Inžinerinė matematika 2: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 16 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Diferencialinės lygtys

Eksponentinis augimas / mažėjimas
dy/dt = ky → y = y0ekt
Pusėjimo trukmė
k = ln 2 / t½
Niutono aušimo dėsnis
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integruojantysis daugiklis
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Maišymo talpa
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matricos ir determinantai

2×2 determinantas
det = ad − bc
2×2 atvirkštinė matrica
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produktas
(AB)ij = Σk AikBkj
Tikrinės reikšmės
det(A − λI) = 0
Kramerio taisyklė
xi = det(Ai)/det(A)

Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Modulis
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vienetinis vektorius
û = a/|a|
Komponentės pagal kampą
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Skaliarinė sandauga
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a skaliarinė projekcija į b
a·b/|b|
Darbas
W = F·d
Vektorinė sandauga
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Plotai
lygiagretainis |a × b|, trikampis ½|a × b|
Momentas taško O atžvilgiu
MO = r × F, r = A − O
Gretasienio tūris
V = |a·(b × c)|

Metodas

  1. Kiekvieną vektorių užrašykite komponentėmis; jėgai, pateiktai moduliu ir kampu, naudokite F·cos θ ir F·sin θ.
  2. Ilgiams ir kryptims naudokite modulį √(x² + y² + z²) ir vienetinį vektorių a/|a|.
  3. Skaliarinę sandaugą naudokite kampams, projekcijoms, statmenumui ir darbui: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Vektorinę sandaugą naudokite statmeniems vektoriams, plotams ir momentams: atidžiai užrašykite tris komponentes, išlaikydami tvarką a × b.

Integralai

Laipsnio išvestinė
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Apibrėžtinis integralas
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Pagrindiniai integralai
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Plotas tarp kreivių
∫ab (f − g) dx

Metodas

  1. Kai įmanoma, pointegralinę funkciją perrašykite kaip paprastų narių sumą.
  2. Taikykite laipsninės funkcijos taisyklę: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), o ex, 1/x, sin ir cos – lentelinius integralus.
  3. Keitinį naudokite, kai matote funkciją kartu su jos išvestine.
  4. Apibrėžtiniam integralui apskaičiuokite F(b) − F(a).

Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Dalinės išvestinės
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradientas
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Išvestinė pagal kryptį
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Liečiamoji plokštuma
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Grandinės taisyklė
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Antros eilės išvestinių testas
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

  1. Dalinei išvestinei kitą kintamąjį laikykite konstanta ir naudokite vieno kintamojo taisykles.
  2. Gradiento uždaviniuose taške apskaičiuokite ∇f = (fx, fy); stačiausiam nuolydžiui naudokite |∇f|, o išvestinei pagal kryptį – ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u.
  3. Ekstremumams kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0, tada kiekvieną tašką klasifikuokite pagal D = fxx·fyy − fxy².
  4. 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 + …
Lagranžo paklaidos įvertis
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodas

  1. Nustatykite tipą: aritmetinė (pastovus skirtumas), geometrinė (pastovus daugiklis), standartinė eilutė, laipsninė eilutė arba Teiloro polinomas.
  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.
  3. Konvergavimui: pirmiausia būtinoji sąlyga, tada palyginkite su Σ1/kᵖ ar geometrine eilute, o faktorialams ir k-tiesiems laipsniams naudokite d’Alambero ar Koši kriterijų.
  4. 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)!.

Sąsūka ir LTI sistemos

Diskrečioji sąsūka
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tolydžioji sąsūka
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Ilgis ir suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Pradžia, pabaiga ir plotas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Šuolis į e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Pirmosios eilės sistema
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Pirmosios eilės rekursija
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoidė per h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Furjė eilutės amplitudės
stačiakampė ±A: 4A/(kπ), nelyginis k; trikampė ±A: 8A/(π²k²), nelyginis k; impulsų seka: A·D ir (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodas

  1. Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
  2. Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
  3. Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
  4. 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
t (min)T (°C)19Ta​18 °C14 °C

4 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 30 °C kambarį. Po 19 min temperatūra yra 18 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 14 °C?

