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 30 °C kambarį. Po 15 min temperatūra yra 19 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 26 °C?
T0 = 6 °CTa = 30 °CT(15) = 19 °CT = 26 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + 3y/x = 2, kai x > 0, su y(1) = 5. Raskite y(3).
y′ + 3y/x = 2y(1) = 5
y(3) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c12 (eilutė 1, stulpelis 2).
A = [3 3; −4 3]B = [5 6; 4 2]
c12 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 4x + 6y = −3 ir −3x + 5y = −3. Raskite x.
4x + 6y = −3−3x + 5y = −3
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektorių a = (7, −6, −3) ir b = (−2, −2, 5) skaliarinę sandaugą a·b.
a = (7, −6, −3)b = (−2, −2, 5)
a·b =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (1, 1, 1), b = (3, −2, 4) ir c = (−2, 3, 0), tūrį V.
a = (1, 1, 1)b = (3, −2, 4)c = (−2, 3, 0)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 9 − x² ir x ašies plotą A.
Apskaičiuokite I = ∬T (x − 2y) dA trikampyje T, ribojamame y = 0, x = 4 ir y = 3x.
f = x − 2y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 3x
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite laipsninės eilutės Σk=1∞ xᵏ/(k·(1/2)ᵏ) konvergavimo spindulį R.
Σ xᵏ/(k·(1/2)ᵏ)x₀ = 0
R =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=1∞ k·(1/3)ᵏ.
ak = k·(1/3)ᵏ
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (4s + 35)/(s² + 6s + 5). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−t + B·e−5t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (4s + 35)/(s² + 6s + 5)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 5y′ + 4y = 12·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 2, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,5).
Impulsas x(t) = 5, kai 0 ≤ t < 4 s, sąsukamas su h(t) – trikampiu, kuris tiesiškai krinta nuo 3, kai t = 0, iki 0, kai t = 1 s. Raskite plotą Ay po y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(1) = 0
Ay =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 2·cos(20t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 2·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 2cos(20t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 34,45 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(-24/-11)/15 = 0,05201 min⁻¹
Laikas iki tikslinės temperatūros
t = ln(-24/(−4))/0,05201 = 34,45 min
Atsakymas
t = 34,45 min
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(3) = 1,667
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.
Integruojantysis daugiklis
μ = e∫3/x dx = x3
Integruokite
(x3y)′ = 2x3 → x3y = 2x4/4 + C
Pradinė sąlyga
5 = 2/4 + C → C = 4,5
Apskaičiuokite
y(3) = (2·34/4 + 4,5)/33 = 1,667
Atsakymas
y(3) = 1,667
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c12 = 24
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.
Eilutė kart stulpelis
c12 = 3·6 + 3·2 = 24
Atsakymas
c12 = 24
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 0,07895
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 = 4·5 − 6·(−3) = 38
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−3)·5 − 6·(−3) = 3
x = 3/38 = 0,07895
Atsakymas
x = 0,07895
y = −0,5526
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: a·b = −17
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.
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)·0 − 4·3 = −12
(b × c)y = bzcx − bxcz = 4·(−2) − 3·0 = −8
(b × c)z = bxcy − bycx = 3·3 − (−2)·(−2) = 5
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = 1·(−12) + 1·(−8) + 1·5 = −15
V = |−15| = 15
Atsakymas
V = 15
7.Integralai
Atsakymas: I = 1,5
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.
Keitinys
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du
Integruokite ir įstatykite rėžius
I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5
Atsakymas
I = 1,5
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 = 4,243
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 = −2·e2y → fx(−1, 0) = −2
fy = −4xe2y → fy(−1, 0) = 4
Vienetinis vektorius
|v| = √((−2)² + 2²) = 2,828
u = (−0,7071, 0,7071)
Skaliarinė sandauga
Duf = (−2)·(−0,7071) + 4·0,7071 = 4,243
Atsakymas
Duf = 4,243
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = −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).
Ribos
0 ≤ x ≤ 4, 0 ≤ y ≤ 3x
Vidinis integralas
∫03x (x − 2y) dy = x·3x − 2·(3x)²/2 = −6x²
Išorinis integralas
I = −6·4³/3 = −128
Atsakymas
I = −128
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: R = 0,5
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/ck+1 = (1/2)·((k + 1)/k) → 0,5
Spindulys
R = 0,5
Atsakymas
R = 0,5
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 0,75
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 k·xᵏ = x/(1 − x)²
Įstatykite
x = 1/3
S = 0,3333/(1 − 0,3333)² = 0,75
Atsakymas
S = 0,75
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 7,75
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 + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 1) ir įrašykite s = −1: B narys išnyksta.
A = (4s + 35)/(s + 5) |s = −1 = 31/4 = 7,75
Atsakymas
A = 7,75
(B = −3,75, taigi f(t) = 7,75·e−t − 3,75·e−5t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.5) = 1,418
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) = 24/(s(s + 1)(s + 4))
Paprastosios trupmenos
A = 24/(1·4) = 6
B = 24/((−1)·3) = −8
C = 24/((−4)·(−3)) = 2
Išskirta
y(t) = 6 − 8·e−t + 2·e−4t
y(0,5) = 1,418
Atsakymas
y(0,5) = 1,418
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: Ay = 30
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 = 5·4 = 20
∫h dt = ½·1·3 = 1,5
Išėjimo plotas
Ay = 20·1,5 = 30
Atsakymas
Ay = 30
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)|.