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
85 °C kavos puodelis paliekamas 19 °C kambaryje. Po 22 min temperatūra yra 28 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 57 °C?
T0 = 85 °CTa = 19 °CT(22) = 28 °CT = 57 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 500 L vandens, kuriame ištirpinta 20 kg druskos. Sūrymas, kurio litre yra 0,2 kg druskos, įteka 20 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Po kiek minučių t talpoje bus 60 kg druskos?
V = 500 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−5 −2 −5; −4 −3 −1; 0 −1 −1]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −3x − 2y = 11 ir x + 3y = −1. Raskite x.
−3x − 2y = 11x + 3y = −1
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektoriaus a = (−7, 2, −1) skaliarinę projekciją compb a į b = (−1, 5, 2), t. y. a komponentę b kryptimi.
a = (−7, 2, −1)b = (−1, 5, 2)
compb a =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Vienetinis vektorius n̂ statmenas abiem vektoriams a = (−1, −3, −5) ir b = (3, −3, −4) ir turi teigiamą z komponentę. Raskite jo y komponentę n̂y.
a = (−1, −3, −5)b = (3, −3, −4)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀2 x·cos x dx (x radianais).
∫₀2 x·cos x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Sritis tarp tiesės y = 3x ir parabolės y = 3x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.
Lygiai viena iš keturių eilučių diverguoja. Spustelėkite ją.
A: Σ 2/k³B: Σ (5/4)ᵏC: Σ (3/5)ᵏD: Σ 1/(k² + 9)
1A: Σ 2/k³
2B: Σ (5/4)ᵏ
3C: Σ (3/5)ᵏ
4D: Σ 1/(k² + 9)
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = eˣ aproksimuojama 3 laipsnio Maklorino polinomu taške x = 0,5. Naudodami Lagranžo paklaidos įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = e0,5 = 1,649, raskite didžiausią galimą paklaidą |R₃|.
f(x) = eˣn = 3x = 0,5M = 1,649
|R₃| =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = (5s + 25)/(s² + 8s + 20), ir apskaičiuokite f(0,25).
F(s) = (5s + 25)/(s² + 8s + 20)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 7y′ + 10y = 0, kai y(0) = 5 ir y′(0) = −4, ir raskite y(0,4).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 5y′(0) = −4t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 1, kai 0 ≤ t < 1 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−2tu(t). Raskite išėjimą y(2,5), kai t = 2,5 s, jau pasibaigus impulsui.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−2tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Stačiakampė banga kinta tarp 2 ir 0, jos periodas T = 2 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 3500 Hz, amplitudę c7.
0 … 2T = 2 msf = 3500 Hz
c7 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 6,096 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(66/9)/22 = 0,09057 min⁻¹
Laikas iki tikslinės temperatūros
t = ln(66/38)/0,09057 = 6,096 min
Atsakymas
t = 6,096 min
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 17,33 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) = 100 + (−80)·e−t/25
Išspręskite t atžvilgiu
e−t/25 = (100 − 60)/(100 − 20) = 0,5
t = 25·ln(2) = 17,33 min
Atsakymas
t = 17,33 min
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = −22
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 = 2, M₁₂ = 4, M₁₃ = 4
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−5)·2 − (−2)·4 + (−5)·4 = −22
Atsakymas
det A = −22
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −4,429
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 = (−3)·3 − (−2)·1 = −7
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 11·3 − (−2)·(−1) = 31
x = 31/(−7) = −4,429
Atsakymas
x = −4,429
y = 1,143
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: compb a = 2,739
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 = (−7)·(−1) + 2·5 + (−1)·2 = 15
b ilgis
|b| = √((−1)² + 5² + 2²) = 5,477
Skaliarinė projekcija
compb a = a·b/|b| = 15/5,477 = 2,739
Atsakymas
compb a = 2,739
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: n̂y = −0,8381
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.
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 = cos x dx, v = sin x
Pirmykštė funkcija
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Ribos
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Atsakymas
I = 0,4024
8.Integralai
Atsakymas: V = 3,77
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
3x = 3x² → x = 0, x = 1
Žiedų metodas
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Integruokite
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Atsakymas
V = 3,77
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: L = −30
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 = 4y − 8x → fx(2, 2) = −8
fy = 4x − 15y² → fy(2, 2) = −52
Liečiamoji plokštuma
z = −40 − 8(x − 2) − 52(y − 2)
z = −8x − 52y + 80
Tiesinė aproksimacija
L = −40 + (−8)·0,05 + (−52)·(−0,2) = −30
Atsakymas
L = −30
Tiksli reikšmė yra f = −31,21; plokštuma artima, nes žingsnis mažas.
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.
Patikrinkite kiekvieną eilutę
A: Σ 2/k³ → p eilutė, kai p = 3 > 1: konverguoja.
B: Σ (5/4)ᵏ → Geometrinė, kai r = 5/4 > 1: nariai auga, todėl diverguoja.
C: Σ (3/5)ᵏ → Geometrinė, kai r = 3/5, |r| < 1: konverguoja.
D: Σ 1/(k² + 9) → Mažesnė už 1/k², konverguojančią p eilutę: konverguoja pagal palyginimo kriterijų.
Atsakymas
B: Σ (5/4)ᵏ
Atsakymas
B: Σ (5/4)ᵏ
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: |R₃| = 0,004294
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).
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 − 5s − (−4) + 7(sY − 5) + 10Y = 0
Y(s) = (5s + 31)/((s + 2)(s + 5))
Paprastosios trupmenos
A = 21/3 = 7
B = 6/(−3) = −2
Rezultatas
y(t) = 7·e−2t − 2·e−5t
y(0,4) = 2,875
Atsakymas
y(0,4) = 2,875
Patikra: y(0) = A + B = 5.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(2.5) = 0,02152
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(1) = (1/2)(1 − e−2) = 0,4323
Mažėjimas po impulso
y(2,5) = 0,4323·e−2·1,5 = 0,02152
Atsakymas
y(2,5) = 0,02152
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c7 = 0,1819
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)|.