T0 = 4 °CTa = 30 °CT(19) = 18 °CT = 14 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
t (min)m (kg)t = ?79 kg

Talpoje yra 1000 L vandens, kuriame ištirpinta 5 kg druskos. Sūrymas, kurio litre yra 0,25 kg druskos, įteka 4 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Po kiek minučių t talpoje bus 79 kg druskos?

V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
t = min
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
A =4305−2422−4

Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.

A = [4 3 0; 5 −2 4; 2 2 −4]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
A =−12−24

Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.

A = [−1 2; −2 4]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
xyzab

Raskite vektorių a = (−7, −3, 7) ir b = (1, −3, 0) skaliarinę sandaugą a·b.

a = (−7, −3, 7)b = (1, −3, 0)
a·b =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
xyzABC

Raskite trikampio, kurio viršūnės A(2, −4, −3), B(−3, 0, −3) ir C(4, 2, −2), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.

A(2, −4, −3)B(−3, 0, −3)C(4, 2, −2)
A = m²
7.IntegralaiVidutinis
xy01

Apskaičiuokite I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.IntegralaiSunkus
xy1y = 2xy = 2x²

Sritis tarp tiesės y = 2x ir parabolės y = 2x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.

y = 2xy = 2x²
V =
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasVidutinis

z = −y·e−xy, kai x = −2t ir y = −2t². Sudėtinės funkcijos taisykle raskite dz/dt, kai t = 1.

z = −y·e−xyx = −2ty = −2t²t = 1
dz/dt =
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasSunkus
xy−20−2−101(0, 0)(−1, −1)

Raskite f(x, y) = x³ + y³ + 3xy kritinius taškus, juos klasifikuokite ir nurodykite f reikšmę fmax lokaliajame maksimume.

f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
fmax =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
kSn​12345678910S = ?

Raskite sumą S = Σk=1∞ 1/(k(k + 4)).

ak = 1/(k(k + 4))
S =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
xyfP₂−0,3

Naudokite 2 laipsnio f(x) = ln(1 + x) Maklorino polinomą f(−0,3) apytiksliai rasti. Pateikite P₂(−0,3).

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = −0,3
P₂(−0.3) =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 30/(s(s + 2)(s + 6)), ir apskaičiuokite f(0,2).

F(s) = 30/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 9y′ + 20y = 0, kai y(0) = −5 ir y′(0) = −9, ir raskite y(0,1).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = −5y′(0) = −9t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
x(t)t13h(t)t42

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(3,5), kai t = 3,5 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 3,5 s
y(3.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)2483−3

Stačiakampė banga kinta tarp +3 ir −3, jos periodas T = 4 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 750 Hz, amplitudę c3.

±3T = 4 msf = 750 Hz
c3 =

3Tirpalai

1.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: t = 11,93 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(-26/-12)/19 = 0,04069 min⁻¹

Laikas iki tikslinės temperatūros

t = ln(-26/(−16))/0,04069 = 11,93 min

Atsakymas

t = 11,93 min
2.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: t = 89,9 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.

Rezultatas

m(t) = 250 + (−245)·e−t/250

Išspręskite t atžvilgiu

e−t/250 = (250 − 79)/(250 − 5) = 0,698
t = 250·ln(1,433) = 89,9 min

Atsakymas

t = 89,9 min
3.Matricos ir determinantai

Atsakymas: det A = 84

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 = 0, M₁₂ = −28, M₁₃ = 14

Skleidinys pagal eilutę

det A = 4·0 − 3·(−28) + 0·14 = 84

Atsakymas

det A = 84
4.Matricos ir determinantai

Atsakymas: λ = 3

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 + (0) = 0

Išspręskite

λ = (3 ± √(9))/2 → λ = 0, 3
λ = 3

Atsakymas

λ = 3
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: a·b = 2

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.

