Inžinerinė matematika 2: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 16 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Diferencialinės lygtys

Eksponentinis augimas / mažėjimas
dy/dt = ky → y = y0ekt
Pusėjimo trukmė
k = ln 2 / t½
Niutono aušimo dėsnis
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integruojantysis daugiklis
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Maišymo talpa
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matricos ir determinantai

2×2 determinantas
det = ad − bc
2×2 atvirkštinė matrica
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produktas
(AB)ij = Σk AikBkj
Tikrinės reikšmės
det(A − λI) = 0
Kramerio taisyklė
xi = det(Ai)/det(A)

Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Modulis
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vienetinis vektorius
û = a/|a|
Komponentės pagal kampą
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Skaliarinė sandauga
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a skaliarinė projekcija į b
a·b/|b|
Darbas
W = F·d
Vektorinė sandauga
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Plotai
lygiagretainis |a × b|, trikampis ½|a × b|
Momentas taško O atžvilgiu
MO = r × F, r = A − O
Gretasienio tūris
V = |a·(b × c)|

Metodas

  1. Kiekvieną vektorių užrašykite komponentėmis; jėgai, pateiktai moduliu ir kampu, naudokite F·cos θ ir F·sin θ.
  2. Ilgiams ir kryptims naudokite modulį √(x² + y² + z²) ir vienetinį vektorių a/|a|.
  3. Skaliarinę sandaugą naudokite kampams, projekcijoms, statmenumui ir darbui: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Vektorinę sandaugą naudokite statmeniems vektoriams, plotams ir momentams: atidžiai užrašykite tris komponentes, išlaikydami tvarką a × b.

Integralai

Laipsnio išvestinė
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Apibrėžtinis integralas
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Pagrindiniai integralai
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Plotas tarp kreivių
∫ab (f − g) dx

Metodas

  1. Kai įmanoma, pointegralinę funkciją perrašykite kaip paprastų narių sumą.
  2. Taikykite laipsninės funkcijos taisyklę: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), o ex, 1/x, sin ir cos – lentelinius integralus.
  3. Keitinį naudokite, kai matote funkciją kartu su jos išvestine.
  4. Apibrėžtiniam integralui apskaičiuokite F(b) − F(a).

Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Dalinės išvestinės
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradientas
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Išvestinė pagal kryptį
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Liečiamoji plokštuma
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Grandinės taisyklė
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Antros eilės išvestinių testas
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

  1. Dalinei išvestinei kitą kintamąjį laikykite konstanta ir naudokite vieno kintamojo taisykles.
  2. Gradiento uždaviniuose taške apskaičiuokite ∇f = (fx, fy); stačiausiam nuolydžiui naudokite |∇f|, o išvestinei pagal kryptį – ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u.
  3. Ekstremumams kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0, tada kiekvieną tašką klasifikuokite pagal D = fxx·fyy − fxy².
  4. 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 + …
Lagranžo paklaidos įvertis
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodas

  1. Nustatykite tipą: aritmetinė (pastovus skirtumas), geometrinė (pastovus daugiklis), standartinė eilutė, laipsninė eilutė arba Teiloro polinomas.
  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.
  3. Konvergavimui: pirmiausia būtinoji sąlyga, tada palyginkite su Σ1/kᵖ ar geometrine eilute, o faktorialams ir k-tiesiems laipsniams naudokite d’Alambero ar Koši kriterijų.
  4. 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)!.

Sąsūka ir LTI sistemos

Diskrečioji sąsūka
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tolydžioji sąsūka
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Ilgis ir suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Pradžia, pabaiga ir plotas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Šuolis į e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Pirmosios eilės sistema
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Pirmosios eilės rekursija
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoidė per h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Furjė eilutės amplitudės
stačiakampė ±A: 4A/(kπ), nelyginis k; trikampė ±A: 8A/(π²k²), nelyginis k; impulsų seka: A·D ir (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodas

  1. Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
  2. Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
  3. Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
  4. 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
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Išspręskite y″ + 6y′ + 9y = 0, kai y(0) = 1 ir y′(0) = 2. Raskite y(1,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
xy12(1, 3)y(2) = ?

