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″ + 4y′ + 3y = 0, kai y(0) = 2 ir y′(0) = 4. Raskite y(2).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(2) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + 4y′ + 13y = 26, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(0,25); kampai radianais.
y″ + 4y′ + 13y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c22 (eilutė 2, stulpelis 2).
A = [−4 −5; 5 −1]B = [−2 −5; 4 −5]
c22 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −2x + 5y = 4 ir 3x + 6y = 3. Raskite x.
−2x + 5y = 43x + 6y = 3
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektorių a = (7, −5, 0) ir b = (−3, −7, 5) skaliarinę sandaugą a·b.
a = (7, −5, 0)b = (−3, −7, 5)
a·b =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Jėga F = (60, 10, −60) N veikia taške A(−3, −1, −2). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos momento taško koordinačių pradžia O(0, 0, 0) atžvilgiu modulį |M|.
F = (60, 10, −60) NA(−3, −1, −2) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
8.IntegralaiSunkus
Sritis tarp tiesės y = x ir parabolės y = 0,5x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.
Integralo I = ∫00,8 ∫y0,8 sin(x²) dx dy šia tvarka apskaičiuoti negalima. Pakeiskite integravimo tvarką ir apskaičiuokite jį.
f = sin(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Laipsninė eilutė Σk=1∞ 5ᵏ·(x + 1)ᵏ/(k + 1) konverguoja intervale aplink x₀ = −1. Raskite to intervalo kairįjį galą x.
Σ 5ᵏ·(x + 1)ᵏ/(k + 1)x₀ = −1
x =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = eˣ aproksimuojama 2 laipsnio Maklorino polinomu taške x = −0,5. Naudodami Lagranžo paklaidos įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 1, raskite didžiausią galimą paklaidą |R₂|.
f(x) = eˣn = 2x = −0,5M = 1
|R₂| =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (3s + 21)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,6).
F(s) = (3s + 21)/(s² + 6s + 9)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 7y′ + 12y = 0, kai y(0) = 8 ir y′(0) = 5, ir raskite y(0,3).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 8y′(0) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 2, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−1tu(t). Raskite išėjimą y(3,5), kai t = 3,5 s, jau pasibaigus impulsui.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Raskite jos impulsinės charakteristikos atskaitą h[3].
y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(2) = 0,6692
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.
Charakteristinės šaknys
(r + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3
Konstantos pagal pradines vertes
A + B = 2, −1A − 3B = 4
A = 5, B = −3
Apskaičiuokite
y(2) = 5·e−2 + (−3)·e−6 = 0,6692
Atsakymas
y(2) = 0,6692
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.25) = 0,5612
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.
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
c22 = 5·(−5) + (−1)·(−5) = −20
Atsakymas
c22 = −20
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −0,3333
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)·6 − 5·3 = −27
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 4·6 − 5·3 = 9
x = 9/(−27) = −0,3333
Atsakymas
x = −0,3333
y = 0,6667
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: a·b = 14
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.
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.
Padėties vektorius iš O į A
r = A − O = (−3, −1, −2) − (0, 0, 0) = (−3, −1, −2) m
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 = ∫15 u2 du
Integruokite ir įstatykite rėžius
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Atsakymas
I = 41,33
8.Integralai
Atsakymas: V = 3,351
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.
Susikirtimo taškai
1x = 0,5x² → x = 0, x = 2
Žiedų metodas
V = π∫₀2 ((1x)² − (0,5x²)²) dx
Integruokite
V = π(1·2³/3 − 0,25·2⁵/5) = π·1,067 = 3,351
Atsakymas
V = 3,351
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 0,6781
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 = 2y²exy → fx(−1, 0,5) = 0,3033
fy = 2exy(1 + xy) → fy(−1, 0,5) = 0,6065
Gradiento ilgis
|∇f| = √(0,3033² + 0,6065²) = 0,6781
Atsakymas
|∇f| = 0,6781
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 0,09895
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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0,8
Pakeista tvarka
I = ∫00,8 ∫0x sin(x²) dy dx = ∫00,8 x·sin(x²) dx
Keitinys u = x²
I = [−cos(x²)/2]00,8 = 0,09895
Atsakymas
I = 0,09895
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: x = −1,2
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
ck/ck+1 = (1/5)·(k + 2)/(k + 1) → 0,2
Spindulys
R = 0,2
Intervalas
−1,2 < x < −0,8
x = −1,2
Atsakymas
x = −1,2
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: |R₂| = 0,02083
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.
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 + 21 = 3(s + 3) + 12
F(s) = 3/(s + 3) + 12/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 3·e−3t + 12·t·e−3t
f(0,6) = (3 + 12·0,6)·e−3·0,6 = 1,686
Atsakymas
f(0,6) = 1,686
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 6,308
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 − 8s − 5 + 7(sY − 8) + 12Y = 0
Y(s) = (8s + 61)/((s + 3)(s + 4))
Paprastosios trupmenos
A = 37/1 = 37
B = 29/(−1) = −29
Rezultatas
y(t) = 37·e−3t − 29·e−4t
y(0,3) = 6,308
Atsakymas
y(0,3) = 6,308
Patikra: y(0) = A + B = 8.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(3.5) = 0,3859
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).
Išėjimas impulso pabaigoje
y(2) = (2/1)(1 − e−2) = 1,729
Mažėjimas po impulso
y(3,5) = 1,729·e−1·1,5 = 0,3859
Atsakymas
y(3,5) = 0,3859
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h[3] = 0,648
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)|.