Matematik Kejuruteraan 2: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 16 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Persamaan pembezaan

Pertumbuhan/pereputan eksponen
dy/dt = ky → y = y0ekt
Separuh hayat
k = ln 2 / t½
Hukum penyejukan Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Faktor pengamiran
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tangki pencampuran
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matriks & penentu

penentu 2×2
det = ad − bc
Songsangan 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produk
(AB)ij = Σk AikBkj
Nilai eigen
det(A − λI) = 0
Petua Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Vektor: hasil darab titik & silang

Magnitud
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vektor unit
û = a/|a|
Komponen daripada sudut
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Hasil darab titik
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Unjuran skalar a pada b
a·b/|b|
Kerja
W = F·d
Hasil darab silang
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Luas
segi empat selari |a × b|, segi tiga ½|a × b|
Momen pada O
MO = r × F, r = A − O
Isi padu parallelepiped
V = |a·(b × c)|

Kaedah

  1. Tulis setiap vektor dalam komponen; bagi daya yang diberikan oleh magnitud dan sudut, gunakan F·cos θ dan F·sin θ.
  2. Untuk panjang dan arah gunakan magnitud √(x² + y² + z²) dan vektor unit a/|a|.
  3. Gunakan hasil darab titik untuk sudut, unjuran, keserenjangan dan kerja: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Gunakan hasil darab silang untuk vektor berserenjang, luas dan momen: tulis ketiga-tiga komponen dengan teliti, dan kekalkan susunan a × b.

Kamiran

Petua kuasa
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Kamiran tentu
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Kamiran lazim
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Luas antara lengkung
∫ab (f − g) dx

Kaedah

  1. Tulis semula kamiran sebagai hasil tambah sebutan ringkas jika boleh.
  2. Gunakan petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), dan kamiran piawai untuk ex, 1/x, sin dan cos.
  3. Gunakan penggantian apabila anda melihat satu fungsi dan terbitannya bersama.
  4. Untuk kamiran tentu, nilaikan F(b) − F(a).

Kalkulus multipemboleh ubah

Terbitan separa
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Kecerunan
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Terbitan arah
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Satah tangen
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Petua rantai
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Ujian terbitan kedua
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Kamiran berganda
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Koordinat kutub
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Kaedah

  1. Untuk terbitan separa, anggap pemboleh ubah yang satu lagi sebagai pemalar dan gunakan petua satu pemboleh ubah.
  2. Untuk soalan kecerunan hitung ∇f = (fx, fy) pada titik itu; gunakan |∇f| untuk cerun paling curam dan ∇f·u dengan vektor unit u untuk terbitan arah.
  3. Untuk ekstrem selesaikan fx = 0 dan fy = 0 bersama-sama, kemudian kelaskan setiap titik dengan D = fxx·fyy − fxy².
  4. Untuk kamiran berganda lakar rantau itu, pilih susunan (atau koordinat kutub untuk cakera) supaya had dalam ialah lengkung pembatas, dan kamirkan bahagian dalam dahulu.

Jujukan & siri

Jujukan aritmetik
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Jujukan geometri
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Siri geometri tak terhingga
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Siri-p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ujian nisbah
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Jejari penumpuan
R = lim |ck/ck+1|
Polinomial Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Siri Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Had ralat Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Kaedah

  1. Kenal pasti jenisnya: aritmetik (beza malar), geometri (nisbah malar), siri piawai, siri kuasa atau polinomial Taylor.
  2. Untuk hasil tambah gunakan Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), atau S = a₁/(1 − r) apabila |r| < 1, dengan a₁ ialah sebutan pertama hasil tambah.
  3. Untuk penumpuan: ujian sebutan ke-n dahulu, kemudian bandingkan dengan Σ1/kᵖ atau siri geometri, dan gunakan ujian nisbah atau punca untuk faktorial dan kuasa k.
  4. Untuk polinomial Taylor senaraikan f(a), f′(a), f″(a), …, bahagi terbitan ke-k dengan k!, dan beri had ralat dengan M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Konvolusi & sistem LTI

