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
4 °C gaiviojo gėrimo skardinė išimama iš šaldytuvo į 24 °C kambarį. Ji kinta pagal Niutono aušimo dėsnį dT/dt = −k·(T − Tₐ). Kai k = 0,1 min⁻¹, raskite temperatūrą T po 13 min.
T0 = 4 °CTa = 24 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 13 min
T = °C
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite y″ + y′ + 4,25y = 0, kai y(0) = 3 ir y′(0) = 0 (paleista iš rimties). Raskite y(1,5); kampai radianais.
y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [0 0 1; 2 −2 −2; 5 3 −4]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −6x − 2y = 4 ir −4x + 4y = 12. Raskite x.
−6x − 2y = 4−4x + 4y = 12
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite k reikšmę, su kuria vektoriai a = (3, −1, 6) ir b = (2, 1, k) yra statmeni.
a = (3, −1, 6)b = (2, 1, k)
k =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite gretasienio, kurio briaunos iš vienos viršūnės yra a = (−4, −3, −3), b = (2, 2, −4) ir c = (4, 5, −1), tūrį V.
a = (−4, −3, −3)b = (2, 2, −4)c = (4, 5, −1)
V =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = x2 ir y = 2x, plotą A.
Naudodami polines koordinates apskaičiuokite I = ∬R (x² + y²) dA, kur R yra skritulys x² + y² ≤ 4.
f = x² + y²0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Lygiai viena iš keturių eilučių konverguoja. Spustelėkite ją.
A: Σ (4/3)ᵏB: Σ 3ᵏ/k²C: Σ (k + 3)/k²D: Σ k²/5ᵏ
1A: Σ (4/3)ᵏ
2B: Σ 3ᵏ/k²
3C: Σ (k + 3)/k²
4D: Σ k²/5ᵏ
12.Sekos ir eilutėsSunkus
f(x) = eˣ taške x = 1 aproksimuojama n laipsnio Maklorino polinomu. Naudodami Lagranžo įvertį M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! su M = 3, raskite mažiausią laipsnį n, garantuojantį paklaidą, mažesnę nei 1 × 10⁻⁵.
f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (6s + 23)/(s² + 14s + 48). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−6t + B·e−8t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (6s + 23)/(s² + 14s + 48)
A =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 3y′ + 2y = 2u′ + 11u, 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″ + 3y′ + 2y = 2u′ + 11ut = 0,5 s
g(0.5) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Impulsas x(t) = 1, kai 0 ≤ t < 1 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 1, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(1), kai t = 1 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 2 st = 1 s
y(1) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Impulsų seka turi aukštį 3, impulso plotį 2 ms ir periodą 5 ms. Raskite 1-osios harmonikos, kurios dažnis 200 Hz, amplitudę c1.
A = 3τ = 2 msT = 5 ms
c1 =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: T = 18,55 °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 + (−20)·e−0,1t
Įstatykite t
T(13) = 24 + (−20)·0,2725 = 18,55 °C
Atsakymas
T = 18,55 °C
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1.5) = −1,353
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 = −0,5 ± 2j
Konstantos
A = 3, B = 0,5·3/2 = 0,75
Apskaičiuokite
y(1,5) = e−0,75(3·cos 3 + 0,75·sin 3) = −1,353
Atsakymas
y(1,5) = −1,353
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 16
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 = 14, M₁₂ = 2, M₁₃ = 16
Skleidinys pagal eilutę
det A = 0·14 − 0·2 + 1·16 = 16
Atsakymas
det A = 16
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −1,25
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 = (−6)·4 − (−2)·(−4) = −32
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = 4·4 − (−2)·12 = 40
x = 40/(−32) = −1,25
Atsakymas
x = −1,25
y = 1,75
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: k = −0,8333
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 = 3·2 + (−1)·1 + 6·k = 0
5 + 6·k = 0
Išspręskite k atžvilgiu
k = −5/6 = −0,8333
Atsakymas
k = −0,8333
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: V = 36
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 = 2·(−1) − (−4)·5 = 18
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−4)·4 − 2·(−1) = −14
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·5 − 2·4 = 2
Skaliarinė sandauga su a
a·(b × c) = (−4)·18 + (−3)·(−14) + (−3)·2 = −36
V = |−36| = 36
Atsakymas
V = 36
7.Integralai
Atsakymas: I = 41,33
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.
Keitinys
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du
Integruokite ir įstatykite rėžius
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Atsakymas
I = 41,33
8.Integralai
Atsakymas: A = 1,333
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
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Atsakymas
A = 1,333
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: |∇f| = 56,57
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 = −2xy − 12x² → fx(2, 2) = −56
fy = −x² − 2y → fy(2, 2) = −8
Gradiento ilgis
|∇f| = √((−56)² + (−8)²) = 56,57
Atsakymas
|∇f| = 56,57
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 25,13
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).
Polinė forma
I = ∫02π ∫02 r²·r dr dθ
Integruokite
∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 25,13
Atsakymas
I = 25,13
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: D: Σ k²/5ᵏ
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 (4/3)ᵏ → Geometrinė, kai r = 4/3 > 1: nariai auga, todėl diverguoja.
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 = 7: 7,44 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 8: 8,267 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵
Mažiausias laipsnis
n = 8
Atsakymas
n = 8
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = −6,5
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 + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 6) ir įrašykite s = −6: B narys išnyksta.
A = (6s + 23)/(s + 8) |s = −6 = −13/2 = −6,5
Atsakymas
A = −6,5
(B = 12,5, taigi f(t) = −6,5·e−6t + 12,5·e−8t)
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.5) = 2,884
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 + 11)/(s² + 3s + 2)
Paprastosios trupmenos
s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
A = 9, B = −7
Impulsinė reakcija
g(t) = 9·e−t − 7·e−2t
g(0,5) = 2,884
Atsakymas
g(0,5) = 2,884
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(1) = 1
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).
Apversto impulso persidengimas
h(t − τ) yra h impulsas, apverstas ir pastumtas taip, kad baigtųsi ties τ = t.
τ ∈ [0, 1] → ilgis 1 s
Integralas
y(1) = 1·1·1 = 1
Atsakymas
y(1) = 1
y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 1 ir krinta iki 0, kai t = 3 s.
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c1 = 1,816
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)|.