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″ + 7y′ + 10y = 0, kai y(0) = 4 ir y′(0) = 0. Raskite y(2).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 4y′(0) = 0
y(2) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 100 L vandens, kuriame ištirpinta 10 kg druskos. Sūrymas, kurio litre yra 0,2 kg druskos, įteka 20 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Kiek druskos m bus talpoje po 10 min?
V = 100 Lm0 = 10 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c11 (eilutė 1, stulpelis 1).
A = [4 −6; −1 2]B = [−5 −3; 3 0]
c11 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −x + 5y = 9 ir −x − y = 11. Raskite x.
−x + 5y = 9−x − y = 11
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (10, −10, 30) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(0, 2, 5) į tašką B(−1, −5, −4). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (10, −10, 30) NA(0, 2, 5) mB(−1, −5, −4) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Kai a = (−5, −5, −4) ir b = (1, −2, 5), raskite vektorinės sandaugos a × b y komponentę (a × b)y.
a = (−5, −5, −4)b = (1, −2, 5)
(a × b)y =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀1 x·cos x dx (x radianais).
∫₀1 x·cos x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = 2x2 ir y = 3x, plotą A.
f(x) = cos x taške x = 1 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 1 × 10⁻⁶.
f(x) = cos xx = 1M = 1ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (3s + 36)/(s² + 10s + 25), ir apskaičiuokite f(0,3).
F(s) = (3s + 36)/(s² + 10s + 25)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t), kai y(0) = 5 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 10. Laplaso transformacija raskite y(0,25).
Impulsas x(t) = 1, kai 0 ≤ t < 1 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−5tu(t). Raskite išėjimą y(2,5), kai t = 2,5 s, jau pasibaigus impulsui.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Raskite jos impulsinės charakteristikos atskaitą h[5].
y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(2) = 0,122
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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Konstantos pagal pradines vertes
A + B = 4, −2A − 5B = 0
A = 6,667, B = −2,667
Apskaičiuokite
y(2) = 6,667·e−4 + (−2,667)·e−10 = 0,122
Atsakymas
y(2) = 0,122
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: m = 18,65 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 = 20·0,2 − (20/100)·m = 4 − 0,2·m
Išspręskite
Integruojantysis daugiklis yra ert/V; sprendinys artėja prie pusiausvyrinės reikšmės c·V.
m(t) = 20 + (−10)·e−t/5
Įstatykite t
m(10) = 20 + (−10)·0,1353 = 18,65 kg
Atsakymas
m = 18,65 kg
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: c11 = −38
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
c11 = 4·(−5) + (−6)·3 = −38
Atsakymas
c11 = −38
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −10,67
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)·(−1) − 5·(−1) = 6
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 9·(−1) − 5·11 = −64
x = −64/6 = −10,67
Atsakymas
x = −10,67
y = −0,3333
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = −210 J
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.
Poslinkis
d = B − A = (−1, −5, −4) − (0, 2, 5) = (−1, −7, −9) m
Darbas
W = F·d = 10·(−1) + (−10)·(−7) + 30·(−9) = −210 J
Atsakymas
W = −210 J
Neigiamas darbas: jėga daugiausia veikia prieš judėjimą.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: (a × b)y = 21
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 komponentėmis
(a × b)x = aybz − azby = (−5)·5 − (−4)·(−2) = −33
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·1 − (−5)·5 = 21
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−2) − (−5)·1 = 15
Prašoma komponentė
(a × b)y = 21
Atsakymas
(a × b)y = 21
Patikra: a × b yra statmena abiem vektoriams, todėl jos skaliarinė sandauga su a ir su b lygi nuliui.
7.Integralai
Atsakymas: I = 0,3818
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
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Atsakymas
I = 0,3818
8.Integralai
Atsakymas: A = 1,125
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.
Susikirtimo taškai
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Atsakymas
A = 1,125
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: θ = −109,4 °
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 = −y² − 9x² − 3y → fx(2, 3) = −54
fy = −2xy − 15y² − 3x → fy(2, 3) = −153
Kryptis
θ = atan2(−153, −54) = −109,4°
Atsakymas
θ = −109,4°
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 0,4957
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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2
Pakeista tvarka
I = ∫01,2 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01,2 y·cos(y²) dy
Keitinys u = y²
I = [sin(y²)/2]01,2 = 0,4957
Atsakymas
I = 0,4957
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: L = 0,3679
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| = (k/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e
Išvada
L = 0,3679 < 1
Atsakymas
L = 0,3679
L < 1, todėl eilutė konverguoja.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: n = 9
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 = 8: 2,756 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 9: 2,756 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶
Mažiausias laipsnis
n = 9
Atsakymas
n = 9
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.3) = 2,075
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Paprastosios trupmenos
3s + 36 = 3(s + 5) + 21
F(s) = 3/(s + 5) + 21/(s + 5)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 3·e−5t + 21·t·e−5t
f(0,3) = (3 + 21·0,3)·e−5·0,3 = 2,075
Atsakymas
f(0,3) = 2,075
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.25) = 10,35
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 + 7s + 12)·Y(s) = 5s + 35 + 360/s
Y(s) = (5s² + 35s + 360)/(s(s + 3)(s + 4))
Paprastosios trupmenos
A = 360/(3·4) = 30
B = 300/((−3)·1) = −100
C = 300/((−4)·(−1)) = 75
Rezultatas
y(t) = 30 − 100·e−3t + 75·e−4t
y(0,25) = 10,35
Atsakymas
y(0,25) = 10,35
Patikra: y(0) = A + B + C = 5.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(2.5) = 0,0001099
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) = (1/5)(1 − e−5) = 0,1987
Mažėjimas po impulso
y(2,5) = 0,1987·e−5·1,5 = 0,0001099
Atsakymas
y(2,5) = 0,0001099
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h[5] = −0,09375
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)|.