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
81 °C kavos puodelis paliekamas 21 °C kambaryje. Po 14 min temperatūra yra 51 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Raskite konstantą k min⁻¹.
T0 = 81 °CTa = 21 °CT(14) = 51 °C
k = min⁻¹
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + 2y′ + 26y = 260, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite y(0,5); kampai radianais.
y″ + 2y′ + 26y = 260y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c12 (eilutė 1, stulpelis 2).
A = [1 5; 0 −4]B = [2 −2; 5 −3]
c12 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −x + 5y = −8 ir x − 4y = 3. Raskite x.
−x + 5y = −8x − 4y = 3
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite kampą θ tarp vektorių a = (−3, 1, −4) ir b = (4, 5, −4) laipsniais.
a = (−3, 1, −4)b = (4, 5, −4)
θ = °
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Jėga F = (−50, −60, 20) N veikia taške A(2, 4, 4). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos momento taško koordinačių pradžia O(0, 0, 0) atžvilgiu modulį |M|.
F = (−50, −60, 20) NA(2, 4, 4) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫03 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 3]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 4 − x² ir x ašies plotą A.
Raskite f(t), kai F(s) = (2s + 31)/(s² + 4s + 4), ir apskaičiuokite f(0,75).
F(s) = (2s + 31)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 14u, 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 = 1 s. Raskite g(1).
y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 14ut = 1 s
g(1) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−4tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(1,5), kai t = 1,5 s.
h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 2·cos(10t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 10·e−5tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 2cos(10t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: k = 0,04951 min⁻¹
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.
Temperatūrų skirtumų santykis
e−14k = 30/60
Išspręskite k atžvilgiu
k = ln(60/30)/14 = 0,04951 min⁻¹
Atsakymas
k = 0,04951 min⁻¹
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.5) = 14,13
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
c12 = 1·(−2) + 5·(−3) = −17
Atsakymas
c12 = −17
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −17
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 = (−1)·(−4) − 5·1 = −1
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−8)·(−4) − 5·3 = 17
x = 17/(−1) = −17
Atsakymas
x = −17
y = −5
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: θ = 76,48 °
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 = (−3)·4 + 1·5 + (−4)·(−4) = 9
Moduliai
|a| = √((−3)² + 1² + (−4)²) = 5,099
|b| = √(4² + 5² + (−4)²) = 7,55
Kampas
cos θ = 9/(5,099·7,55) = 0,2338
θ = arccos(0,2338) = 76,48°
Atsakymas
θ = 76,48°
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: |M| = 407,9 N·m
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.
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) = e−x/(−1)
Įstatykite rėžius
I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502
Atsakymas
I = 0,9502
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: dz/dt = 13
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(1) = −1, y(1) = 1
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 2
Dalinės išvestinės
fx = −6x²y³ + 6x² − y = −1
fy = −6x³y² − x = 7
Grandinės taisyklė
dz/dt = (−1)·1 + 7·2 = 13
Atsakymas
dz/dt = 13
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: C (0, 0)
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).
Kritiniai taškai
Kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0.
fx = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)
Antros eilės išvestinių testas
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → balno taškas
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.
Gretimų narių santykis
|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/5 → e/5
Išvada
L = 0,5437 < 1
Atsakymas
L = 0,5437
L < 1, todėl eilutė konverguoja.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: P₄(0.5) = 1,938
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.
Maklorino polinomas
P₄(x) = 1 + x + x² + x³ + x⁴
Įstatykite
P₄(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938
Atsakymas
P₄(0,5) = 1,938
Tiksli reikšmė yra f(0,5) = 2; paklaida 0,0625 mažėja, kai imama daugiau narių arba taškas arčiau 0.
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.75) = 4,965
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
2s + 31 = 2(s + 2) + 27
F(s) = 2/(s + 2) + 27/(s + 2)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 2·e−2t + 27·t·e−2t
f(0,75) = (2 + 27·0,75)·e−2·0,75 = 4,965
Atsakymas
f(0,75) = 4,965
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(1) = 0,8113
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).
Perdavimo funkcija
G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 14)/(s² + 7s + 6)
Paprastosios trupmenos
s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 2,2, B = 0,8
Impulsinė reakcija
g(t) = 2,2·e−t + 0,8·e−6t
g(1) = 0,8113
Atsakymas
g(1) = 0,8113
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(1.5) = 0,2494
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−4τ dτ = (1/4)·(1 − e−4t)
Apskaičiuokite
y(1,5) = 0,25·(1 − e−6) = 0,2494
Atsakymas
y(1,5) = 0,2494
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: φ = −63,43 °
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)|.