Inžinerinė matematika 2: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 16 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Diferencialinės lygtys

Eksponentinis augimas / mažėjimas
dy/dt = ky → y = y0ekt
Pusėjimo trukmė
k = ln 2 / t½
Niutono aušimo dėsnis
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integruojantysis daugiklis
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Maišymo talpa
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matricos ir determinantai

2×2 determinantas
det = ad − bc
2×2 atvirkštinė matrica
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produktas
(AB)ij = Σk AikBkj
Tikrinės reikšmės
det(A − λI) = 0
Kramerio taisyklė
xi = det(Ai)/det(A)

Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Modulis
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vienetinis vektorius
û = a/|a|
Komponentės pagal kampą
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Skaliarinė sandauga
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a skaliarinė projekcija į b
a·b/|b|
Darbas
W = F·d
Vektorinė sandauga
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Plotai
lygiagretainis |a × b|, trikampis ½|a × b|
Momentas taško O atžvilgiu
MO = r × F, r = A − O
Gretasienio tūris
V = |a·(b × c)|

Metodas

  1. Kiekvieną vektorių užrašykite komponentėmis; jėgai, pateiktai moduliu ir kampu, naudokite F·cos θ ir F·sin θ.
  2. Ilgiams ir kryptims naudokite modulį √(x² + y² + z²) ir vienetinį vektorių a/|a|.
  3. Skaliarinę sandaugą naudokite kampams, projekcijoms, statmenumui ir darbui: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Vektorinę sandaugą naudokite statmeniems vektoriams, plotams ir momentams: atidžiai užrašykite tris komponentes, išlaikydami tvarką a × b.

Integralai

Laipsnio išvestinė
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Apibrėžtinis integralas
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Pagrindiniai integralai
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Plotas tarp kreivių
∫ab (f − g) dx

Metodas

  1. Kai įmanoma, pointegralinę funkciją perrašykite kaip paprastų narių sumą.
  2. Taikykite laipsninės funkcijos taisyklę: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), o ex, 1/x, sin ir cos – lentelinius integralus.
  3. Keitinį naudokite, kai matote funkciją kartu su jos išvestine.
  4. Apibrėžtiniam integralui apskaičiuokite F(b) − F(a).

Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Dalinės išvestinės
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradientas
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Išvestinė pagal kryptį
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Liečiamoji plokštuma
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Grandinės taisyklė
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Antros eilės išvestinių testas
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

  1. Dalinei išvestinei kitą kintamąjį laikykite konstanta ir naudokite vieno kintamojo taisykles.
  2. Gradiento uždaviniuose taške apskaičiuokite ∇f = (fx, fy); stačiausiam nuolydžiui naudokite |∇f|, o išvestinei pagal kryptį – ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u.
  3. Ekstremumams kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0, tada kiekvieną tašką klasifikuokite pagal D = fxx·fyy − fxy².
  4. 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 + …
Lagranžo paklaidos įvertis
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodas

  1. Nustatykite tipą: aritmetinė (pastovus skirtumas), geometrinė (pastovus daugiklis), standartinė eilutė, laipsninė eilutė arba Teiloro polinomas.
  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.
  3. Konvergavimui: pirmiausia būtinoji sąlyga, tada palyginkite su Σ1/kᵖ ar geometrine eilute, o faktorialams ir k-tiesiems laipsniams naudokite d’Alambero ar Koši kriterijų.
  4. 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)!.

Sąsūka ir LTI sistemos

Diskrečioji sąsūka
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tolydžioji sąsūka
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Ilgis ir suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Pradžia, pabaiga ir plotas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Šuolis į e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Pirmosios eilės sistema
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Pirmosios eilės rekursija
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoidė per h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Furjė eilutės amplitudės
stačiakampė ±A: 4A/(kπ), nelyginis k; trikampė ±A: 8A/(π²k²), nelyginis k; impulsų seka: A·D ir (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodas

  1. Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
  2. Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
  3. Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
  4. 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
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Išspręskite y″ + 4y′ + 4y = 0, kai y(0) = 3 ir y′(0) = 1. Raskite y(1,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(1.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
t (min)m (kg)t = ?89 kg

Talpoje yra 500 L vandens, kuriame ištirpinta 5 kg druskos. Sūrymas, kurio litre yra 0,25 kg druskos, įteka 10 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Po kiek minučių t talpoje bus 89 kg druskos?

V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
A =36−12B =64−56

Tegu C = AB pateiktoms matricoms. Raskite elementą c21 (eilutė 2, stulpelis 1).

A = [3 6; −1 2]B = [6 4; −5 6]
c21 =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
A =112−4b =411

Išspręskite sistemą x + y = 4 ir 2x − 4y = 11. Raskite x.

x + y = 42x − 4y = 11
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
xyzab

Raskite k reikšmę, su kuria vektoriai a = (−2, −5, −1) ir b = (k, 6, 0) yra statmeni.

a = (−2, −5, −1)b = (k, 6, 0)
k =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
xyzrFOA

Jėga F = (−40, −50, −60) N veikia taške A(4, −2, 3). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos momento taško taškas O(2, −2, 1) atžvilgiu modulį |M|.

