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) = 3y(1) = ?

Išspręskite y″ + 7y′ + 12y = 0, kai y(0) = 3 ir y′(0) = 1. Raskite y(1).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(1) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
t (min)m (kg)t = ?50 kg

Talpoje yra 1000 L gryno vandens. Sūrymas, kurio litre yra 0,1 kg druskos, įteka 20 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Po kiek minučių t talpoje bus 50 kg druskos?

V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
A =0352B =−6−2−4−4

Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c12 (eilutė 1, stulpelis 2).

A = [0 3; 5 2]B = [−6 −2; −4 −4]
c12 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
A =−6−6−53b =33

Išspręskite sistemą −6x − 6y = 3 ir −5x + 3y = 3. Raskite x.

−6x − 6y = 3−5x + 3y = 3
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
xyzab

Raskite kampą θ tarp vektorių a = (1, 3, −3) ir b = (4, −4, 2) laipsniais.

a = (1, 3, −3)b = (4, −4, 2)
θ = °
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
xyzab

Vienetinis vektorius n̂ statmenas abiem vektoriams a = (2, 0, −5) ir b = (2, −1, −2) ir turi teigiamą z komponentę. Raskite jo y komponentę n̂y.

a = (2, 0, −5)b = (2, −1, −2)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegralaiVidutinis
xy12y = x ln x

Apskaičiuokite I = ∫₁2 x·ln x dx.

∫₁2 x ln x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
xy1,5y = x²eˣ

Apskaičiuokite I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasVidutinis
xy02402vP

Kai f(x, y) = 3x²e3y, raskite išvestinę kryptimi Duf taške (2, 1) vektoriaus v = (−2, 1) kryptimi.

f(x, y) = 3x²e3yP = (2, 1)v = (−2, 1)
Duf =
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasSunkus
xyx = 1,5y = x1,5

Integralo I = ∫01,5 ∫y1,5 1/(1 + x²)² dx dy šia tvarka apskaičiuoti negalima. Pakeiskite integravimo tvarką ir apskaičiuokite jį.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,5
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Taikykite d’Alambero kriterijų eilutei Σk=1∞ (k!)²·3ᵏ/(2k)!. Raskite L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·3ᵏ/(2k)!
L =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
xyfP₅2

Naudokite 5 laipsnio f(x) = sin x Maklorino polinomą f(2) apytiksliai rasti. Pateikite P₅(2).

f(x) = sin xn = 5x = 2
P₅(2) =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−2−4−6−8

F(s) = (4s + 34)/(s² + 10s + 21). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−3t + B·e−7t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = (4s + 34)/(s² + 10s + 21)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Sistema tenkina y″ + 3y′ + 2y = 6·u(t), kai y(0) = 2 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 4. Laplaso transformacija raskite y(0,25).

y″ + 3y′ + 2y = 6·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
x(t)t42h(t)t22

Impulsas x(t) = 2, kai 0 ≤ t < 4 s, sąsukamas su h(t) – trikampiu, kuris tiesiškai krinta nuo 2, kai t = 0, iki 0, kai t = 2 s. Raskite plotą Ay po y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 2, h(2) = 0
Ay =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
δ(t)y′ + 1y = 2xh(t)

Sistema tenkina y′(t) + 1·y(t) = 2·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 0,1 s, h(0,1).

y′ + 1y = 2xt = 0,1 s
h(0.1) =

3Tirpalai

1.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(1) = 0,4641

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.

Charakteristinės šaknys

(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Konstantos pagal pradines vertes

A + B = 3, −3A − 4B = 1
A = 13, B = −10

Apskaičiuokite

y(1) = 13·e−3 + (−10)·e−4 = 0,4641

Atsakymas

y(1) = 0,4641
2.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: t = 34,66 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) = 100 + (−100)·e−t/50