Konvolusi diskret
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Konvolusi selanjar
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Panjang dan hasil tambah
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Mula, tamat dan luas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Langkah ke dalam e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistem tertib pertama
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursi tertib pertama
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoid melalui h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitud siri Fourier
segi empat ±A: 4A/(kπ), k ganjil; segi tiga ±A: 8A/(π²k²), k ganjil; rentetan denyut: A·D dan (2A/(kπ))|sin kπD|

Kaedah

  1. Lakarkan kedua-dua isyarat dan catat di mana setiap satu bukan sifar.
  2. Balikkan h dan gelongsorkannya: bagi setiap masa output, cari julat di mana kedua-dua isyarat bertindih.
  3. Darab dan tambah (diskret) atau darab dan kamirkan (selanjar) pada pertindihan itu sahaja.
  4. Semak hasilnya: output bermula pada hasil tambah masa mula, berakhir pada hasil tambah masa tamat, dan luas atau hasil tambahnya ialah hasil darab luas atau hasil tambah input.

2Soalan latihan

1.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)23Ta​216 °C

Sebuah bahagian keluli tempaan pada 500 °C dibiarkan sejuk di dalam bengkel pada 28 °C. Selepas 23 min suhunya ialah 216 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Cari pemalar k dalam min⁻¹.

T0 = 500 °CTa = 28 °CT(23) = 216 °C
k = min⁻¹
2.Persamaan pembezaanSukar
tyK = 5y(1) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 3y′ + 18.25y = 91.25 untuk t ≥ 0, bermula dari pegun: y(0) = 0, y′(0) = 0. Cari y(1); sudut dalam radian.

y″ + 3y′ + 18.25y = 91.25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Matriks & penentuSederhana
A =145−4−4−4114

Cari penentu det A bagi matriks 3×3 A yang ditunjukkan.

A = [1 4 5; −4 −4 −4; 1 1 4]
det A =
4.Matriks & penentuSukar
A =−6544b =3−3

Selesaikan sistem −6x + 5y = 3 dan 4x + 4y = −3. Cari x.

−6x + 5y = 34x + 4y = −3
x =
5.Vektor: hasil darab titik & silangSederhana
xyzab

Cari sudut θ antara vektor a = (4, −6, 6) dan b = (−2, −6, 3), dalam darjah.

a = (4, −6, 6)b = (−2, −6, 3)
θ = °
6.Vektor: hasil darab titik & silangSukar
xyzab

Cari luas A segi empat selari yang direntangi oleh a = (4, 0, −3) dan b = (4, 5, −3).

a = (4, 0, −3)b = (4, 5, −3)
A =
7.KamiranSederhana
xy01

Nilaikan I = ∫01 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 1]
I =
8.KamiranSukar
xyy = 2x2​y = 3x

Cari luas A kawasan yang dikelilingi oleh y = 2x2 dan y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Kalkulus multipemboleh ubahSederhana
xy024−202vP

Bagi f(x, y) = 5x³y² + x² + y² + xy, cari terbitan arah Duf pada (2, −1) dalam arah v = (2, 3).

f(x, y) = 5x³y² + x² + y² + xyP = (2, −1)v = (2, 3)
Duf =
10.Kalkulus multipemboleh ubahSukar
xy05−202(3, −1)

Cari titik genting bagi f(x, y) = 2x² + 2xy + 3y² − 10x + 5, kelaskannya, dan beri nilai fmin bagi f pada minimum tempatannya.

f(x, y) = 2x² + 2xy + 3y² − 10x + 5
fmin =
11.Jujukan & siriSederhana
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Gunakan ujian punca pada Σk=1∞ ((3k + 3)/(6k + 5))ᵏ. Cari L = lim |ak|1/k.

ak = ((3k + 3)/(6k + 5))ᵏ
L =
12.Jujukan & siriSukar
xyfP₃1.5

Gunakan polinomial Maclaurin berdarjah 3 bagi f(x) = sin x untuk menganggarkan f(1.5). Beri P₃(1.5).

f(x) = sin xn = 3x = 1.5
P₃(1.5) =
13.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (s + 22)/(s² + 6s + 9) dan nilaikan f(0.1).

