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
4 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 26 °C kambarį. Po 6 min temperatūra yra 12 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 21 °C?
T0 = 4 °CTa = 26 °CT(6) = 12 °CT = 21 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + y′ + 25,25y = 50,5, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(1); kampai radianais.
y″ + y′ + 25,25y = 50,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c22 (eilutė 2, stulpelis 2).
A = [5 −2; 1 −1]B = [−2 2; −1 −2]
c22 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −6x − 5y = 7 ir 4x + y = 5. Raskite x.
−6x − 5y = 74x + y = 5
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (30, −10, −20) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(−2, 2, −1) į tašką B(2, 0, −2). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (30, −10, −20) NA(−2, 2, −1) mB(2, 0, −2) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite lygiagretainio, sudaryto vektorių a = (1, −5, 4) ir b = (2, −4, 6), plotą A.
a = (1, −5, 4)b = (2, −4, 6)
A =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀2 x·cos x dx (x radianais).
∫₀2 x·cos x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = x2 ir y = x, plotą A.
Raskite f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 6y kritinius taškus, juos klasifikuokite ir nurodykite f reikšmę fmax lokaliajame maksimume.
f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 6y
fmax =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite laipsninės eilutės Σk=1∞ (x − 3)ᵏ/(k²·5ᵏ) konvergavimo spindulį R.
Σ (x − 3)ᵏ/(k²·5ᵏ)x₀ = 3
R =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = sin x aproksimuojama 5 laipsnio Maklorino polinomu taške x = 0,8. Naudodami Lagranžo paklaidos įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 1, raskite didžiausią galimą paklaidą |R₅|.
f(x) = sin xn = 5x = 0,8M = 1
|R₅| =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (2s + 37)/(s² + 10s + 25), ir apskaičiuokite f(0,4).
F(s) = (2s + 37)/(s² + 10s + 25)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 1, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,3).
Impulsas x(t) = 4, kai 0 ≤ t < 3 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 2, kai 0 ≤ t < 4 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(0,5), kai t = 0,5 s.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 0,5 s
y(0.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Stačiakampė banga kinta tarp 4 ir 0, jos periodas T = 20 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 150 Hz, amplitudę c3.
0 … 4T = 20 msf = 150 Hz
c3 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 19,67 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.
Aušimo konstanta
k = ln(-22/-14)/6 = 0,07533 min⁻¹
Laikas iki tikslinės temperatūros
t = ln(-22/(−5))/0,07533 = 19,67 min
Atsakymas
t = 19,67 min
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1) = 1,772
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 = 2, r = −0,5 ± 5j
Konstantos pagal pradines vertes
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,2
Apskaičiuokite
y(1) = 2·(1 − e−0,5(cos 5 + 0,1·sin 5)) = 1,772
Atsakymas
y(1) = 1,772
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c22 = 4
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
c22 = 1·2 + (−1)·(−2) = 4
Atsakymas
c22 = 4
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 2,286
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)·1 − (−5)·4 = 14
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 7·1 − (−5)·5 = 32
x = 32/14 = 2,286
Atsakymas
x = 2,286
y = −4,143
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 160 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 = (2, 0, −2) − (−2, 2, −1) = (4, −2, −1) m
Darbas
W = F·d = 30·4 + (−10)·(−2) + (−20)·(−1) = 160 J
Atsakymas
W = 160 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 15,36
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 = (−5)·6 − 4·(−4) = −14
(a × b)y = azbx − axbz = 4·2 − 1·6 = 2
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−4) − (−5)·2 = 6
Plotas
A = |a × b| = √((−14)² + 2² + 6²) = 15,36
Atsakymas
A = 15,36
7.Integralai
Atsakymas: I = 0,4024
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Pirmykštė funkcija
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Ribos
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Atsakymas
I = 0,4024
8.Integralai
Atsakymas: A = 0,1667
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.
Susikirtimo taškai
x2 = x → x = 0, x = 1
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Atsakymas
A = 0,1667
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: Duf = 44,72
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 = 4y − 12x² → fx(3, 1) = −104
fy = 4x − 10y → fy(3, 1) = 2
Vienetinis vektorius
|v| = √((−2)² + (−4)²) = 4,472
u = (−0,4472, −0,8944)
Skaliarinė sandauga
Duf = (−104)·(−0,4472) + 2·(−0,8944) = 44,72
Atsakymas
Duf = 44,72
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: fmax = 11
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).
(−1, −3): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → balno taškas
Reikšmė ekstremume
f(1, −3) = 11
Atsakymas
fmax = 11
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: R = 5
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/ck+1 = 5·((k + 1)/k)² → 5
Spindulys
R = 5
Atsakymas
R = 5
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: |R₅| = 0,0003641
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Paprastosios trupmenos
2s + 37 = 2(s + 5) + 27
F(s) = 2/(s + 5) + 27/(s + 5)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 2·e−5t + 27·t·e−5t
f(0,4) = (2 + 27·0,4)·e−5·0,4 = 1,732
Atsakymas
f(0,4) = 1,732
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 0,9548
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
Y(s) = 45/(s(s + 3)(s + 5))
Paprastosios trupmenos
A = 45/(3·5) = 3
B = 45/((−3)·2) = −7,5
C = 45/((−5)·(−2)) = 4,5
Išskirta
y(t) = 3 − 7,5·e−3t + 4,5·e−5t
y(0,3) = 0,9548
Atsakymas
y(0,3) = 0,9548
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(0.5) = 4
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) = 4·2·0,5 = 4
Atsakymas
y(0,5) = 4
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 24 ir krinta iki 0, kai t = 7 s.
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c3 = 0,8488
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)|.