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)39Ta​267 °C

Sebuah bahagian keluli tempaan pada 380 °C dibiarkan sejuk di dalam bengkel pada 30 °C. Selepas 39 min suhunya ialah 267 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Cari pemalar k dalam min⁻¹.

T0 = 380 °CTa = 30 °CT(39) = 267 °C
k = min⁻¹
2.Persamaan pembezaanSukar
t (min)m (kg)t = ?41 kg

Sebuah tangki mengandungi 200 L air yang di dalamnya terlarut 5 kg garam. Air garam dengan 0.25 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 2 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Selepas berapa minit t tangki mengandungi 41 kg garam?

V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0.25 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.Matriks & penentuSederhana
A =−52−155−25−22

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

A = [−5 2 −1; 5 5 −2; 5 −2 2]
det A =
4.Matriks & penentuSukar
A =2−24−1b =17

Selesaikan sistem 2x − 2y = 1 dan 4x − y = 7. Cari x.

2x − 2y = 14x − y = 7
x =
5.Vektor: hasil darab titik & silangSederhana
xyzdFAB

Daya malar F = (−10, −20, 20) N bertindak pada sesuatu objek semasa ia bergerak dalam garis lurus dari titik A(5, 3, −4) ke titik B(−2, −3, 1). Koordinat dalam meter. Cari kerja W yang dilakukan oleh daya itu.

F = (−10, −20, 20) NA(5, 3, −4) mB(−2, −3, 1) m
W = J
6.Vektor: hasil darab titik & silangSukar
xyzrFOA

Daya F = (30, −30, −30) N bertindak pada titik A(−4, 4, 2). Koordinat dalam meter. Cari magnitud |M| momen daya terhadap titik O(−2, −3, 3).

F = (30, −30, −30) NA(−4, 4, 2) mO(−2, −3, 3) m
|M| = N·m
7.KamiranSederhana
xy12.5y = x ln x

Nilaikan I = ∫₁2.5 x·ln x dx.

∫₁2.5 x ln x dx
I =
8.KamiranSukar
xy1.5y = x²eˣ

Nilaikan I = ∫₀1.5 x²·eˣ dx.

∫₀1.5 x²eˣ dx
I =
9.Kalkulus multipemboleh ubahSederhana
xy−11P

Gunakan satah tangen bagi f(x, y) = −xy² − 2x² − 4y² + 3xy pada (−1, 1) untuk menganggarkan f(−0.8, 0.8). Beri hampiran linear L.

f(x, y) = −xy² − 2x² − 4y² + 3xy(a, b) = (−1, 1)(x, y) = (−0.8, 0.8)
L =
10.Kalkulus multipemboleh ubahSukar
xyy = 1y = x11

Kamiran I = ∫01 ∫x1 cos(y²) dy dx tidak dapat dilakukan dalam susunan ini. Songsangkan susunan pengamiran dan nilaikannya.

f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1
I =
11.Jujukan & siriSederhana
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Gunakan ujian nisbah pada Σk=1∞ k·5ᵏ/3ᵏ. Cari L = lim |ak+1/ak|.

ak = k·5ᵏ/3ᵏ
L =
12.Jujukan & siriSukar

f(x) = sin x dianggarkan oleh polinomial Maclaurin berdarjah 2 pada x = 0.8. Gunakan had ralat Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! dengan M = 1 untuk mencari ralat terbesar yang mungkin |R₂|.

f(x) = sin xn = 2x = 0.8M = 1
|R₂| =
13.Transformasi LaplaceSederhana
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

Cari f(t) bagi F(s) = (5s + 33)/(s² + 8s + 17) dengan melengkapkan kuasa dua, dan nilaikan f(0.5).

F(s) = (5s + 33)/(s² + 8s + 17)t = 0.5 s
f(0.5) =
14.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t), dengan y(0) = 5 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 masukan langkah u(t) = 2 dikenakan. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0.4).

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.4 s
y(0.4) =
15.Konvolusi & sistem LTISederhana
x(t)t01h(t)t34

Isyarat x(t) bukan sifar hanya antara t = 0 s dan t = 1 s, dan h(t) hanya antara t = 3 s dan t = 4 s. Cari masa tend y(t) = x(t) ∗ h(t) berakhir.

x: 0 … 1 sh: 3 … 4 s
tend = s
16.Konvolusi & sistem LTISukar
x(t)t (ms)1020401−1

Gelombang segi empat bertukar antara +1 dan −1 dengan tempoh T = 20 ms (separuh tempoh pada setiap aras). Cari amplitud c5 komponen Fouriernya pada 250 Hz.

±1T = 20 msf = 250 Hz
c5 =

3Larutan

1.Persamaan pembezaan

Jawapan: k = 0.009997 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−39k = 237/350

Selesaikan untuk k

k = ln(350/237)/39 = 0.009997 min⁻¹

Jawapan

k = 0.009997 min⁻¹
2.Persamaan pembezaan

Jawapan: t = 160.9 min

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.

Keputusan

m(t) = 50 + (−45)·e−t/100

Selesaikan untuk t

e−t/100 = (50 − 41)/(50 − 5) = 0.2
t = 100·ln(5) = 160.9 min

Jawapan

t = 160.9 min
3.Matriks & penentu

Jawapan: det A = −35

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 = 6, M₁₂ = 20, M₁₃ = −35

Pengembangan kofaktor

det A = (−5)·6 − 2·20 + (−1)·(−35) = −35

Jawapan

det A = −35
4.Matriks & penentu

Jawapan: x = 2.167

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 = 2·(−1) − (−2)·4 = 6

Gantikan lajur x

det Aₓ = 1·(−1) − (−2)·7 = 13
x = 13/6 = 2.167

Jawapan

x = 2.167
y = 1.667
5.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: W = 290 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.

