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
84 °C kavos puodelis paliekamas 21 °C kambaryje. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,07 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 30 min.
T0 = 84 °CTa = 21 °Ck = 0,07 min⁻¹t = 30 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + 4y′ + 20y = 200, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(0,25); kampai radianais.
y″ + 4y′ + 20y = 200y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [2 −5 −4; −4 5 4; 3 2 −3]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −x + 6y = −10 ir −6x + 2y = 9. Raskite x.
−x + 6y = −10−6x + 2y = 9
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite k reikšmę, su kuria vektoriai a = (2, 3, −1) ir b = (−6, −1, k) yra statmeni.
a = (2, 3, −1)b = (−6, −1, k)
k =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (−4, −3, 4), b = (−3, −4, −5) ir c = (−2, −4, −4), tūrį V.
a = (−4, −3, 4)b = (−3, −4, −5)c = (−2, −4, −4)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫14 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 4]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = 0,5x2 ir y = 4x, plotą A.
Raskite koeficientą c₃ prie (x − 4)³ funkcijos f(x) = 1/x Teiloro eilutėje taško a = 4 aplinkoje.
f(x) = 1/xa = 4k = 3
c₃ =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = 29/(s² + 4s + 20), ir apskaičiuokite f(0,4).
F(s) = 29/(s² + 4s + 20)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 6y′ + 10y = 12u, kurios įėjimas u(t), o išėjimas y(t). Raskite jos perdavimo funkciją G(s) = Y(s)/U(s) (pradinės sąlygos nulinės) ir apskaičiuokite impulsinę reakciją g(t) ties t = 0,2 s. Raskite g(0,2).
y″ + 6y′ + 10y = 12ut = 0,2 s
g(0.2) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 1, kai 0 ≤ t < 0.5 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−4tu(t). Raskite išėjimą y(1), kai t = 1 s, jau pasibaigus impulsui.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−4tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 2·cos(15t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 5·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 2cos(15t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 28,71 °C
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 dėsnio sprendinys
T(t) = 21 + 63·e−0,07t
Įstatykite t
T(30) = 21 + 63·0,1225 = 28,71 °C
Atsakymas
T = 28,71 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.25) = 4,171
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.
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 = −23, M₁₂ = 0, M₁₃ = −23
Skleidinys pagal eilutę
det A = 2·(−23) − (−5)·0 + (−4)·(−23) = 46
Atsakymas
det A = 46
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −2,176
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 = (−1)·2 − 6·(−6) = 34
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−10)·2 − 6·9 = −74
x = −74/34 = −2,176
Atsakymas
x = −2,176
y = −2,029
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: k = −15
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 lygi nuliui
a·b = 2·(−6) + 3·(−1) + (−1)·k = 0
−15 + (−1)·k = 0
Išspręskite k atžvilgiu
k = −(−15)/(−1) = −15
Atsakymas
k = −15
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 38
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.
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) = 3·ln x
Įstatykite rėžius
I = 3·(ln 4 − ln 1) = 3·ln 4 = 4,159
Atsakymas
I = 4,159
8.Integralai
Atsakymas: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Atsakymas
A = 42,67
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 38,95
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.
Dalinės išvestinės
fx = 5y + 8x → fx(3, 2) = 34
fy = 5x + 2y → fy(3, 2) = 19
Gradiento ilgis
|∇f| = √(34² + 19²) = 38,95
Atsakymas
|∇f| = 38,95
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 0,04167
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).
Susikirtimo taškai
x² = x → x = 0, x = 1
Vidinis integralas
∫x²x xy dy = x·(x² − x⁴)/2
Išorinis integralas
I = ∫01 (x³ − x⁵)/2 dx = 0,04167
Atsakymas
I = 0,04167
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: L = 0,9061
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| = (1 + 1/k)ᵏ/3 → e/3
Išvada
L = 0,9061 < 1
Atsakymas
L = 0,9061
L < 1, todėl eilutė konverguoja.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: c₃ = −0,003906
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.
Išvestinė f⁽³⁾
f⁽³⁾(x) = −6/x⁴
Koeficientas
c₃ = −6/(4⁴·6) = −0,003906
c₃ = −0,003906
Atsakymas
c₃ = −0,003906
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.4) = 3,256
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).
Išskirkite pilnąjį kvadratą
s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²
Suderinkite skaitiklį
F(s) = (29/4)·4/((s + 2)² + 4²)
Atvirkštinė transformacija
f(t) = e−2t·(7,25·sin 4t)
f(0,4) = e−2·0,4·(7,25·sin(4·0,4)) = 3,256
Atsakymas
f(0,4) = 3,256
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.2) = 1,308
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).
Perdavimo funkcija
G(s) = Y(s)/U(s) = 12/(s² + 6s + 10)
Paprastosios trupmenos
s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1²
G(s) = (12/1)·1/((s + 3)² + 1²)
Impulsinė reakcija
g(t) = e−3t·(12·sin 1t)
g(0,2) = 1,308
Atsakymas
g(0,2) = 1,308
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(1) = 0,02925
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) = (1/4)(1 − e−2) = 0,2162
Mažėjimas po impulso
y(1) = 0,2162·e−4·0,5 = 0,02925
Atsakymas
y(1) = 0,02925
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: φ = −56,31 °
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)|.