → x = 0, x = 4
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [2x2 − 0,3333x3]04 = 10,67
Atsakymas
A = 10,67
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: c = −1,649
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(1, 0,5) = 1,649
fx = 2y²exy → fx(1, 0,5) = 0,8244
fy = 2exy(1 + xy) → fy(1, 0,5) = 4,946
Liečiamoji plokštuma
z = 1,649 + 0,8244(x − 1) + 4,946(y − 0,5)
z = 0,8244x + 4,946y − 1,649
Konstantos narys
c = −1,649
Atsakymas
c = −1,649
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: D = 128
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).
Antros eilės išvestinės
fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4
Diskriminantas
D = 12·12 − (−4)² = 128
→ lokalusis minimumas
Atsakymas
D = 128
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: L = 1,359
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/2 → e/2
Išvada
L = 1,359 > 1
Atsakymas
L = 1,359
L > 1, todėl eilutė diverguoja.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: |R₃| = 0,01707
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Paprastosios trupmenos
2s + 11 = 2(s + 2) + 7
F(s) = 2/(s + 2) + 7/(s + 2)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 2·e−2t + 7·t·e−2t
f(0,8) = (2 + 7·0,8)·e−2·0,8 = 1,534
Atsakymas
f(0,8) = 1,534
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.25) = −9,35
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
s²Y − (−9)s − (−11) + 5(sY − (−9)) + 6Y = 0
Y(s) = (−9s − 56)/((s + 2)(s + 3))
Paprastosios trupmenos
A = −38/1 = −38
B = −29/(−1) = 29
Rezultatas
y(t) = −38·e−2t + 29·e−3t
y(0,25) = −9,35
Atsakymas
y(0,25) = −9,35
Patikra: y(0) = A + B = −9.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: tend = 2 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 = −2 + 1 = −1 s
tend = −1 + 3 = 2 s
Atsakymas
tend = 2 s
Atsakymas
tend = 2 s
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: Ym = 0,2236
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)|.