F(s) = (s + 22)/(s² + 6s + 9)t = 0.1 s
f(0.1) =
14.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 5y′ + 4y = 12·u(t). Ia bermula dari keadaan rehat (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya ialah langkah u(t) = 10 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0.4).

y″ + 5y′ + 4y = 12·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.4 s
y(0.4) =
15.Konvolusi & sistem LTISederhana
x(t)t13h(t)t25

Denyut x(t) = 3 untuk 0 ≤ t < 1 s (sifar di tempat lain) dikenakan pada sistem dengan sambutan impuls h(t) = 5 untuk 0 ≤ t < 2 s (sifar di tempat lain). Cari output y(1) pada t = 1 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 2 st = 1 s
y(1) =
16.Konvolusi & sistem LTISukar
5cos(15t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Input x(t) = 5·cos(15t) dikenakan pada sistem dengan h(t) = 5·e−10tu(t). Cari amplitud Ym output keadaan mantap.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(15t)
Ym =

3Larutan

1.Persamaan pembezaan

Jawapan: k = 0.04002 min⁻¹

Persamaan pembezaan peringkat pertama: dy/dt = k·y mempunyai penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan bagi k > 0, pereputan bagi k < 0); separuh hayat T memberikan k = ln 2/T. Hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor pengamiran μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, maka μy = ∫μq dx + C.

Nisbah beza suhu

e−23k = 188/472

Selesaikan untuk k

k = ln(472/188)/23 = 0.04002 min⁻¹

Jawapan

k = 0.04002 min⁻¹
2.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(1) = 6.046

Persamaan linear tertib kedua: bagi y″ + b·y′ + c·y = 0 cuba y = ert: ini memberikan persamaan ciri r² + b·r + c = 0. Dua punca nyata r₁ ≠ r₂ memberikan y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lampau); punca berganda r memberikan y = (A + Bt)·ert (redaman genting); punca kompleks −α ± jω memberikan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berayun). Nilai awal y(0) dan y′(0) menetapkan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn ialah frekuensi tabii dan ζ nisbah redaman: ζ < 1 berayun. Dengan input malar, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya ialah nilai mantap K tambah sambutan bebas.

Nilai mantap dan punca

yss = 5, r = −1.5 ± 4j

Pemalar daripada nilai awal

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1.5A + 4B = 0 → B = −1.875

Nilaikan

y(1) = 5·(1 − e−1.5(cos 4 + 0.375·sin 4)) = 6.046

Jawapan

y(1) = 6.046
3.Matriks & penentu

Jawapan: det A = 36

Matriks: penentu matriks 2×2 ialah ad − bc. Bagi 3×3, kembangkan sepanjang satu baris: setiap unsur didarab penentu matriks 2×2 yang tinggal selepas membuang baris dan lajurnya, dengan tanda berselang-seli + − +. Nilai eigen λ menyelesaikan det(A − λI) = 0; bagi 2×2 itu ialah λ² − (surih)·λ + det = 0.

Minor 2×2 baris pertama

M₁₁ = −12, M₁₂ = −12, M₁₃ = 0

Pengembangan kofaktor

det A = 1·(−12) − 4·(−12) + 5·0 = 36

Jawapan

det A = 36
4.Matriks & penentu

Jawapan: x = −0.6136

Matriks: penentu matriks 2×2 ialah ad − bc. Bagi 3×3, kembangkan sepanjang satu baris: setiap unsur didarab penentu matriks 2×2 yang tinggal selepas membuang baris dan lajurnya, dengan tanda berselang-seli + − +. Nilai eigen λ menyelesaikan det(A − λI) = 0; bagi 2×2 itu ialah λ² − (surih)·λ + det = 0.

Penentu matriks pekali

det A = (−6)·4 − 5·4 = −44

Gantikan lajur x

det Aₓ = 3·4 − 5·(−3) = 27
x = 27/(−44) = −0.6136

Jawapan

x = −0.6136
y = −0.1364
5.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: θ = 45.53 °

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.

