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″ + 5y′ + 6y = 0, kai y(0) = 1 ir y′(0) = 2. Raskite y(0,5).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Išspręskite Koši uždavinį y′ + 2y/x = 2, kai x > 0, su y(1) = −2. Raskite y(3).
y′ + 2y/x = 2y(1) = −2
y(3) =
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−1 −4 −3; −5 −4 −3; 0 1 −3]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Išspręskite sistemą −2x − 4y = −9 ir −6x − 6y = −8. Raskite x.
−2x − 4y = −9−6x − 6y = −8
x =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Pastovi jėga F = (−15, 10, 10) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(0, 0, −5) į tašką B(3, 5, 5). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.
F = (−15, 10, 10) NA(0, 0, −5) mB(3, 5, 5) m
W = J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Vienetinis vektorius n̂ statmenas abiem vektoriams a = (5, 1, 0) ir b = (−1, −4, 4) ir turi teigiamą z komponentę. Raskite jo x komponentę n̂x.
a = (5, 1, 0)b = (−1, −4, 4)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀2 x·sin x dx (x radianais).
∫₀2 x·sin x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Raskite srities, apribotos y = x2 ir y = 4x, plotą A.
Raskite f(x, y) = x³ − 27x + y² − 2y kritinius taškus, juos klasifikuokite ir nurodykite f reikšmę fmin lokaliajame minimume.
f(x, y) = x³ − 27x + y² − 2y
fmin =
11.Sekos ir eilutėsVidutinis
Raskite laipsninės eilutės Σk=1∞ k²·5ᵏ·(x − 2)ᵏ konvergavimo spindulį R.
Σ k²·5ᵏ·(x − 2)ᵏx₀ = 2
R =
12.Sekos ir eilutėsSunkus
Raskite koeficientą c₂ prie (x − 1)² funkcijos f(x) = 1/x Teiloro eilutėje taško a = 1 aplinkoje.
f(x) = 1/xa = 1k = 2
c₂ =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (2s + 15)/(s² + 10s + 25), ir apskaičiuokite f(0,25).
F(s) = (2s + 15)/(s² + 10s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 7y′ + 10y = 0, kai y(0) = −6 ir y′(0) = 5, ir raskite y(0,2).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −6y′(0) = 5t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Įėjimas x(t) = 4·e−5tu(t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−0,5tu(t). Raskite išėjimą y(1,5), kai t = 1,5 s.
x(t) = 4·e−5tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = −0,8·y[n − 1] + 3·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Įėjimas yra vienetinis šuolis x[n] = u[n]. Raskite y[3].
y[n] = −0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(0.5) = 0,9469
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 + 3) = 0 → r = −2, −3
Konstantos pagal pradines vertes
A + B = 1, −2A − 3B = 2
A = 5, B = −4
Apskaičiuokite
y(0,5) = 5·e−1 + (−4)·e−1,5 = 0,9469
Atsakymas
y(0,5) = 0,9469
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(3) = 1,704
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.
Integruojantysis daugiklis
μ = e∫2/x dx = x2
Integruokite
(x2y)′ = 2x2 → x2y = 2x3/3 + C
Pradinė sąlyga
−2 = 2/3 + C → C = −2,667
Apskaičiuokite
y(3) = (2·33/3 + (−2,667))/32 = 1,704
Atsakymas
y(3) = 1,704
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 60
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 = 15, M₁₂ = 15, M₁₃ = −5
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−1)·15 − (−4)·15 + (−3)·(−5) = 60
Atsakymas
det A = 60
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: x = −1,833
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 = (−2)·(−6) − (−4)·(−6) = −12
Pakeiskite x stulpelį
det Aₓ = (−9)·(−6) − (−4)·(−8) = 22
x = 22/(−12) = −1,833
Atsakymas
x = −1,833
y = 3,167
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: W = 105 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 = (3, 5, 5) − (0, 0, −5) = (3, 5, 10) m
Darbas
W = F·d = (−15)·3 + 10·5 + 10·10 = 105 J
Atsakymas
W = 105 J
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: n̂x = −0,1435
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
(a × b)x = aybz − azby = 1·4 − 0·(−4) = 4
(a × b)y = azbx − axbz = 0·(−1) − 5·4 = −20
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−4) − 1·(−1) = −19
Normalizuokite
a × b z komponentė neigiama, todėl naudokite −(a × b).
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
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
Atsakymas
I = 1,742
8.Integralai
Atsakymas: A = 10,67
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 = 4x → x = 0, x = 4
Integruokite viršutinę minus apatinę
A = [2x2 − 0,3333x3]04 = 10,67
Atsakymas
A = 10,67
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: Duf = −2,683
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.
Gradientas taške
fx = 6x/(x² + 4y²) → fx(1, 2) = 0,3529
fy = 24y/(x² + 4y²) → fy(1, 2) = 2,824
Vienetinis vektorius
|v| = √((−2)² + (−4)²) = 4,472
u = (−0,4472, −0,8944)
Skaliarinė sandauga
Duf = 0,3529·(−0,4472) + 2,824·(−0,8944) = −2,683
Atsakymas
Duf = −2,683
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: fmin = −55
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, 1): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → balno taškas
Reikšmė ekstremume
f(3, 1) = −55
Atsakymas
fmin = −55
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: R = 0,2
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 = (1/5)·(k/(k + 1))² → 1/5
Spindulys
R = 0,2
Atsakymas
R = 0,2
D’Alambero kriterijus nieko nesako apie du galinius taškus; juos reikia tikrinti atskirai.
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: c₂ = 1
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.
Išvestinė f⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = 2/x³
Koeficientas
c₂ = 2/(1³·2) = 1
c₂ = 1
Atsakymas
c₂ = 1
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.25) = 0,9311
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
2s + 15 = 2(s + 5) + 5
F(s) = 2/(s + 5) + 5/(s + 5)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 2·e−5t + 5·t·e−5t
f(0,25) = (2 + 5·0,25)·e−5·0,25 = 0,9311
Atsakymas
f(0,25) = 0,9311
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.2) = −4,728
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 − (−6)s − 5 + 7(sY − (−6)) + 10Y = 0
Y(s) = (−6s − 37)/((s + 2)(s + 5))
Paprastosios trupmenos
A = −25/3 = −8,333
B = −7/(−3) = 2,333
Rezultatas
y(t) = −8,333·e−2t + 2,333·e−5t
y(0,2) = −4,728
Atsakymas
y(0,2) = −4,728
Patikra: y(0) = A + B = −6.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(1.5) = 0,4194
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).
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)|.