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″ + 8y′ + 16y = 0, kai y(0) = 5 ir y′(0) = 2. Raskite y(1,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 100 L gryno vandens. Sūrymas, kurio litre yra 0,05 kg druskos, įteka 2 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Kiek druskos m bus talpoje po 65 min?
V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c12 (eilutė 1, stulpelis 2).
A = [−1 1; 6 0]B = [−4 5; 4 −2]
c12 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.
A = [5 3; −2 −2]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (−20, 20, −10) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(5, −3, 5) į tašką B(3, 1, 4). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (−20, 20, −10) NA(5, −3, 5) mB(3, 1, 4) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Kai a = (−1, −2, −3) ir b = (−6, −6, 1), raskite vektorinės sandaugos a × b x komponentę (a × b)x.
a = (−1, −2, −3)b = (−6, −6, 1)
(a × b)x =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 9 − x² ir x ašies plotą A.
Naudodami polines koordinates apskaičiuokite I = ∬R √(x² + y²) dA, kur R yra skritulio x² + y² ≤ 2,25 ketvirtis pirmajame ketvirtyje.
f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 1,50 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite sumą S = Σk=1∞ 5/(k(k + 2)).
ak = 5/(k(k + 2))
S =
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
Raskite f(t), kai F(s) = (5s + 11)/(s² + 4s + 4), ir apskaičiuokite f(0,3).
F(s) = (5s + 11)/(s² + 4s + 4)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t), kai y(0) = 6 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 5. Laplaso transformacija raskite y(0,1).
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
Sistema tenkina y′(t) + 1·y(t) = 10·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 2 s, h(2).
y′ + 1y = 10xt = 2 s
h(2) =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,09419
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 = 2 + 20 = 22
Apskaičiuokite
y(1,5) = (5 + 22·1,5)·e−6 = 0,09419
Atsakymas
y(1,5) = 0,09419
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: m = 3,637 kg
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.
Sudarykite lygtį
dm/dt = 2·0,05 − (2/100)·m = 0,1 − 0,02·m
Išspręskite
Integruojantysis daugiklis yra ert/V; sprendinys artėja prie pusiausvyrinės reikšmės c·V.
m(t) = 5 + (−5)·e−t/50
Įstatykite t
m(65) = 5 + (−5)·0,2725 = 3,637 kg
Atsakymas
m = 3,637 kg
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c12 = −7
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
c12 = (−1)·5 + 1·(−2) = −7
Atsakymas
c12 = −7
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = 4
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 − (3)λ + (−4) = 0
Išspręskite
λ = (3 ± √(25))/2 → λ = −1, 4
λ = 4
Atsakymas
λ = 4
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 130 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 = (3, 1, 4) − (5, −3, 5) = (−2, 4, −1) m
Darbas
W = F·d = (−20)·(−2) + 20·4 + (−10)·(−1) = 130 J
Atsakymas
W = 130 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: (a × b)x = −20
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 = 3,75
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.
Keitinys
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du
Integruokite ir įstatykite rėžius
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Atsakymas
I = 3,75
8.Integralai
Atsakymas: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integruokite
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Atsakymas
A = 36
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 165,3
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 = −8xy² − 12x² − 4y → fx(3, 1) = −136
fy = −8x²y − 10y − 4x → fy(3, 1) = −94
Gradiento ilgis
|∇f| = √((−136)² + (−94)²) = 165,3
Atsakymas
|∇f| = 165,3
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 1,767
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 = ∫0π/2 ∫01,5 r·r dr dθ
Integruokite
∫ r·r dr = [r³/3]
I = 1,767
Atsakymas
I = 1,767
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 3,75
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
5/(k(k + 2)) = (5/2)·(1/k − 1/(k + 2))
Atšaukti
S = (5/2)·(1 + 1/2) = 3,75
Atsakymas
S = 3,75
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: f(0.3) = 2,909
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Paprastosios trupmenos
5s + 11 = 5(s + 2) + 1
F(s) = 5/(s + 2) + 1/(s + 2)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 5·e−2t + t·e−2t
f(0,3) = (5 + 1·0,3)·e−2·0,3 = 2,909
Atsakymas
f(0,3) = 2,909
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.1) = 6,159
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
(s² + 7s + 10)·Y(s) = 6s + 42 + 100/s
Y(s) = (6s² + 42s + 100)/(s(s + 2)(s + 5))
Paprastosios trupmenos
A = 100/(2·5) = 10
B = 40/((−2)·3) = −6,667
C = 40/((−5)·(−3)) = 2,667
Rezultatas
y(t) = 10 − 6,667·e−2t + 2,667·e−5t
y(0,1) = 6,159
Atsakymas
y(0,1) = 6,159
Patikra: y(0) = A + B + C = 6.
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: h(2) = 1,353
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)|.