Hasil darab titik

a·b = 4·(−2) + (−6)·(−6) + 6·3 = 46

Magnitud

|a| = √(4² + (−6)² + 6²) = 9.381
|b| = √((−2)² + (−6)² + 3²) = 7

Sudut

cos θ = 46/(9.381·7) = 0.7005
θ = arccos(0.7005) = 45.53°

Jawapan

θ = 45.53°
6.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: A = 25

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.

Hasil darab silang

(a × b)x = aybz − azby = 0·(−3) − (−3)·5 = 15
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·4 − 4·(−3) = 0
(a × b)z = axby − aybx = 4·5 − 0·4 = 20

Luas

A = |a × b| = √(15² + 0² + 20²) = 25

Jawapan

A = 25
7.Kamiran

Jawapan: I = 3.195

Kamiran tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx ialah luas bertanda antara graf dan paksi-x dari a hingga b. Cari antiterbitan F (dengan F′ = f) dan nilaikan F(b) − F(a). Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua lengkung ialah ∫(atas − bawah) dx.

Antiterbitan

F(x) = e2x/2

Nilaikan pada had

I = (e2 − 1)/2 = (7.389 − 1)/2 = 3.195

Jawapan

I = 3.195
8.Kamiran

Jawapan: A = 1.125

Kamiran tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx ialah luas bertanda antara graf dan paksi-x dari a hingga b. Cari antiterbitan F (dengan F′ = f) dan nilaikan F(b) − F(a). Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua lengkung ialah ∫(atas − bawah) dx.

Titik persilangan

2x2 = 3x → x = 0, x = 1.5

Kamirkan atas tolak bawah

A = [1.5x2 − 0.6667x3]01.5 = 1.125

Jawapan

A = 1.125
9.Kalkulus multipemboleh ubah

Jawapan: Duf = −31.62

Kecerunan: ∇f = (fx, fy) menunjuk ke arah menaik paling curam, dan |∇f| ialah kadar perubahan terbesar. Terbitan arah sepanjang arah v ialah Duf = ∇f·u dengan vektor unit u = v/|v|. Satah tangen pada (a, b) ialah z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); ia memberi hampiran linear bagi f berhampiran titik itu. Petua rantai: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Kecerunan pada titik itu

fx = 15x²y² + 2x + y → fx(2, −1) = 63
fy = 10x³y + 2y + x → fy(2, −1) = −80

Vektor unit

|v| = √(2² + 3²) = 3.606
u = (0.5547, 0.8321)

Hasil darab titik

Duf = 63·0.5547 + (−80)·0.8321 = −31.62

Jawapan

Duf = −31.62
10.Kalkulus multipemboleh ubah

Jawapan: fmin = −10

Titik genting dan kamiran berganda: titik genting mempunyai fx = fy = 0. Ujian terbitan kedua dengan D = fxxfyy − fxy²: D > 0 dan fxx > 0 ialah minimum tempatan, D > 0 dan fxx < 0 maksimum tempatan, D < 0 titik pelana, dan D = 0 tidak menentukan apa-apa. Untuk kamiran berganda ke atas rantau am, jadikan had dalam sebagai lengkung yang mengelilingi rantau itu; untuk cakera dan sektor gunakan koordinat kutub, x = r cos θ, y = r sin θ dan dA = r dr dθ (jangan lupa faktor r).

Titik genting

Selesaikan fx = 0 dan fy = 0 bersama-sama.

fx = 4x + 2y − 10 = 0
fy = 2x + 6y = 0
(3, −1)

Ujian terbitan kedua

(3, −1): fxx = 4, fyy = 6, fxy = 2, D = 20 → minimum tempatan

Nilai pada ekstrem

f(3, −1) = −10

Jawapan

fmin = −10
11.Jujukan & siri

Jawapan: L = 0.5

Penumpuan: jika sebutan tidak menuju 0, siri itu mencapah (ujian sebutan ke-n). Σ1/kᵖ menumpu hanya untuk p > 1, dan Σrᵏ hanya untuk |r| < 1. Bandingkan siri dengan salah satu daripadanya apabila sebutannya berkelakuan seperti itu bagi k yang besar. Ujian nisbah: L = lim |ak+1/ak|; ujian punca: L = lim |ak|1/k. L < 1 menumpu, L > 1 mencapah, L = 1 tidak menentukan apa-apa. Siri kuasa Σck(x − x₀)ᵏ menumpu untuk |x − x₀| < R dengan R = lim |ck/ck+1|; siri berselang-seli dengan sebutan menurun kepada 0 menumpu.