Sesaran

d = B − A = (−2, −3, 1) − (5, 3, −4) = (−7, −6, 5) m

Kerja

W = F·d = (−10)·(−7) + (−20)·(−6) + 20·5 = 290 J

Jawapan

W = 290 J
6.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: |M| = 297 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.

Vektor kedudukan dari O ke A

r = A − O = (−4, 4, 2) − (−2, −3, 3) = (−2, 7, −1) m

Momen M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 7·(−30) − (−1)·(−30) = −240 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·30 − (−2)·(−30) = −90 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·(−30) − 7·30 = −150 N·m

Magnitud

|M| = √((−240)² + (−90)² + (−150)²) = 297 N·m

Jawapan

|M| = 297 N·m
7.Kamiran

Jawapan: I = 1.551

Pengamiran bahagian demi bahagian: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, daripada petua hasil darab. Pilih u sebagai faktor yang menjadi lebih mudah apabila dibezakan (kuasa x, atau ln x), dan dv sebagai faktor yang boleh anda kamirkan (eˣ, sin x, cos x, atau x apabila u = ln x). Bagi kamiran tentu, nilaikan u·v pada kedua-dua had: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Faktor x² memerlukan dua pusingan.

Pilih u dan dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Antiterbitan

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Had

(3.125·ln 2.5 − 1.5625) − (0 − 0.25) = 1.551

Jawapan

I = 1.551
8.Kamiran

Jawapan: I = 3.602

Pengamiran bahagian demi bahagian: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, daripada petua hasil darab. Pilih u sebagai faktor yang menjadi lebih mudah apabila dibezakan (kuasa x, atau ln x), dan dv sebagai faktor yang boleh anda kamirkan (eˣ, sin x, cos x, atau x apabila u = ln x). Bagi kamiran tentu, nilaikan u·v pada kedua-dua had: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Faktor x² memerlukan dua pusingan.

Pusingan pertama

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Pusingan kedua

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Had

4.482·(1.25) − 1·2 = 3.602

Jawapan

I = 3.602
9.Kalkulus multipemboleh ubah

Jawapan: L = −5

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.

Nilai dan cerun pada titik itu

f(−1, 1) = −8
fx = −y² − 4x + 3y → fx(−1, 1) = 6
fy = −2xy − 8y + 3x → fy(−1, 1) = −9

Satah tangen

z = −8 + 6(x + 1) − 9(y − 1)
z = 6x − 9y + 7

Hampiran linear

L = −8 + 6·0.2 + (−9)·(−0.2) = −5

Jawapan

L = −5

Nilai tepat ialah f = −5.248; satah itu hampir kerana langkahnya kecil.

10.Kalkulus multipemboleh ubah

Jawapan: I = 0.4207

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).

Rantau

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1

Susunan disongsangkan

I = ∫01 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01 y·cos(y²) dy

Penggantian u = y²

I = [sin(y²)/2]01 = 0.4207

Jawapan

I = 0.4207
11.Jujukan & siri

Jawapan: L = 1.667

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.

Nisbah sebutan berturutan

|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)·5/3 → 5/3

Kesimpulan

L = 1.667 > 1

Jawapan

L = 1.667

L > 1, maka siri itu mencapah.

12.Jujukan & siri

Jawapan: |R₂| = 0.08533

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.

Had pada terbitan

M = 1

Had Lagrange

|R₂| ≤ 1·0.8³/3! = 0.08533

Jawapan

|R₂| = 0.08533

Ralat sebenar lebih kecil: |f(0.8) − P₂(0.8)| = 0.08264.

13.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.5) = 1.437

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).

Lengkapkan kuasa dua

s² + 8s + 17 = (s + 4)² + 1 = (s + 4)² + 1²

Padankan pengangka

F(s) = 5·(s + 4)/((s + 4)² + 1²) + (13/1)·1/((s + 4)² + 1²)

Transformasi songsang

f(t) = e−4t·(5·cos 1t + 13·sin 1t)
f(0.5) = e−4·0.5·(5·cos(1·0.5) + 13·sin(1·0.5)) = 1.437

Jawapan

f(0.5) = 1.437
14.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.4) = 4.826

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

(s² + 5s + 4)·Y(s) = 5s + 25 + 16/s
Y(s) = (5s² + 25s + 16)/(s(s + 1)(s + 4))

Pecahan separa

A = 16/(1·4) = 4
B = −4/((−1)·3) = 1.333
C = −4/((−4)·(−3)) = −0.3333

Keputusan

y(t) = 4 + 1.333·e−t − 0.3333·e−4t
y(0.4) = 4.826

Jawapan

y(0.4) = 4.826

Semak: y(0) = A + B + C = 5.

15.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: tend = 5 s

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).

Mula dan tamat

tstart = 0 + 3 = 3 s
tend = 1 + 4 = 5 s

Jawapan

tend = 5 s

Jawapan

tend = 5 s
16.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: c5 = 0.2546

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)|.

Nombor harmonik

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 250/50 = 5

Amplitud

c5 = 4·1/(5π) = 0.2546

Jawapan

c5 = 0.2546

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