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(1,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(1.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + 3y/x = 4x2, kai x > 0, su y(1) = −2. Raskite y(2).
y′ + 3y/x = 4x2y(1) = −2
y(2) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [4 3 −1; −4 −3 3; −5 −5 4]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −2x − 3y = −10 ir 2x + 2y = −1. Raskite x.
−2x − 3y = −102x + 2y = −1
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (10, −5, 10) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(2, 1, 5) į tašką B(−1, 3, −2). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (10, −5, 10) NA(2, 1, 5) mB(−1, 3, −2) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite trikampio, kurio viršūnės A(−3, 4, 4), B(4, 1, 0) ir C(0, 2, 2), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.
A(−3, 4, 4)B(4, 1, 0)C(0, 2, 2)
A = m²
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x radianais).
∫₀π/2 x·cos x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = 0,5x2 ir y = 2x, plotą A.
Raskite f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 6y kritinius taškus, juos klasifikuokite ir nurodykite f reikšmę fmax lokaliajame maksimume.
f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 6y
fmax =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Lygiai viena iš keturių eilučių diverguoja. Spustelėkite ją.
A: Σ k/2ᵏB: Σ 3/k³C: Σ 5/kD: Σ (2/5)ᵏ
1A: Σ k/2ᵏ
2B: Σ 3/k³
3C: Σ 5/k
4D: Σ (2/5)ᵏ
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = eˣ taške x = 2 aproksimuojama n laipsnio Maklorino polinomu. Naudodami Lagranžo įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 8, raskite mažiausią laipsnį n, garantuojantį paklaidą, mažesnę nei 0,001.
f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,001
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (6s + 18)/(s² + 9s + 8). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−t + B·e−8t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (6s + 18)/(s² + 9s + 8)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 6y′ + 13y = u′ + 19u, 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 = 0,3 s. Raskite g(0,3).
y″ + 6y′ + 13y = u′ + 19ut = 0,3 s
g(0.3) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 4, kai 0 ≤ t < 4 s, sąsukamas su impulsu h(t) = 3, kai 0 ≤ t < 1 s. Raskite plotą Ay po y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 4, 0 ≤ t < 4 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 5·cos(15t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 2·e−20tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo amplitudę Ym.
h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(15t)
Ym =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,1196
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(1,5) = 13·e−4,5 + (−10)·e−6 = 0,1196
Atsakymas
y(1,5) = 0,1196
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(2) = 5
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∫3/x dx = x3
Integruokite
(x3y)′ = 4x5 → x3y = 4x6/6 + C
Pradinė sąlyga
−2 = 4/6 + C → C = −2,667
Apskaičiuokite
y(2) = (4·26/6 + (−2,667))/23 = 5
Atsakymas
y(2) = 5
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 10
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 = 3, M₁₂ = −1, M₁₃ = 5
Skleidinys pagal eilutę
det A = 4·3 − 3·(−1) + (−1)·5 = 10
Atsakymas
det A = 10
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −11,5
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 = (−2)·2 − (−3)·2 = 2
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−10)·2 − (−3)·(−1) = −23
x = −23/2 = −11,5
Atsakymas
x = −11,5
y = 11
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = −110 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 = (−1, 3, −2) − (2, 1, 5) = (−3, 2, −7) m
Darbas
W = F·d = 10·(−3) + (−5)·2 + 10·(−7) = −110 J
Atsakymas
W = −110 J
Neigiamas darbas: jėga daugiausia veikia prieš judėjimą.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 2,872 m²
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.
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
(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708
Atsakymas
I = 0,5708
8.Integralai
Atsakymas: A = 5,333
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 = 2x → x = 0, x = 4
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Atsakymas
A = 5,333
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: c = −84
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.
Reikšmė ir nuolydžiai taške
f(2, −1) = 40
fx = 10xy² + 10x + 2y → fx(2, −1) = 38
fy = 10x²y − 12y² + 2x → fy(2, −1) = −48
Liečiamoji plokštuma
z = 40 + 38(x − 2) − 48(y + 1)
z = 38x − 48y − 84
Konstantos narys
c = −84
Atsakymas
c = −84
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: fmax = 25
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).
(−2, 3): fxx = 12, fyy = −2, fxy = 0, D = −24 → balno taškas
Reikšmė ekstremume
f(2, 3) = 25
Atsakymas
fmax = 25
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: C: Σ 5/k
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.
D: Σ (2/5)ᵏ → Geometrinė, kai r = 2/5, |r| < 1: konverguoja.
Atsakymas
C: Σ 5/k
Atsakymas
C: Σ 5/k
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 10
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.
Įverčiai didėjant n
n = 9: 0,002257 ≥ 0,001
n = 10: 0,0004105 < 0,001
Mažiausias laipsnis
n = 10
Atsakymas
n = 10
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 1,714
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 + 9s + 8 = (s + 1)(s + 8)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 8)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 1) ir įrašykite s = −1: B narys išnyksta.
A = (6s + 18)/(s + 8) |s = −1 = 12/7 = 1,714
Atsakymas
A = 1,714
(B = 4,286, taigi f(t) = 1,714·e−t + 4,286·e−8t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.3) = 2,172
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).
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 = 4·4 = 16
∫h dt = 3·1 = 3
Išėjimo plotas
Ay = 16·3 = 48
Atsakymas
Ay = 48
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: Ym = 0,4
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)|.