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
460 °C kalta plieno detalė paliekama aušti 29 °C dirbtuvėje. Po 51 min temperatūra yra 122 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 62 °C?
T0 = 460 °CTa = 29 °CT(51) = 122 °CT = 62 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + 2y/x = 5, kai x > 0, su y(1) = 3. Raskite y(3).
y′ + 2y/x = 5y(1) = 3
y(3) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−2 −1 5; 2 1 −4; 0 −2 −3]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −4x − 6y = −11 ir 5x + y = 11. Raskite x.
−4x − 6y = −115x + y = 11
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite kampą θ tarp vektorių a = (−4, −2, −6) ir b = (−3, −3, −5) laipsniais.
a = (−4, −2, −6)b = (−3, −3, −5)
θ = °
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (4, −2, 4), b = (2, 2, 2) ir c = (−4, −3, −2), tūrį V.
a = (4, −2, 4)b = (2, 2, 2)c = (−4, −3, −2)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫13 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 3]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 1 − x² ir x ašies plotą A.
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 0,0005.
f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,0005
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (6s + 10)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,25).
F(s) = (6s + 10)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 5y′ + 6y = 0, kai y(0) = 4 ir y′(0) = −14, ir raskite y(0,6).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = −14t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = −1 s ir t = 1 s, o h(t) – tik tarp t = 1 s ir t = 2 s. Raskite laiką tend, kada y(t) = x(t) ∗ h(t) baigiasi.
x: −1 … 1 sh: 1 … 2 s
tend = s
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −2 ir +2, jos periodas T = 4 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 750 Hz, amplitudę c3.
±2T = 4 msf = 750 Hz
c3 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 85,46 min
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 konstanta
k = ln(431/93)/51 = 0,03007 min⁻¹
Laikas iki tikslinės temperatūros
t = ln(431/33)/0,03007 = 85,46 min
Atsakymas
t = 85,46 min
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(3) = 5,148
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∫2/x dx = x2
Integruokite
(x2y)′ = 5x2 → x2y = 5x3/3 + C
Pradinė sąlyga
3 = 5/3 + C → C = 1,333
Apskaičiuokite
y(3) = (5·33/3 + 1,333)/32 = 5,148
Atsakymas
y(3) = 5,148
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = −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.
Pirmosios eilutės 2×2 minorai
M₁₁ = −11, M₁₂ = −6, M₁₃ = −4
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−2)·(−11) − (−1)·(−6) + 5·(−4) = −4
Atsakymas
det A = −4
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 2,115
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 = (−4)·1 − (−6)·5 = 26
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−11)·1 − (−6)·11 = 55
x = 55/26 = 2,115
Atsakymas
x = 2,115
y = 0,4231
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: θ = 11,99 °
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 = (−4)·(−3) + (−2)·(−3) + (−6)·(−5) = 48
Moduliai
|a| = √((−4)² + (−2)² + (−6)²) = 7,483
|b| = √((−3)² + (−3)² + (−5)²) = 6,557
Kampas
cos θ = 48/(7,483·6,557) = 0,9782
θ = arccos(0,9782) = 11,99°
Atsakymas
θ = 11,99°
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 24
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·(−2) − 2·(−3) = 2
(b × c)y = bzcx − bxcz = 2·(−4) − 2·(−2) = −4
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·(−3) − 2·(−4) = 2
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = 4·2 + (−2)·(−4) + 4·2 = 24
V = |24| = 24
Atsakymas
V = 24
7.Integralai
Atsakymas: I = 1,099
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) = ln x
Įstatykite rėžius
I = (ln 3 − ln 1) = ln 3 = 1,099
Atsakymas
I = 1,099
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: c = −56
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.
Reikšmė ir nuolydžiai taške
f(−2, 2) = 40
fx = −3y² + 6x − 3y → fx(−2, 2) = −30
fy = −6xy − 3y² − 3x → fy(−2, 2) = 18
Liečiamoji plokštuma
z = 40 − 30(x + 2) + 18(y − 2)
z = −30x + 18y − 56
Konstantos narys
c = −56
Atsakymas
c = −56
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 1,333
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).
Susikirtimo taškai
x² = 2x → x = 0, x = 2
Vidinis integralas
∫x²2x 1 dy = 2x − x²
Išorinis integralas
I = ∫02 (2x − x²) dx = 1,333
Atsakymas
I = 1,333
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: L = 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.
Narių šaknis
|ak|1/k = (3k + 1)/(6k + 2) → 3/6
Išvada
L = 0,5 < 1
Atsakymas
L = 0,5
L < 1, todėl eilutė konverguoja.
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 ≥ 0,0005
n = 10: 0,0004105 < 0,0005
Mažiausias laipsnis
n = 10
Atsakymas
n = 10
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.25) = 1,889
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 + 10 = 6(s + 3) + −8
F(s) = 6/(s + 3) − 8/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 6·e−3t − 8·t·e−3t
f(0,25) = (6 − 8·0,25)·e−3·0,25 = 1,889
Atsakymas
f(0,25) = 1,889
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.6) = 0,3894
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 − 4s − (−14) + 5(sY − 4) + 6Y = 0
Y(s) = (4s + 6)/((s + 2)(s + 3))
Paprastosios trupmenos
A = −2/1 = −2
B = −6/(−1) = 6
Rezultatas
y(t) = −2·e−2t + 6·e−3t
y(0,6) = 0,3894
Atsakymas
y(0,6) = 0,3894
Patikra: y(0) = A + B = 4.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: tend = 3 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).
Pradžia ir pabaiga
tstart = −1 + 1 = 0 s
tend = 1 + 2 = 3 s
Atsakymas
tend = 3 s
Atsakymas
tend = 3 s
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c3 = 0,1801
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)|.