Sudauginkite atitinkamas komponentes ir sudėkite

a·b = (−7)·1 + (−3)·(−3) + 7·0 = (−7) + 9 + 0 = 2

Atsakymas

a·b = 2

Teigiama: kampas tarp vektorių mažesnis nei 90°.

6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: A = 19,27 m²

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.

Kraštinių vektoriai

AB = B − A = (−5, 4, 0)
AC = C − A = (2, 6, 1)

Vektorinė sandauga

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 4·1 − 0·6 = 4
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 0·2 − (−5)·1 = 5
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−5)·6 − 4·2 = −38
|AB × AC| = √(4² + 5² + (−38)²) = 38,54

Trikampio plotas

A = ½·38,54 = 19,27 m²

Atsakymas

A = 19,27 m²
7.Integralai

Atsakymas: I = 2,333

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.

Keitinys

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Integruokite ir įstatykite rėžius

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Atsakymas

I = 2,333
8.Integralai

Atsakymas: V = 1,676

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

2x = 2x² → x = 0, x = 1

Žiedų metodas

V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx

Integruokite

V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676

Atsakymas

V = 1,676
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: dz/dt = −0,3663

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) = −2, y(1) = −2
dx/dt = −2, dy/dt = −4t = −4

Dalinės išvestinės

fx = y²e−xy = 0,07326
fy = −e−xy(1 − xy) = 0,05495

Grandinės taisyklė

dz/dt = 0,07326·(−2) + 0,05495·(−4) = −0,3663

Atsakymas

dz/dt = −0,3663
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: fmax = 1

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 = 3x² + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)

Antros eilės išvestinių testas

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → balno taškas
(−1, −1): fxx = −6, fyy = −6, fxy = 3, D = 27 → lokalusis maksimumas

Reikšmė ekstremume

f(−1, −1) = 1

Atsakymas

fmax = 1
11.Sekos ir eilutės

Atsakymas: S = 0,5208

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

1/(k(k + 4)) = (1/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Atšaukti

S = (1/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 0,5208

Atsakymas

S = 0,5208
12.Sekos ir eilutės

Atsakymas: P₂(−0.3) = −0,345

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

P₂(x) = x − 0,5x²

Įstatykite

P₂(−0,3) = −0,3 − 0,045 = −0,345

Atsakymas

P₂(−0,3) = −0,345

Tiksli reikšmė yra f(−0,3) = −0,356675; paklaida −0,0116749 mažėja, kai imama daugiau narių arba taškas arčiau 0.

13.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.2) = 0,3628

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).

Paprastosios trupmenos

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 6)
A = 30/(2·6) = 2,5
B = 30/((−2)·4) = −3,75
C = 30/((−6)·(−4)) = 1,25

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 2,5 − 3,75·e−2t + 1,25·e−6t

Apskaičiuokite

f(0,2) = 2,5 − 3,75·e−2·0,2 + 1,25·e−6·0,2 = 0,3628

Atsakymas

f(0,2) = 0,3628
14.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.1) = −5,201

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 − (−5)s − (−9) + 9(sY − (−5)) + 20Y = 0
Y(s) = (−5s − 54)/((s + 4)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = −34/1 = −34
B = −29/(−1) = 29

Rezultatas

y(t) = −34·e−4t + 29·e−5t
y(0,1) = −5,201

Atsakymas

y(0,1) = −5,201

Patikra: y(0) = A + B = −5.

15.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(3.5) = 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(3,5) = 3·2·1 = 6

Atsakymas

y(3,5) = 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: c3 = 1,273

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)|.

Harmonikos numeris

f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 750/250 = 3

Amplitudė

c3 = 4·3/(3π) = 1,273

Atsakymas

c3 = 1,273

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2