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
320 °C kalta plieno detalė paliekama aušti 26 °C dirbtuvėje. Po 10 min temperatūra yra 244 °C. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kiek laiko nuo pradžios, t, reikia, kad temperatūra pasiektų 124 °C?
T0 = 320 °CTa = 26 °CT(10) = 244 °CT = 124 °C
t = min
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 1000 L vandens, kuriame ištirpinta 5 kg druskos. Sūrymas, kurio litre yra 0,25 kg druskos, įteka 2 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Kiek druskos m bus talpoje po 5 min?
V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [1 −1 −3; −4 5 0; 3 2 −1]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą 5x − 5y = −3 ir 6x + 3y = −9. Raskite x.
5x − 5y = −36x + 3y = −9
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite k reikšmę, su kuria vektoriai a = (1, 4, −3) ir b = (k, −1, 5) yra statmeni.
a = (1, 4, −3)b = (k, −1, 5)
k =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (−3, 1, −1), b = (−5, −3, −1) ir c = (0, −3, 5), tūrį V.
a = (−3, 1, −1)b = (−5, −3, −1)c = (0, −3, 5)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x radianais).
Kai f(x, y) = 3x³y² + x² − 5y² + 3xy, raskite stačiausio kilimo kryptį taške (3, −1) kaip kampą θ nuo teigiamos x ašies, laipsniais tarp −180° ir 180°.
Integralo I = ∫00,8 ∫y0,8 cos(x²) dx dy šia tvarka apskaičiuoti negalima. Pakeiskite integravimo tvarką ir apskaičiuokite jį.
f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite laipsninės eilutės Σk=1∞ (x + 2)ᵏ/(1/2)ᵏ konvergavimo spindulį R.
Σ (x + 2)ᵏ/(1/2)ᵏx₀ = −2
R =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = sin x taške x = 1,5 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 0,001.
f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 0,001
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (4s + 5)/(s² + 9s + 18). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−3t + B·e−6t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (4s + 5)/(s² + 9s + 18)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t), kai y(0) = 4 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 2. Laplaso transformacija raskite y(0,3).
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−0,5tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(0,4), kai t = 0,4 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Impulsų seka turi aukštį 2, impulso plotį 0,4 ms ir periodą 1 ms. Raskite 3-osios harmonikos, kurios dažnis 3000 Hz, amplitudę c3.
A = 2τ = 0,4 msT = 1 ms
c3 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: t = 36,73 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(294/218)/10 = 0,02991 min⁻¹
Laikas iki tikslinės temperatūros
t = ln(294/98)/0,02991 = 36,73 min
Atsakymas
t = 36,73 min
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: m = 7,438 kg
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.
Sudarykite lygtį
dm/dt = 2·0,25 − (2/1000)·m = 0,5 − 0,002·m
Išspręskite
Integruojantysis daugiklis yra ert/V; sprendinys artėja prie pusiausvyrinės reikšmės c·V.
m(t) = 250 + (−245)·e−t/500
Įstatykite t
m(5) = 250 + (−245)·0,99 = 7,438 kg
Atsakymas
m = 7,438 kg
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 68
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 = −5, M₁₂ = 4, M₁₃ = −23
Skleidinys pagal eilutę
det A = 1·(−5) − (−1)·4 + (−3)·(−23) = 68
Atsakymas
det A = 68
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −1,2
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 = 5·3 − (−5)·6 = 45
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−3)·3 − (−5)·(−9) = −54
x = −54/45 = −1,2
Atsakymas
x = −1,2
y = −0,6
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: k = 19
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 lygi nuliui
a·b = 1·k + 4·(−1) + (−3)·5 = 0
−19 + 1·k = 0
Išspręskite k atžvilgiu
k = −(−19)/1 = 19
Atsakymas
k = 19
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 64
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.
Vektorinė sandauga b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = (−3)·5 − (−1)·(−3) = −18
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·0 − (−5)·5 = 25
(b × c)z = bxcy − bycx = (−5)·(−3) − (−3)·0 = 15
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = (−3)·(−18) + 1·25 + (−1)·15 = 64
V = |64| = 64
Atsakymas
V = 64
7.Integralai
Atsakymas: I = 1
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/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1
Atsakymas
I = 1
8.Integralai
Atsakymas: I = 37,59
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.
Pirmasis ciklas
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Antrasis ciklas
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Ribos
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Atsakymas
I = 37,59
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: θ = −59,57 °
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 = 9x²y² + 2x + 3y → fx(3, −1) = 84
fy = 6x³y − 10y + 3x → fy(3, −1) = −143
Kryptis
θ = atan2(−143, 84) = −59,57°
Atsakymas
θ = −59,57°
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 0,2986
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 cos(x²) dy dx = ∫00,8 x·cos(x²) dx
Keitinys u = x²
I = [sin(x²)/2]00,8 = 0,2986
Atsakymas
I = 0,2986
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: R = 0,5
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 = (1/2)
Spindulys
R = 0,5
Atsakymas
R = 0,5
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 7
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 = 6: 0,00339 ≥ 0,001
n = 7: 0,0006356 < 0,001
Mažiausias laipsnis
n = 7
Atsakymas
n = 7
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = −2,333
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 + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 3) ir įrašykite s = −3: B narys išnyksta.
A = (4s + 5)/(s + 6) |s = −3 = −7/3 = −2,333
Atsakymas
A = −2,333
(B = 6,333, taigi f(t) = −2,333·e−3t + 6,333·e−6t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 5,038
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
(s² + 8s + 12)·Y(s) = 4s + 32 + 96/s
Y(s) = (4s² + 32s + 96)/(s(s + 2)(s + 6))
Paprastosios trupmenos
A = 96/(2·6) = 8
B = 48/((−2)·4) = −6
C = 48/((−6)·(−4)) = 2
Rezultatas
y(t) = 8 − 6·e−2t + 2·e−6t
y(0,3) = 5,038
Atsakymas
y(0,3) = 5,038
Patikra: y(0) = A + B + C = 4.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(0.4) = 0,3625
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−0,5τ dτ = (1/0,5)·(1 − e−0,5t)
Apskaičiuokite
y(0,4) = 2·(1 − e−0,2) = 0,3625
Atsakymas
y(0,4) = 0,3625
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c3 = 0,2495
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)|.