Išspręskite Koši uždavinį y′ + y/x = 2, kai x > 0, su y(1) = 3. Raskite y(2).

y′ + y/x = 2y(1) = 3
y(2) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
A =4−4045−4−5−3−4

Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.

A = [4 −4 0; 4 5 −4; −5 −3 −4]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
A =−436−2b =129

Išspręskite sistemą −4x + 3y = 12 ir 6x − 2y = 9. Raskite x.

−4x + 3y = 126x − 2y = 9
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
xyzdFAB

Pastovi jėga F = (15, 20, −25) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(4, −3, 2) į tašką B(5, −3, −1). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.

F = (15, 20, −25) NA(4, −3, 2) mB(5, −3, −1) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
xyzab

Vienetinis vektorius n̂ statmenas abiem vektoriams a = (−1, 3, −2) ir b = (5, 4, 4) ir turi teigiamą z komponentę. Raskite jo x komponentę n̂x.

a = (−1, 3, −2)b = (5, 4, 4)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegralaiVidutinis
xy03

Apskaičiuokite I = ∫03 ex dx.

f(x) = ex[0, 3]
I =
8.IntegralaiSunkus
xy−33

Raskite srities tarp parabolės y = 9 − x² ir x ašies plotą A.

y = 9 − x²
A =
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasVidutinis
xy−20−2−10vP

Kai f(x, y) = 3 ln(x² + 3y²), raskite išvestinę kryptimi Duf taške (−1, −1) vektoriaus v = (2, 0) kryptimi.

f(x, y) = 3 ln(x² + 3y²)P = (−1, −1)v = (2, 0)
Duf =
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasSunkus
xyx = 4y = 3x412

Apskaičiuokite I = ∬T (4x + 4y) dA trikampyje T, ribojamame y = 0, x = 4 ir y = 3x.

f = 4x + 4y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 3x
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Taikykite d’Alambero kriterijų eilutei Σk=1∞ k³·5ᵏ/3ᵏ. Raskite L = lim |ak+1/ak|.

ak = k³·5ᵏ/3ᵏ
L =
12.Sekos ir eilutėsSunkus

Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 15/(s(s + 2)(s + 6)), ir apskaičiuokite f(0,6).

F(s) = 15/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Sistema tenkina y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t), kai y(0) = 5 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 4. Laplaso transformacija raskite y(0,1).

y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
x(t)t0,51h(t)t1

Impulsas x(t) = 1, kai 0 ≤ t < 0.5 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−0,5tu(t). Raskite išėjimą y(1,5), kai t = 1,5 s, jau pasibaigus impulsui.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)510204

Stačiakampė banga kinta tarp 4 ir 0, jos periodas T = 10 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 100 Hz, amplitudę c1.

0 … 4T = 10 msf = 100 Hz
c1 =

3Tirpalai

1.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(1.5) = 0,09443

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 + 3)² = 0 → r = −3

Konstantos

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 3 = 5

Apskaičiuokite

y(1,5) = (1 + 5·1,5)·e−4,5 = 0,09443

Atsakymas

y(1,5) = 0,09443
2.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(2) = 3

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∫1/x dx = x1

Integruokite

(x1y)′ = 2x → x1y = 2x2/2 + C

Pradinė sąlyga

3 = 2/2 + C → C = 2

Apskaičiuokite

y(2) = (2·22/2 + 2)/21 = 3

Atsakymas

y(2) = 3
3.Matricos ir determinantai

Atsakymas: det A = −272

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 = −32, M₁₂ = −36, M₁₃ = 13

Skleidinys pagal eilutę

det A = 4·(−32) − (−4)·(−36) + 0·13 = −272

Atsakymas

det A = −272
4.Matricos ir determinantai

Atsakymas: x = 5,1

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.

