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
5 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 28 °C kambarį. Po 17 min temperatūra yra 22 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Raskite konstantą k min⁻¹.
T0 = 5 °CTa = 28 °CT(17) = 22 °C
k = min⁻¹
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + y/x = x, kai x > 0, su y(1) = −2. Raskite y(3).
y′ + y/x = xy(1) = −2
y(3) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c11 (eilutė 1, stulpelis 1).
A = [5 4; 4 −4]B = [−3 5; 4 2]
c11 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.
A = [3 −1; 6 −2]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite kampą θ tarp vektorių a = (3, 2, 0) ir b = (3, 3, −1) laipsniais.
a = (3, 2, 0)b = (3, 3, −1)
θ = °
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite lygiagretainio, sudaryto vektorių a = (4, 6, −5) ir b = (−3, 4, 6), plotą A.
a = (4, 6, −5)b = (−3, 4, 6)
A =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Sritis tarp tiesės y = 6x ir parabolės y = 3x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy turi kritinį tašką (0, 0). Apskaičiuokite jame diskriminantą D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xyP = (0, 0)
D =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite laipsninės eilutės Σk=1∞ 4ᵏx²ᵏ/k konvergavimo spindulį R.
Σ 4ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
Raskite koeficientą c₂ prie (x − 2)² funkcijos f(x) = e3x Teiloro eilutėje taško a = 2 aplinkoje.
f(x) = e3xa = 2k = 2
c₂ =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (s + 35)/(s² + 7s + 12). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (s + 35)/(s² + 7s + 12)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 7y′ + 6y = 9·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 5, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,3).
Impulsas x(t) = 3, kai 0 ≤ t < 1 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 2, kai 0 ≤ t < 4 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(1,5), kai t = 1,5 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −1 ir +1, jos periodas T = 4 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 1250 Hz, amplitudę c5.
±1T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: k = 0,07904 min⁻¹
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.
Temperatūrų skirtumų santykis
e−17k = -6/-23
Išspręskite k atžvilgiu
k = ln(-23/-6)/17 = 0,07904 min⁻¹
Atsakymas
k = 0,07904 min⁻¹
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(3) = 2,222
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∫1/x dx = x1
Integruokite
(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C
Pradinė sąlyga
−2 = 1/3 + C → C = −2,333
Apskaičiuokite
y(3) = (1·33/3 + (−2,333))/31 = 2,222
Atsakymas
y(3) = 2,222
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c11 = 1
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
c11 = 5·(−3) + 4·4 = 1
Atsakymas
c11 = 1
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = 1
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.
Charakteringoji lygtis
λ² − (1)λ + (0) = 0
Išspręskite
λ = (1 ± √(1))/2 → λ = 0, 1
λ = 1
Atsakymas
λ = 1
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: θ = 17,36 °
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 = 3·3 + 2·3 + 0·(−1) = 15
Moduliai
|a| = √(3² + 2² + 0²) = 3,606
|b| = √(3² + 3² + (−1)²) = 4,359
Kampas
cos θ = 15/(3,606·4,359) = 0,9544
θ = arccos(0,9544) = 17,36°
Atsakymas
θ = 17,36°
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 66,13
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 = 6·6 − (−5)·4 = 56
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−3) − 4·6 = −9
(a × b)z = axby − aybx = 4·4 − 6·(−3) = 34
Plotas
A = |a × b| = √(56² + (−9)² + 34²) = 66,13
Atsakymas
A = 66,13
7.Integralai
Atsakymas: I = 0,1436
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
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Atsakymas
I = 0,1436
8.Integralai
Atsakymas: V = 120,6
Sukimosi kūnų tūriai: sritį po kreive y = f(x) nuo x = a iki x = b sukant apie x ašį, gaunamas kūnas, kurio pjūvis ties x yra skritulys, kurio spindulys f(x). Sudėjus skritulius, gaunama V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Kai sritis yra tarp išorinės kreivės R(x) ir vidinės kreivės r(x), kiekvienas sluoksnis yra žiedas: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Spindulius pakelkite kvadratu prieš atimdami.
Susikirtimo taškai
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Žiedų metodas
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integruokite
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Atsakymas
V = 120,6
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: θ = −169,9 °
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 = −8xy − 9x² − 4y → fx(1, 3) = −45
fy = −4x² − 4x → fy(1, 3) = −8
Kryptis
θ = atan2(−8, −45) = −169,9°
Atsakymas
θ = −169,9°
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: D = −256
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).
Antros eilės išvestinės
fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16
Diskriminantas
D = 0·0 − (−16)² = −256
→ balno taškas
Atsakymas
D = −256
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: R = 0,5
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
Eilutė yra pagal x²: ji konverguoja, kai 4·x² < 1, taigi |x| < 1/2.
Spindulys
R = 0,5
Atsakymas
R = 0,5
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: c₂ = 1815
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⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = 3²·e3x
Koeficientas
c₂ = 3²·e6/2! = 1815
c₂ = 1815
Atsakymas
c₂ = 1815
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 32
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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 3) ir įrašykite s = −3: B narys išnyksta.
A = (s + 35)/(s + 4) |s = −3 = 32/1 = 32
Atsakymas
A = 32
(B = −31, taigi f(t) = 32·e−3t − 31·e−4t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 1,081
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 + 1)(s + 6))
Paprastosios trupmenos
A = 45/(1·6) = 7,5
B = 45/((−1)·5) = −9
C = 45/((−6)·(−5)) = 1,5
Išskirta
y(t) = 7,5 − 9·e−t + 1,5·e−6t
y(0,3) = 1,081
Atsakymas
y(0,3) = 1,081
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(1.5) = 6
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, 1] → ilgis 1 s
Integralas
y(1,5) = 3·2·1 = 6
Atsakymas
y(1,5) = 6
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 6 ir krinta iki 0, kai t = 5 s.
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c5 = 0,03242
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)|.