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″ + 5y′ + 4y = 0, kai y(0) = 5 ir y′(0) = 1. Raskite y(2).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(2) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Sistema tenkina y″ + y′ + 16,25y = 162,5, kai t ≥ 0, pradedant iš rimties: y(0) = 0, y′(0) = 0. Raskite jos šuolinio atsako didžiausią vertę ymax.
y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [1 5 −4; −4 4 4; 1 −1 3]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 4x − 6y = 12 ir 2x − 5y = −12. Raskite x.
4x − 6y = 122x − 5y = −12
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektorių a = (−5, 2, 2) ir b = (−3, 7, 7) skaliarinę sandaugą a·b.
a = (−5, 2, 2)b = (−3, 7, 7)
a·b =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Jėga F = (−10, −20, 0) N veikia taške A(−3, 2, −1). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos momento taško taškas O(−1, 0, 2) atžvilgiu x komponentę Mx.
F = (−10, −20, 0) NA(−3, 2, −1) mO(−1, 0, 2) m
Mx = N·m
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀π x·sin x dx (x radianais).
∫₀π x·sin x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities tarp parabolės y = 9 − x² ir x ašies plotą A.
Raskite f(x, y) = x³ − 3x + y² − 2y kritinius taškus, juos klasifikuokite ir nurodykite f reikšmę fmin lokaliajame minimume.
f(x, y) = x³ − 3x + y² − 2y
fmin =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite sumą S = Σk=1∞ 1/(k(k + 1)).
ak = 1/(k(k + 1))
S =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = sin x taške x = 0,5 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 0,0005.
f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (6s + 20)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,2).
F(s) = (6s + 20)/(s² + 6s + 9)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 4y′ + 3y = 2u′ + 6u, 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 = 0,5 s. Raskite g(0,5).
y″ + 4y′ + 3y = 2u′ + 6ut = 0,5 s
g(0.5) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 2, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−2tu(t). Raskite išėjimą y(3,5), kai t = 3,5 s, jau pasibaigus impulsui.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y′(t) + 0,5·y(t) = 10·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 0,2 s, h(0,2).
y′ + 0,5y = 10xt = 0,2 s
h(0.2) =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(2) = 0,9467
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 + 4) = 0 → r = −1, −4
Konstantos pagal pradines vertes
A + B = 5, −1A − 4B = 1
A = 7, B = −2
Apskaičiuokite
y(2) = 7·e−2 + (−2)·e−8 = 0,9467
Atsakymas
y(2) = 0,9467
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: ymax = 16,75
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 = 10, r = −0,5 ± 4j
Konstantos pagal pradines vertes
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25
Smailė
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/4) = 16,75
Atsakymas
ymax = 16,75
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 96
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 = 16, M₁₂ = −16, M₁₃ = 0
Skleidinys pagal eilutę
det A = 1·16 − 5·(−16) + (−4)·0 = 96
Atsakymas
det A = 96
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 16,5
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·(−5) − (−6)·2 = −8
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 12·(−5) − (−6)·(−12) = −132
x = −132/(−8) = 16,5
Atsakymas
x = 16,5
y = 9
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: a·b = 43
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 = (−5)·(−3) + 2·7 + 2·7 = 15 + 14 + 14 = 43
Atsakymas
a·b = 43
Teigiama: kampas tarp vektorių mažesnis nei 90°.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: Mx = −60 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.
Padėties vektorius iš O į A
r = A − O = (−3, 2, −1) − (−1, 0, 2) = (−2, 2, −3) m
Integravimas dalimis: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, išplaukia iš sandaugos diferencijavimo taisyklės. Kaip u rinkitės dauginamąjį, kuris diferencijuojant tampa paprastesnis (x laipsnį ar ln x), o kaip dv – dauginamąjį, kurį galite suintegruoti (eˣ, sin x, cos x arba x, kai u = ln x). Apibrėžtiniam integralui u·v apskaičiuokite abiejose ribose: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Dauginamajam x² reikia dviejų ciklų.
Pasirinkite u ir dv
u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Pirmykštė funkcija
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Ribos
(−π·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142
Atsakymas
I = 3,142
8.Integralai
Atsakymas: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integruokite
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Atsakymas
A = 36
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: c = −553
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(1, 3) = 202
fx = 5y³ − 4x − 4y → fx(1, 3) = 119
fy = 15xy² + 9y² − 4x → fy(1, 3) = 212
Liečiamoji plokštuma
z = 202 + 119(x − 1) + 212(y − 3)
z = 119x + 212y − 553
Konstantos narys
c = −553
Atsakymas
c = −553
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: fmin = −3
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).
(−1, 1): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → balno taškas
Reikšmė ekstremume
f(1, 1) = −3
Atsakymas
fmin = −3
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 1
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 + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))
Atšaukti
S = 1·1 = 1
Atsakymas
S = 1
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 4
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 = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005
Mažiausias laipsnis
n = 4
Atsakymas
n = 4
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.2) = 3,512
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 + 20 = 6(s + 3) + 2
F(s) = 6/(s + 3) + 2/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 6·e−3t + 2·t·e−3t
f(0,2) = (6 + 2·0,2)·e−3·0,2 = 3,512
Atsakymas
f(0,2) = 3,512
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.5) = 1,213
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) = (2s + 6)/(s² + 4s + 3)
Paprastosios trupmenos
s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 2, B = 0
Impulsinė reakcija
g(t) = 2·e−t
g(0,5) = 1,213
Atsakymas
g(0,5) = 1,213
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(3.5) = 0,04888
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) = (2/2)(1 − e−4) = 0,9817
Mažėjimas po impulso
y(3,5) = 0,9817·e−2·1,5 = 0,04888
Atsakymas
y(3,5) = 0,04888
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h(0.2) = 9,048
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)|.