Punca sebutan

|ak|1/k = (3k + 3)/(6k + 5) → 3/6

Kesimpulan

L = 0.5 < 1

Jawapan

L = 0.5

L < 1, maka siri itu menumpu.

12.Jujukan & siri

Jawapan: P₃(1.5) = 0.9375

Polinomial Taylor: berhampiran x = a, fungsi licin dianggarkan oleh Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; untuk a = 0 ini ialah polinomial Maclaurin. Siri piawai: 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. Had ralat Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dengan M ialah nilai terbesar |f⁽ⁿ⁺¹⁾| antara a dengan x.

Polinomial Maclaurin

P₃(x) = x − 0.1667x³

Gantikan

P₃(1.5) = 1.5 − 0.5625 = 0.9375

Jawapan

P₃(1.5) = 0.9375

Nilai tepat ialah f(1.5) = 0.997495; ralat 0.059995 mengecil apabila anda mengambil lebih banyak sebutan atau titik yang lebih dekat dengan 0.

13.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.1) = 2.148

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Faktorkan penyebut

s² + 6s + 9 = (s + 3)²

Pecahan separa

s + 22 = 1(s + 3) + 19
F(s) = 1/(s + 3) + 19/(s + 3)²

Transformasi songsang

f(t) = e−3t + 19·t·e−3t
f(0.1) = (1 + 19·0.1)·e−3·0.1 = 2.148

Jawapan

f(0.1) = 2.148
14.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.4) = 5.206

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaan

Y(s) = 120/(s(s + 1)(s + 4))

Pecahan separa

A = 120/(1·4) = 30
B = 120/((−1)·3) = −40
C = 120/((−4)·(−3)) = 10

Pengeluaran

y(t) = 30 − 40·e−t + 10·e−4t
y(0.4) = 5.206

Jawapan

y(0.4) = 5.206
15.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: y(1) = 15

Konvolusi selanjar: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Balikkan h, gelongsorkan ke kedudukan t dan kamirkan hasil darab bahagian yang bertindih. Untuk isyarat kausal kamiran berjalan dari 0 hingga t. Keputusan berguna: luas y ialah luas x darab luas h; jika x berlangsung dari t₁ hingga t₂ dan h dari t₃ hingga t₄, y berlangsung dari t₁ + t₃ hingga t₂ + t₄. Untuk h(t) = e−atu(t) dan langkah setinggi A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Pertindihan denyut yang dibalikkan

h(t − τ) ialah denyut h yang dibalikkan dan dianjakkan supaya ia berakhir pada τ = t.

τ ∈ [0, 1] → panjang 1 s

Kamiran

y(1) = 3·5·1 = 15

Jawapan

y(1) = 15

y(t) ialah trapezium: ia naik dari 0, kekal pada 15 dan jatuh kembali ke 0 pada t = 3 s.

16.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: Ym = 1.387

Sambutan impuls dan siri Fourier: sambutan impuls h(t) menerangkan sistem LTI dengan lengkap: bagi y′ + a·y = b·x ia ialah h(t) = b·e−atu(t), dan bagi y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ia ialah h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoid cos ωt melaluinya dengan gandaan |H(jω)| dan fasa ∠H(jω), dengan H ialah transformasi Fourier bagi h. Isyarat berkala ialah hasil tambah harmonik pada k/T: gelombang segi empat ±A hanya mempunyai harmonik ganjil dengan amplitud 4A/(kπ), gelombang segi tiga berpuncak A mempunyai 8A/(π²k²), dan rentetan denyut setinggi A dengan kitar tugas D mempunyai min A·D dan harmonik (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Sambutan frekuensi

H(jω) = 5/(10 + jω)

Gandaan pada frekuensi input

|H(j15)| = 5/√(10² + 15²) = 0.2774
Ym = 5·0.2774 = 1.387

Jawapan

Ym = 1.387

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