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″ + 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
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
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
Išspręskite sistemą −6x − 6y = 3 ir −5x + 3y = 3. Raskite x.
−6x − 6y = 3−5x + 3y = 3
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
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
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.
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
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).
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)|.