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 24 °C kambarį. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,06 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 14 min.
T0 = 4 °CTa = 24 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 14 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + y′ + 9,25y = 18,5, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite jos šuolinio atsako didžiausią vertę ymax.
y″ + y′ + 9,25y = 18,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c21 (eilutė 2, stulpelis 1).
A = [2 1; −4 2]B = [6 3; 5 −4]
c21 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 2x + 5y = −7 ir −x + 3y = −12. Raskite x.
2x + 5y = −7−x + 3y = −12
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite k reikšmę, su kuria vektoriai a = (−2, −2, 3) ir b = (5, k, −5) yra statmeni.
a = (−2, −2, 3)b = (5, k, −5)
k =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Kai a = (6, −4, −6) ir b = (1, −4, −2), raskite vektorinės sandaugos a × b y komponentę (a × b)y.
a = (6, −4, −6)b = (1, −4, −2)
(a × b)y =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫01 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 4 − x² ir x ašies plotą A.
Integralo I = ∫01,2 ∫x1,2 ey² dy dx šia tvarka apskaičiuoti negalima. Pakeiskite integravimo tvarką ir apskaičiuokite jį.
f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
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) = e2x Teiloro eilutėje taško a = 2 aplinkoje.
f(x) = e2xa = 2k = 2
c₂ =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5)), ir apskaičiuokite f(0,75).
F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 4y′ + 20y = u′ + 11u, 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 = 0,1 s. Raskite g(0,1).
y″ + 4y′ + 20y = u′ + 11ut = 0,1 s
g(0.1) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−2tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(0,2), kai t = 0,2 s.
h(t) = e−2tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Stačiakampė banga kinta tarp 1 ir 0, jos periodas T = 4 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 750 Hz, amplitudę c3.
0 … 1T = 4 msf = 750 Hz
c3 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 15,37 °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) = 24 + (−20)·e−0,06t
Įstatykite t
T(14) = 24 + (−20)·0,4317 = 15,37 °C
Atsakymas
T = 15,37 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: ymax = 3,185
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 ± 3j
Konstantos pagal pradines vertes
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,3333
Smailė
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/3) = 3,185
Atsakymas
ymax = 3,185
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c21 = −14
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
c21 = (−4)·6 + 2·5 = −14
Atsakymas
c21 = −14
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 3,545
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 = 2·3 − 5·(−1) = 11
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−7)·3 − 5·(−12) = 39
x = 39/11 = 3,545
Atsakymas
x = 3,545
y = −2,818
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: k = −12,5
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)·5 + (−2)·k + 3·(−5) = 0
−25 + (−2)·k = 0
Išspręskite k atžvilgiu
k = −(−25)/(−2) = −12,5
Atsakymas
k = −12,5
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: (a × b)y = 6
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.
Patikra: a × b yra statmena abiem vektoriams, todėl jos skaliarinė sandauga su a ir su b lygi nuliui.
7.Integralai
Atsakymas: I = 1,297
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) = e0,5x/0,5
Įstatykite rėžius
I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297
Atsakymas
I = 1,297
8.Integralai
Atsakymas: A = 10,67
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.
Nuliai
4 − x² = 0 → x = ±2
Integruokite
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Atsakymas
A = 10,67
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 144,8
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 = 3x²y − y → fx(2, 3) = 33
fy = x³ + 15y² − x → fy(2, 3) = 141
Gradiento ilgis
|∇f| = √(33² + 141²) = 144,8
Atsakymas
|∇f| = 144,8
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 1,61
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).
Sritis
0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2
Pakeista tvarka
I = ∫01,2 ∫0y ey² dx dy = ∫01,2 y·ey² dy
Keitinys u = y²
I = [ey²/2]01,2 = 1,61
Atsakymas
I = 1,61
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 = 109,2
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) = 2²·e2x
Koeficientas
c₂ = 2²·e4/2! = 109,2
c₂ = 109,2
Atsakymas
c₂ = 109,2
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.75) = 1,288
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).
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).
Sąsūka su šuoliu
y(t) = 1·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (1/2)·(1 − e−2t)
Apskaičiuokite
y(0,2) = 0,5·(1 − e−0,4) = 0,1648
Atsakymas
y(0,2) = 0,1648
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c3 = 0,2122
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)|.