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
91 °C kavos puodelis paliekamas 24 °C kambaryje. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,05 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 28 min.
T0 = 91 °CTa = 24 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 28 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite y″ + 4y′ + 29y = 0, kai y(0) = 1 ir y′(0) = 0 (paleista iš rimties). Raskite y(1,5); kampai radianais.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−4 −3 5; 5 −5 −5; 2 0 −1]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −4x − 3y = −10 ir 3x + 4y = 4. Raskite x.
−4x − 3y = −103x + 4y = 4
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (15, 10, −30) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(−5, −2, −3) į tašką B(−1, −1, −5). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (15, 10, −30) NA(−5, −2, −3) mB(−1, −1, −5) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Kai a = (−3, 5, 6) ir b = (−1, 4, 1), raskite vektorinės sandaugos a × b x komponentę (a × b)x.
a = (−3, 5, 6)b = (−1, 4, 1)
(a × b)x =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫01 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 1]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = 2x2 ir y = x, plotą A.
Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=0∞ 1,5ᵏ/k!.
ak = 1,5ᵏ/k!
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = (4s + 18)/(s² + 2s + 5), ir apskaičiuokite f(0,8).
F(s) = (4s + 18)/(s² + 2s + 5)t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema tenkina y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 1, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,5).
Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = −2 s ir t = 0 s, o h(t) – tik tarp t = 0 s ir t = 4 s. Raskite laiką tstart, kada y(t) = x(t) ∗ h(t) prasideda.
x: −2 … 0 sh: 0 … 4 s
tstart = s
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y′(t) + 5·y(t) = 10·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 1 s, h(1).
y′ + 5y = 10xt = 1 s
h(1) =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 40,52 °C
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 dėsnio sprendinys
T(t) = 24 + 67·e−0,05t
Įstatykite t
T(28) = 24 + 67·0,2466 = 40,52 °C
Atsakymas
T = 40,52 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = 0,03594
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.
Kompleksinės šaknys
r = −2 ± 5j
Konstantos
A = 1, B = 2·1/5 = 0,4
Apskaičiuokite
y(1,5) = e−3(1·cos 7,5 + 0,4·sin 7,5) = 0,03594
Atsakymas
y(1,5) = 0,03594
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 45
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 = 5, M₁₃ = 10
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−4)·5 − (−3)·5 + 5·10 = 45
Atsakymas
det A = 45
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = 4
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)·4 − (−3)·3 = −7
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−10)·4 − (−3)·4 = −28
x = −28/(−7) = 4
Atsakymas
x = 4
y = −2
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 130 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, −1, −5) − (−5, −2, −3) = (4, 1, −2) m
Darbas
W = F·d = 15·4 + 10·1 + (−30)·(−2) = 130 J
Atsakymas
W = 130 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: (a × b)x = −19
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 = 5·1 − 6·4 = −19
(a × b)y = azbx − axbz = 6·(−1) − (−3)·1 = −3
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·4 − 5·(−1) = −7
Prašoma komponentė
(a × b)x = −19
Atsakymas
(a × b)x = −19
Patikra: a × b yra statmena abiem vektoriams, todėl jos skaliarinė sandauga su a ir su b lygi nuliui.
7.Integralai
Atsakymas: I = 0,6321
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.
Pirmykštė funkcija
F(x) = e−x/(−1)
Įstatykite rėžius
I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321
Atsakymas
I = 0,6321
8.Integralai
Atsakymas: A = 0,04167
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 = x → x = 0, x = 0,5
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Atsakymas
A = 0,04167
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: dz/dt = 1,854
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(2) = 3, y(2) = −4
dx/dt = 2, dy/dt = −2t = −4
Dalinės išvestinės
fx = 2x/(x² + 2y²) = 0,1463
fy = 4y/(x² + 2y²) = −0,3902
Grandinės taisyklė
dz/dt = 0,1463·2 + (−0,3902)·(−4) = 1,854
Atsakymas
dz/dt = 1,854
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: B (−3, 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).
(−3, 3): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → balno taškas
Taškas
B (−3, 3): balno taškas
Atsakymas
B (−3, 3)
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 1,222
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
2/(k(k + 3)) = (2/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Atšaukti
S = (2/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 1,222
Atsakymas
S = 1,222
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 4,482
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.
Standartinės eilutės
Σ xᵏ/k! = eˣ
Įstatykite
x = 1,5
S = e1,5 = 4,482
Atsakymas
S = 4,482
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.8) = 3,091
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
Y(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5))
Paprastosios trupmenos
A = 10/(2·5) = 1
B = 10/((−2)·3) = −1,667
C = 10/((−5)·(−3)) = 0,6667
Išskirta
y(t) = 1 − 1,667·e−2t + 0,6667·e−5t
y(0,5) = 0,4416
Atsakymas
y(0,5) = 0,4416
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: tstart = −2 s
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).
Pradžia ir pabaiga
tstart = −2 + 0 = −2 s
tend = 0 + 4 = 4 s
Atsakymas
tstart = −2 s
Atsakymas
tstart = −2 s
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h(1) = 0,06738
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)|.