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
87 °C kavos puodelis paliekamas 22 °C kambaryje. Po 27 min temperatūra yra 39 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Raskite konstantą k min⁻¹.
T0 = 87 °CTa = 22 °CT(27) = 39 °C
k = min⁻¹
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + 2y/x = 3x, kai x > 0, su y(1) = −1. Raskite y(3).
y′ + 2y/x = 3xy(1) = −1
y(3) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c21 (eilutė 2, stulpelis 1).
A = [0 6; −2 −4]B = [1 1; 4 1]
c21 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 2x − 3y = −12 ir 3x + y = −6. Raskite x.
2x − 3y = −123x + y = −6
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (5, 15, −15) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(−1, 4, 4) į tašką B(3, 3, 0). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (5, 15, −15) NA(−1, 4, 4) mB(3, 3, 0) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Kai a = (−5, 0, 1) ir b = (5, 0, 3), raskite vektorinės sandaugos a × b y komponentę (a × b)y.
a = (−5, 0, 1)b = (5, 0, 3)
(a × b)y =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 1 − x² ir x ašies plotą A.
Impulsas x(t) = 3, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 2, kai 0 ≤ t < 3 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(0,5), kai t = 0,5 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 0,5 s
y(0.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 10·cos(10t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 10·e−5tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 10cos(10t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: k = 0,04967 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−27k = 17/65
Išspręskite k atžvilgiu
k = ln(65/17)/27 = 0,04967 min⁻¹
Atsakymas
k = 0,04967 min⁻¹
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(3) = 6,556
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∫2/x dx = x2
Integruokite
(x2y)′ = 3x3 → x2y = 3x4/4 + C
Pradinė sąlyga
−1 = 3/4 + C → C = −1,75
Apskaičiuokite
y(3) = (3·34/4 + (−1,75))/32 = 6,556
Atsakymas
y(3) = 6,556
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c21 = −18
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
c21 = (−2)·1 + (−4)·4 = −18
Atsakymas
c21 = −18
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −2,727
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 = 2·1 − (−3)·3 = 11
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−12)·1 − (−3)·(−6) = −30
x = −30/11 = −2,727
Atsakymas
x = −2,727
y = 2,182
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 65 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 = (3, 3, 0) − (−1, 4, 4) = (4, −1, −4) m
Darbas
W = F·d = 5·4 + 15·(−1) + (−15)·(−4) = 65 J
Atsakymas
W = 65 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: (a × b)y = 20
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 komponentėmis
(a × b)x = aybz − azby = 0·3 − 1·0 = 0
(a × b)y = azbx − axbz = 1·5 − (−5)·3 = 20
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·0 − 0·5 = 0
Prašoma komponentė
(a × b)y = 20
Atsakymas
(a × b)y = 20
Patikra: a × b yra statmena abiem vektoriams, todėl jos skaliarinė sandauga su a ir su b lygi nuliui.
7.Integralai
Atsakymas: I = 1,551
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
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Atsakymas
I = 1,551
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: dz/dt = 3,6
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.
Taškas ir greičiai
x(2) = 2, y(2) = −2
dx/dt = 2, dy/dt = −2t = −4
Dalinės išvestinės
fx = 2x/(x² + 4y²) = 0,2
fy = 8y/(x² + 4y²) = −0,8
Grandinės taisyklė
dz/dt = 0,2·2 + (−0,8)·(−4) = 3,6
Atsakymas
dz/dt = 3,6
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 0,4207
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).
Sritis
0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1
Pakeista tvarka
I = ∫01 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01 y·cos(y²) dy
Keitinys u = y²
I = [sin(y²)/2]01 = 0,4207
Atsakymas
I = 0,4207
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: x = 3,25
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 = 3,25
Atsakymas
x = 3,25
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = −0,2222
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 = −0,5
S = −0,5/(1 − (−0,5))² = −0,2222
Atsakymas
S = −0,2222
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 1
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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 2) ir įrašykite s = −2: B narys išnyksta.
A = (5s + 15)/(s + 7) |s = −2 = 5/5 = 1
Atsakymas
A = 1
(B = 4, taigi f(t) = e−2t + 4·e−7t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.1) = 4,815
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) = 5s + 40 + 12/s
Y(s) = (5s² + 40s + 12)/(s(s + 2)(s + 6))
Paprastosios trupmenos
A = 12/(2·6) = 1
B = −48/((−2)·4) = 6
C = −48/((−6)·(−4)) = −2
Rezultatas
y(t) = 1 + 6·e−2t − 2·e−6t
y(0,1) = 4,815
Atsakymas
y(0,1) = 4,815
Patikra: y(0) = A + B + C = 5.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(0.5) = 3
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).
Apversto impulso persidengimas
h(t − τ) yra h impulsas, apverstas ir pastumtas taip, kad baigtųsi ties τ = t.
τ ∈ [0, 0,5] → ilgis 0,5 s
Integralas
y(0,5) = 3·2·0,5 = 3
Atsakymas
y(0,5) = 3
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 12 ir krinta iki 0, kai t = 5 s.
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)|.