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″ + 4y′ + 4y = 0, kai y(0) = 2 ir y′(0) = 2. Raskite y(1,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + 4y′ + 20y = 20, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(1); kampai radianais.
y″ + 4y′ + 20y = 20y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c11 (eilutė 1, stulpelis 1).
A = [3 1; −4 6]B = [−3 0; 4 2]
c11 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.
A = [1 −2; 4 −5]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (−30, 10, 20) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(2, −1, −1) į tašką B(−4, −3, 4). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (−30, 10, 20) NA(2, −1, −1) mB(−4, −3, 4) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Jėga F = (0, 40, −40) N veikia taške A(−1, −1, −2). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos momento taško koordinačių pradžia O(0, 0, 0) atžvilgiu x komponentę Mx.
f(x, y) = x³ + y³ + 9xy turi kritinį tašką (−3, −3). Apskaičiuokite jame diskriminantą D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ + y³ + 9xyP = (−3, −3)
D =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Lygiai viena iš keturių eilučių diverguoja. Spustelėkite ją.
A: Σ 1/(k(k + 1))B: Σ (2/5)ᵏC: Σ 1/k⁴D: Σ (5/4)ᵏ
1A: Σ 1/(k(k + 1))
2B: Σ (2/5)ᵏ
3C: Σ 1/k⁴
4D: Σ (5/4)ᵏ
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = sin x aproksimuojama 4 laipsnio Maklorino polinomu taške x = 1. Naudodami Lagranžo paklaidos įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 1, raskite didžiausią galimą paklaidą |R₄|.
f(x) = sin xn = 4x = 1M = 1
|R₄| =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (5s + 4)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,1).
F(s) = (5s + 4)/(s² + 6s + 9)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t), kai y(0) = 6 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 1. Laplaso transformacija raskite y(0,3).
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−0,5tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 4·u(t). Raskite išėjimą y(4), kai t = 4 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 4 s
y(4) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −4 ir +4, jos periodas T = 10 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 100 Hz, amplitudę c1.
±4T = 10 msf = 100 Hz
c1 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,5477
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.
Dviguba šaknis
(r + 2)² = 0 → r = −2
Konstantos
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 4 = 6
Apskaičiuokite
y(1,5) = (2 + 6·1,5)·e−3 = 0,5477
Atsakymas
y(1,5) = 0,5477
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1) = 1,14
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.
Nusistovėjusi vertė ir šaknys
yss = 1, r = −2 ± 4j
Konstantos pagal pradines vertes
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −0,5
Apskaičiuokite
y(1) = 1·(1 − e−2(cos 4 + 0,5·sin 4)) = 1,14
Atsakymas
y(1) = 1,14
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c11 = −5
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
c11 = 3·(−3) + 1·4 = −5
Atsakymas
c11 = −5
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = −1
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.
Charakteringoji lygtis
λ² − (−4)λ + (3) = 0
Išspręskite
λ = (−4 ± √(4))/2 → λ = −3, −1
λ = −1
Atsakymas
λ = −1
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 260 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 = (−4, −3, 4) − (2, −1, −1) = (−6, −2, 5) m
Darbas
W = F·d = (−30)·(−6) + 10·(−2) + 20·5 = 260 J
Atsakymas
W = 260 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: Mx = 120 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 = (−1, −1, −2) − (0, 0, 0) = (−1, −1, −2) m
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) = ln x
Įstatykite rėžius
I = (ln 4 − ln 1) = ln 4 = 1,386
Atsakymas
I = 1,386
8.Integralai
Atsakymas: I = 37,59
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.
Pirmasis ciklas
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Antrasis ciklas
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Ribos
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Atsakymas
I = 37,59
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: dz/dt = −2
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(0) = −1, y(0) = 1
dx/dt = −2, dy/dt = −4t = 0
Dalinės išvestinės
fx = 2xy³ − 2x + y = 1
fy = 3x²y² − 9y² + x = −7
Grandinės taisyklė
dz/dt = 1·(−2) + (−7)·0 = −2
Atsakymas
dz/dt = −2
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: D = 243
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 = −18, fyy = −18, fxy = 9
Diskriminantas
D = (−18)·(−18) − 9² = 243
→ lokalusis maksimumas
Atsakymas
D = 243
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: D: Σ (5/4)ᵏ
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.
Patikrinkite kiekvieną eilutę
A: Σ 1/(k(k + 1)) → Mažesnė už 1/k²: konverguoja pagal palyginimo kriterijų.
B: Σ (2/5)ᵏ → Geometrinė, kai r = 2/5, |r| < 1: konverguoja.
C: Σ 1/k⁴ → p eilutė, kai p = 4 > 1: konverguoja.
D: Σ (5/4)ᵏ → Geometrinė, kai r = 5/4 > 1: nariai auga, todėl diverguoja.
Atsakymas
D: Σ (5/4)ᵏ
Atsakymas
D: Σ (5/4)ᵏ
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: |R₄| = 0,008333
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 + 6s + 9 = (s + 3)²
Paprastosios trupmenos
5s + 4 = 5(s + 3) + −11
F(s) = 5/(s + 3) − 11/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 5·e−3t − 11·t·e−3t
f(0,1) = (5 − 11·0,1)·e−3·0,1 = 2,889
Atsakymas
f(0,1) = 2,889
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 5,593
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 + 6s + 8)·Y(s) = 6s + 36 + 32/s
Y(s) = (6s² + 36s + 32)/(s(s + 2)(s + 4))
Paprastosios trupmenos
A = 32/(2·4) = 4
B = −16/((−2)·2) = 4
C = −16/((−4)·(−2)) = −2
Rezultatas
y(t) = 4 + 4·e−2t − 2·e−4t
y(0,3) = 5,593
Atsakymas
y(0,3) = 5,593
Patikra: y(0) = A + B + C = 6.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(4) = 6,917
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) = 4·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (4/0,5)·(1 − e−0,5t)
Apskaičiuokite
y(4) = 8·(1 − e−2) = 6,917
Atsakymas
y(4) = 6,917
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c1 = 3,242
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)|.