F = (−40, −50, −60) NA(4, −2, 3) mO(2, −2, 1) m
|M| = N·m
7.IntegralaiVidutinis
xy210

Apskaičiuokite I = ∫210 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 10]
I =
8.IntegralaiSunkus
xy2,5y = x²eˣ

Apskaičiuokite I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasVidutinis
xy22∇fP

Kai f(x, y) = −2xy + 2x³ − 5y², raskite stačiausio kilimo kryptį taške (2, 2) kaip kampą θ nuo teigiamos x ašies, laipsniais tarp −180° ir 180°.

f(x, y) = −2xy + 2x³ − 5y²P = (2, 2)
θ = °
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasSunkus
xyy = 4xy = x²416

Apskaičiuokite I = ∬R y dA, kur R yra sritis tarp parabolės y = x² ir tiesės y = 4x.

y = x²y = 4xf = y
I =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Taikykite d’Alambero kriterijų eilutei Σk=1∞ kᵏ/(5ᵏ·k!). Raskite L = lim |ak+1/ak|.

ak = kᵏ/(5ᵏ·k!)
L =
12.Sekos ir eilutėsSunkus

Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5)), ir apskaičiuokite f(0,3).

F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 5y′ + 6y = 0, kai y(0) = −10 ir y′(0) = 1, ir raskite y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −10y′(0) = 1t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
x(t)t1h(t)t11

Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−1tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(0,5), kai t = 0,5 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
u[n]2+y[n]−0,8·z⁻¹+

Sistema tenkina y[n] = −0,8·y[n − 1] + 2·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Įėjimas yra vienetinis šuolis x[n] = u[n]. Raskite y[3].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[3] =

3Tirpalai

1.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(1.5) = 0,6721

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.

Dviguba šaknis

(r + 2)² = 0 → r = −2

Konstantos

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 6 = 7

Apskaičiuokite

y(1,5) = (3 + 7·1,5)·e−3 = 0,6721

Atsakymas

y(1,5) = 0,6721
2.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: t = 60,2 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) = 125 + (−120)·e−t/50

Išspręskite t atžvilgiu

e−t/50 = (125 − 89)/(125 − 5) = 0,3
t = 50·ln(3,333) = 60,2 min

Atsakymas

t = 60,2 min
3.Matricos ir determinantai

Atsakymas: c21 = −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.

Eilutė kart stulpelis

c21 = (−1)·6 + 2·(−5) = −16

Atsakymas

c21 = −16
4.Matricos ir determinantai

Atsakymas: x = 4,5

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·(−4) − 1·2 = −6

Pakeiskite x stulpelį

det Aₓ = 4·(−4) − 1·11 = −27
x = −27/(−6) = 4,5

Atsakymas

x = 4,5
y = −0,5
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: k = −15

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 = (−2)·k + (−5)·6 + (−1)·0 = 0
−30 + (−2)·k = 0

Išspręskite k atžvilgiu

k = −(−30)/(−2) = −15

Atsakymas

k = −15
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: |M| = 147 N·m

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.

Padėties vektorius iš O į A

r = A − O = (4, −2, 3) − (2, −2, 1) = (2, 0, 2) m

Momentas M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 0·(−60) − 2·(−50) = 100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·(−40) − 2·(−60) = 40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 2·(−50) − 0·(−40) = −100 N·m

Modulis

|M| = √(100² + 40² + (−100)²) = 147 N·m

Atsakymas

|M| = 147 N·m
7.Integralai

Atsakymas: I = 6,438

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) = 4·ln x

Įstatykite rėžius

I = 4·(ln 10 − ln 2) = 4·ln 5 = 6,438

Atsakymas

I = 6,438
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 = −50,19 °

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 = −2y + 6x² → fx(2, 2) = 20
fy = −2x − 10y → fy(2, 2) = −24

Kryptis

θ = atan2(−24, 20) = −50,19°

Atsakymas

θ = −50,19°
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: I = 68,27

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).

Susikirtimo taškai

x² = 4x → x = 0, x = 4

Vidinis integralas

∫x²4x y dy = [y²/2] = (16x² − x⁴)/2

Išorinis integralas

I = ∫04 (16x² − x⁴)/2 dx = 68,27

Atsakymas

I = 68,27
11.Sekos ir eilutės

Atsakymas: L = 0,5437

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| = (1 + 1/k)ᵏ/5 → e/5

Išvada

L = 0,5437 < 1

Atsakymas

L = 0,5437

L < 1, todėl eilutė konverguoja.

12.Sekos ir eilutės

Atsakymas: S = 0,9093

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 (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Įstatykite

x = 2
S = sin 2 = 0,9093

Atsakymas

S = 0,9093
13.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.3) = 0,4681

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).

Paprastosios trupmenos

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 20/(2·5) = 2
B = 20/((−2)·3) = −3,333
C = 20/((−5)·(−3)) = 1,333

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 2 − 3,333·e−2t + 1,333·e−5t

Apskaičiuokite

f(0,3) = 2 − 3,333·e−2·0,3 + 1,333·e−5·0,3 = 0,4681

Atsakymas

f(0,3) = 0,4681
14.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.5) = −6,429

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 − (−10)s − 1 + 5(sY − (−10)) + 6Y = 0
Y(s) = (−10s − 49)/((s + 2)(s + 3))

Paprastosios trupmenos

A = −29/1 = −29
B = −19/(−1) = 19

Rezultatas

y(t) = −29·e−2t + 19·e−3t
y(0,5) = −6,429

Atsakymas

y(0,5) = −6,429

Patikra: y(0) = A + B = −10.

15.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(0.5) = 0,3935

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−1τ dτ = (1/1)·(1 − e−1t)

Apskaičiuokite

y(0,5) = 1·(1 − e−0,5) = 0,3935

Atsakymas

y(0,5) = 0,3935
16.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y[3] = 0,656

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)|.

Iteracijos

y[0] = 2
y[1] = 0,4
y[2] = 1,68
y[3] = 0,656

Rezultatas

y[3] = 2·(1 − (−0,8)4)/(1 − (−0,8)) = 0,656

Atsakymas

y[3] = 0,656

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2