Išspręskite t atžvilgiu

e−t/50 = (100 − 50)/(100 − 0) = 0,5
t = 50·ln(2) = 34,66 min

Atsakymas

t = 34,66 min
3.Matricos ir determinantai

Atsakymas: c12 = −12

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 = 0·(−2) + 3·(−4) = −12

Atsakymas

c12 = −12
4.Matricos ir determinantai

Atsakymas: x = −0,5625

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 = (−6)·3 − (−6)·(−5) = −48

Pakeiskite x stulpelį

det Aₓ = 3·3 − (−6)·3 = 27
x = 27/(−48) = −0,5625

Atsakymas

x = −0,5625
y = 0,0625
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: θ = 122,4 °

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 = 1·4 + 3·(−4) + (−3)·2 = −14

Moduliai

|a| = √(1² + 3² + (−3)²) = 4,359
|b| = √(4² + (−4)² + 2²) = 6

Kampas

cos θ = −14/(4,359·6) = −0,5353
θ = arccos(−0,5353) = 122,4°

Atsakymas

θ = 122,4°
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: n̂y = 0,7442

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 = 0·(−2) − (−5)·(−1) = −5
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·2 − 2·(−2) = −6
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−1) − 0·2 = −2

Normalizuokite

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

|a × b| = √((−5)² + (−6)² + (−2)²) = 8,062
n̂ = −(−5, −6, −2)/8,062 = (0,6202, 0,7442, 0,2481)
n̂y = 0,7442

Atsakymas

n̂y = 0,7442
7.Integralai

Atsakymas: I = 0,6363

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

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363

Atsakymas

I = 0,6363
8.Integralai

Atsakymas: I = 3,602

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

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Atsakymas

I = 3,602
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: Duf = 107,8

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 = 6xe3y → fx(2, 1) = 241
fy = 9x²e3y → fy(2, 1) = 723,1

Vienetinis vektorius

|v| = √((−2)² + 1²) = 2,236
u = (−0,8944, 0,4472)

Skaliarinė sandauga

Duf = 241·(−0,8944) + 723,1·0,4472 = 107,8

Atsakymas

Duf = 107,8
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: I = 0,3462

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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,5

Pakeista tvarka

I = ∫01,5 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01,5 x·1/(1 + x²)² dx

Keitinys u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]01,5 = 0,3462

Atsakymas

I = 0,3462
11.Sekos ir eilutės

Atsakymas: L = 0,75

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| = 3·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 3/4

Išvada

L = 0,75 < 1

Atsakymas

L = 0,75

L < 1, todėl eilutė konverguoja.

12.Sekos ir eilutės

Atsakymas: P₅(2) = 0,9333

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.

Maklorino polinomas

P₅(x) = x − 0,1667x³ + 0,008333x⁵

Įstatykite

P₅(2) = 2 − 1,333333 + 0,266667 = 0,9333

Atsakymas

P₅(2) = 0,9333

Tiksli reikšmė yra f(2) = 0,909297; paklaida −0,0240359 mažėja, kai imama daugiau narių arba taškas arčiau 0.

13.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = 5,5

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 + 10s + 21 = (s + 3)(s + 7)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 7)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 3) ir įrašykite s = −3: B narys išnyksta.

A = (4s + 34)/(s + 7) |s = −3 = 22/4 = 5,5

Atsakymas

A = 5,5
(B = −1,5, taigi f(t) = 5,5·e−3t − 1,5·e−7t)
14.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.25) = 2,489

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 + 3s + 2)·Y(s) = 2s + 6 + 24/s
Y(s) = (2s² + 6s + 24)/(s(s + 1)(s + 2))

Paprastosios trupmenos

A = 24/(1·2) = 12
B = 20/((−1)·1) = −20
C = 20/((−2)·(−1)) = 10

Rezultatas

y(t) = 12 − 20·e−t + 10·e−2t
y(0,25) = 2,489

Atsakymas

y(0,25) = 2,489

Patikra: y(0) = A + B + C = 2.

15.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: Ay = 16

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 = 2·4 = 8
∫h dt = ½·2·2 = 2

Išėjimo plotas

Ay = 8·2 = 16

Atsakymas

Ay = 16
16.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: h(0.1) = 1,81

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)|.

Perdavimo funkcija

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 1)

Impulsinė reakcija

h(t) = 2·e−1tu(t)
h(0,1) = 2·e−0,1 = 1,81

Atsakymas

h(0,1) = 1,81

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