Koeficientų matricos determinantas

det A = (−4)·(−2) − 3·6 = −10

Pakeiskite x stulpelį

det Aₓ = 12·(−2) − 3·9 = −51
x = −51/(−10) = 5,1

Atsakymas

x = 5,1
y = 10,8
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: W = 90 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 = (5, −3, −1) − (4, −3, 2) = (1, 0, −3) m

Darbas

W = F·d = 15·1 + 20·0 + (−25)·(−3) = 90 J

Atsakymas

W = 90 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: n̂x = −0,7084

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

(a × b)x = aybz − azby = 3·4 − (−2)·4 = 20
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·5 − (−1)·4 = −6
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·4 − 3·5 = −19

Normalizuokite

a × b z komponentė neigiama, todėl naudokite −(a × b).

|a × b| = √(20² + (−6)² + (−19)²) = 28,23
n̂ = −(20, −6, −19)/28,23 = (−0,7084, 0,2125, 0,673)
n̂x = −0,7084

Atsakymas

n̂x = −0,7084
7.Integralai

Atsakymas: I = 19,09

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) = ex/1

Įstatykite rėžius

I = (e3 − 1)/1 = (20,09 − 1)/1 = 19,09

Atsakymas

I = 19,09
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 = −1,5

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 = 6x/(x² + 3y²) → fx(−1, −1) = −1,5
fy = 18y/(x² + 3y²) → fy(−1, −1) = −4,5

Vienetinis vektorius

|v| = √(2² + 0²) = 2
u = (1, 0)

Skaliarinė sandauga

Duf = (−1,5)·1 + (−4,5)·0 = −1,5

Atsakymas

Duf = −1,5
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: I = 640

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 (4x + 4y) dy = 4x·3x + 4·(3x)²/2 = 30x²

Išorinis integralas

I = 30·4³/3 = 640

Atsakymas

I = 640
11.Sekos ir eilutės

Atsakymas: L = 1,667

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)³·5/3 → 5/3

Išvada

L = 1,667 > 1

Atsakymas

L = 1,667

L > 1, todėl eilutė diverguoja.

12.Sekos ir eilutės

Atsakymas: S = 0,6967

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 = 0,8
S = cos 0,8 = 0,6967

Atsakymas

S = 0,6967
13.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.6) = 0,7023

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).

Paprastosios trupmenos

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 6)
A = 15/(2·6) = 1,25
B = 15/((−2)·4) = −1,875
C = 15/((−6)·(−4)) = 0,625

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 1,25 − 1,875·e−2t + 0,625·e−6t

Apskaičiuokite

f(0,6) = 1,25 − 1,875·e−2·0,6 + 0,625·e−6·0,6 = 0,7023

Atsakymas

f(0,6) = 0,7023
14.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.1) = 5,26

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 + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 192/s
Y(s) = (5s² + 50s + 192)/(s(s + 4)(s + 6))

Paprastosios trupmenos

A = 192/(4·6) = 8
B = 72/((−4)·2) = −9
C = 72/((−6)·(−2)) = 6

Rezultatas

y(t) = 8 − 9·e−4t + 6·e−6t
y(0,1) = 5,26

Atsakymas

y(0,1) = 5,26

Patikra: y(0) = A + B + C = 5.

15.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(1.5) = 0,2683

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).

Išėjimas impulso pabaigoje

y(0,5) = (1/0,5)(1 − e−0,25) = 0,4424

Mažėjimas po impulso

y(1,5) = 0,4424·e−0,5·1 = 0,2683

Atsakymas

y(1,5) = 0,2683
16.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c1 = 2,546

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)|.

Harmonikos numeris

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 100/100 = 1

Amplitudė

c1 = 4·2/(1π) = 2,546

Atsakymas

c1 = 2,546

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2