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
90 °C kavos puodelis paliekamas 20 °C kambaryje. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,07 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 8 min.
T0 = 90 °CTa = 20 °Ck = 0,07 min⁻¹t = 8 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + 4y′ + 8y = 16, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite jos šuolinio atsako didžiausią vertę ymax.
y″ + 4y′ + 8y = 16y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c11 (eilutė 1, stulpelis 1).
A = [−6 0; −6 −4]B = [5 −3; 3 3]
c11 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −3x − 4y = −12 ir 2x + 3y = −7. Raskite x.
−3x − 4y = −122x + 3y = −7
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (30, −20, 15) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(2, −3, 4) į tašką B(−2, −1, −2). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (30, −20, 15) NA(2, −3, 4) mB(−2, −1, −2) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (−2, −4, 4), b = (3, 2, 3) ir c = (2, −3, 4), tūrį V.
a = (−2, −4, 4)b = (3, 2, 3)c = (2, −3, 4)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Sritis po y = √(x) nuo x = 0 iki x = 1 sukama apie x ašį. Raskite kūno (paraboloido) tūrį V.
y = √(x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 1 − x² ir x ašies plotą A.
Apskaičiuokite I = ∬T (3x + 4y) dA trikampyje T, ribojamame y = 0, x = 4 ir y = x.
f = 3x + 4y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ x
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Lygiai viena iš keturių eilučių konverguoja. Spustelėkite ją.
A: Σ 3ᵏ/k²B: Σ 1/(3k + 5)C: Σ (3/2)ᵏD: Σ (2/5)ᵏ
1A: Σ 3ᵏ/k²
2B: Σ 1/(3k + 5)
3C: Σ (3/2)ᵏ
4D: Σ (2/5)ᵏ
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = sin x taške x = 2 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 0,0001.
f(x) = sin xx = 2M = 1ε = 0,0001
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (3s + 35)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,25).
F(s) = (3s + 35)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 2, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,25).
Impulsas x(t) = 4, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 1, kai 0 ≤ t < 4 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(1), kai t = 1 s.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 1 s
y(1) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y′(t) + 1·y(t) = 2·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 0,4 s, h(0,4).
y′ + 1y = 2xt = 0,4 s
h(0.4) =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 59,98 °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) = 20 + 70·e−0,07t
Įstatykite t
T(8) = 20 + 70·0,5712 = 59,98 °C
Atsakymas
T = 59,98 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: ymax = 2,086
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 = −2 ± 2j
Konstantos pagal pradines vertes
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −2
Smailė
t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−2·π/2) = 2,086
Atsakymas
ymax = 2,086
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c11 = −30
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 = (−6)·5 + 0·3 = −30
Atsakymas
c11 = −30
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 64
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 = (−3)·3 − (−4)·2 = −1
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−12)·3 − (−4)·(−7) = −64
x = −64/(−1) = 64
Atsakymas
x = 64
y = −45
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = −250 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 = (−2, −1, −2) − (2, −3, 4) = (−4, 2, −6) m
Darbas
W = F·d = 30·(−4) + (−20)·2 + 15·(−6) = −250 J
Atsakymas
W = −250 J
Neigiamas darbas: jėga daugiausia veikia prieš judėjimą.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 62
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 = 2·4 − 3·(−3) = 17
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·2 − 3·4 = −6
(b × c)z = bxcy − bycx = 3·(−3) − 2·2 = −13
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = (−2)·17 + (−4)·(−6) + 4·(−13) = −62
V = |−62| = 62
Atsakymas
V = 62
7.Integralai
Atsakymas: V = 1,571
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∫₀1 x dx
Integruokite
V = π·1·1²/2 = 1,571
Atsakymas
V = 1,571
8.Integralai
Atsakymas: A = 1,333
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.
Nuliai
1 − x² = 0 → x = ±1
Integruokite
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Atsakymas
A = 1,333
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: dz/dt = 36
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.
Taškas ir greičiai
x(0) = 2, y(0) = 0
dx/dt = 3, dy/dt = 4t = 0
Dalinės išvestinės
fx = y³ + 3x² + y = 12
fy = 3xy² − 4y + x = 2
Grandinės taisyklė
dz/dt = 12·3 + 2·0 = 36
Atsakymas
dz/dt = 36
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 106,7
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).
Ribos
0 ≤ x ≤ 4, 0 ≤ y ≤ x
Vidinis integralas
∫0x (3x + 4y) dy = 3x·x + 4·(x)²/2 = 5x²
Išorinis integralas
I = 5·4³/3 = 106,7
Atsakymas
I = 106,7
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: D: Σ (2/5)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.
B: Σ 1/(3k + 5) → Dideliems k elgiasi kaip 1/(3k); palyginus su harmonine eilute, diverguoja.
C: Σ (3/2)ᵏ → Geometrinė, kai r = 3/2 > 1: nariai auga, todėl diverguoja.
D: Σ (2/5)ᵏ → Geometrinė, kai r = 2/5, |r| < 1: konverguoja.
Atsakymas
D: Σ (2/5)ᵏ
Atsakymas
D: Σ (2/5)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: 0,0002822 ≥ 0,0001
n = 10: 5,131 × 10⁻⁵ < 0,0001
Mažiausias laipsnis
n = 10
Atsakymas
n = 10
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.25) = 4,487
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
3s + 35 = 3(s + 3) + 26
F(s) = 3/(s + 3) + 26/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 3·e−3t + 26·t·e−3t
f(0,25) = (3 + 26·0,25)·e−3·0,25 = 4,487
Atsakymas
f(0,25) = 4,487
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.25) = 0,1685
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) = 8/(s(s + 1)(s + 4))
Paprastosios trupmenos
A = 8/(1·4) = 2
B = 8/((−1)·3) = −2,667
C = 8/((−4)·(−3)) = 0,6667
Išskirta
y(t) = 2 − 2,667·e−t + 0,6667·e−4t
y(0,25) = 0,1685
Atsakymas
y(0,25) = 0,1685
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(1) = 4
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) = 4·1·1 = 4
Atsakymas
y(1) = 4
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 8 ir krinta iki 0, kai t = 6 s.
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h(0.4) = 1,341
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)|.