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)!.
Naudodami polines koordinates apskaičiuokite I = ∬R √(x² + y²) dA, kur R yra skritulys x² + y² ≤ 4.
f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite sumą S = Σk=1∞ 1/(k(k + 2)).
ak = 1/(k(k + 2))
S =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = sin x taške x = 0,5 aproksimuojama n laipsnio Maklorino polinomu. Naudodami Lagranžo įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 1, raskite mažiausią laipsnį n, garantuojantį paklaidą, mažesnę nei 0,001.
f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,001
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (6s + 19)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,25).
F(s) = (6s + 19)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 4y′ + 3y = 0, kai y(0) = −6 ir y′(0) = 9, ir raskite y(0,2).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = −6y′(0) = 9t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 3, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 3, kai 0 ≤ t < 3 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(3,5), kai t = 3,5 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 3,5 s
y(3.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = 0,9·y[n − 1] + 0,5·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Raskite jos impulsinės charakteristikos atskaitą h[2].
y[n] = 0,9y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1) = 0,4579
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.
Dviguba šaknis
(r + 4)² = 0 → r = −4
Konstantos
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 20 = 20
Apskaičiuokite
y(1) = (5 + 20·1)·e−4 = 0,4579
Atsakymas
y(1) = 0,4579
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,3094
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 = e3t
(e3ty)′ = 8et
Bendrasis sprendinys
y = 8/1·e−2t + C·e−3t = 8·e−2t + C·e−3t
Pradinė sąlyga
0 = 8 + C → C = −8
Apskaičiuokite
y(1,5) = 8·0,04979 + (−8)·0,01111 = 0,3094
Atsakymas
y(1,5) = 0,3094
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = −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.
Pirmosios eilutės 2×2 minorai
M₁₁ = −12, M₁₂ = 0, M₁₃ = 0
Skleidinys pagal eilutę
det A = 1·(−12) − 3·0 + 2·0 = −12
Atsakymas
det A = −12
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = 6
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 − (7)λ + (6) = 0
Išspręskite
λ = (7 ± √(25))/2 → λ = 1, 6
λ = 6
Atsakymas
λ = 6
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: k = −6
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·k + 4·1 + 4·2 = 0
12 + 2·k = 0
Išspręskite k atžvilgiu
k = −12/2 = −6
Atsakymas
k = −6
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 41
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = (−3)·(−5) − 4·3 = 3
(b × c)y = bzcx − bxcz = 4·(−3) − (−5)·(−5) = −37
(b × c)z = bxcy − bycx = (−5)·3 − (−3)·(−3) = −24
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = (−5)·3 + 2·(−37) + (−2)·(−24) = −41
V = |−41| = 41
Atsakymas
V = 41
7.Integralai
Atsakymas: V = 33,51
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.
Skritulių metodas
V = π∫₀2 4x² dx
Integruokite
V = π·4·2³/3 = 33,51
Atsakymas
V = 33,51
Patikra: kūgio, kurio spindulys 4 ir aukštis 2, tūris (1/3)πr²h = 33,51.
8.Integralai
Atsakymas: I = 98,43
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
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Atsakymas
I = 98,43
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: Duf = 5,665
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 = −15 cos(−3x + y) → fx(1, 0,5) = 12,02
fy = 5 cos(−3x + y) → fy(1, 0,5) = −4,006
Vienetinis vektorius
|v| = √(2² + 2²) = 2,828
u = (0,7071, 0,7071)
Skaliarinė sandauga
Duf = 12,02·0,7071 + (−4,006)·0,7071 = 5,665
Atsakymas
Duf = 5,665
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 16,76
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).
Polinė forma
I = ∫02π ∫02 r·r dr dθ
Integruokite
∫ r·r dr = [r³/3]
I = 16,76
Atsakymas
I = 16,76
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 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.
Paprastosios trupmenos
1/(k(k + 2)) = (1/2)·(1/k − 1/(k + 2))
Atšaukti
S = (1/2)·(1 + 1/2) = 0,75
Atsakymas
S = 0,75
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 4
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 = 3: 0,002604 ≥ 0,001
n = 4: 0,0002604 < 0,001
Mažiausias laipsnis
n = 4
Atsakymas
n = 4
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.25) = 2,952
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 + 6s + 9 = (s + 3)²
Paprastosios trupmenos
6s + 19 = 6(s + 3) + 1
F(s) = 6/(s + 3) + 1/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 6·e−3t + t·e−3t
f(0,25) = (6 + 1·0,25)·e−3·0,25 = 2,952
Atsakymas
f(0,25) = 2,952
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.2) = −4,508
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
s²Y − (−6)s − 9 + 4(sY − (−6)) + 3Y = 0
Y(s) = (−6s − 15)/((s + 1)(s + 3))
Paprastosios trupmenos
A = −9/2 = −4,5
B = 3/(−2) = −1,5
Rezultatas
y(t) = −4,5·e−t − 1,5·e−3t
y(0,2) = −4,508
Atsakymas
y(0,2) = −4,508
Patikra: y(0) = A + B = −6.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(3.5) = 13,5
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 ∈ [0,5, 2] → ilgis 1,5 s
Integralas
y(3,5) = 3·3·1,5 = 13,5
Atsakymas
y(3,5) = 13,5
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 18 ir krinta iki 0, kai t = 5 s.
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h[2] = 0,405
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)|.