Technische wiskunde 2: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 16 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Differentiaalvergelijkingen

Exponentiële groei/afname
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halveringstijd
k = ln 2 / t½
Afkoelingswet van Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrerende factor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mengtank
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matrices & determinanten

2×2-determinant
det = ad − bc
Inverse van een 2×2-matrix
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Product
(AB)ij = Σk AikBkj
Eigenwaarden
det(A − λI) = 0
Regel van Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Vectoren: inwendig en uitwendig product

Grootte
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Eenheidsvector
û = a/|a|
Componenten uit een hoek
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Inwendig product
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Scalaire projectie van a op b
a·b/|b|
Arbeid
W = F·d
Uitwendig product
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Oppervlakken
parallellogram |a × b|, driehoek ½|a × b|
Moment om O
MO = r × F, r = A − O
Volume van een parallellepipedum
V = |a·(b × c)|

Methode

  1. Schrijf elke vector in componenten; voor een kracht gegeven door een grootte en een hoek gebruik je F·cos θ en F·sin θ.
  2. Gebruik voor lengtes en richtingen de grootte √(x² + y² + z²) en de eenheidsvector a/|a|.
  3. Gebruik het inwendig product voor hoeken, projecties, loodrechte stand en arbeid: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Gebruik het uitwendig product voor loodrechte vectoren, oppervlakten en momenten: schrijf de drie componenten zorgvuldig uit en houd de volgorde a × b aan.

Integralen

Machtsregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bepaalde integraal
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Standaardintegralen
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Oppervlakte tussen grafieken
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schrijf de integrand waar mogelijk als een som van eenvoudige termen.
  2. Pas de machtsregel toe: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), en de standaardintegralen voor ex, 1/x, sin en cos.
  3. Gebruik substitutie als je een functie en haar afgeleide samen ziet.
  4. Bereken bij een bepaalde integraal F(b) − F(a).

Multivariabele analyse

Partiële afgeleiden
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiënt
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Richtingsafgeleide
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Raakvlak
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Kettingregel
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Tweede-afgeleidentest
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Dubbele integraal
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Poolcoördinaten
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Methode

  1. Behandel bij een partiële afgeleide de andere variabele als constante en gebruik de regels voor één variabele.
  2. Bereken bij gradiëntvragen ∇f = (fx, fy) in het punt; gebruik |∇f| voor de steilste helling en ∇f·u met een eenheidsvector u voor een richtingsafgeleide.
  3. Los voor extrema fx = 0 en fy = 0 samen op en classificeer dan elk punt met D = fxx·fyy − fxy².
  4. Schets bij een dubbele integraal het gebied, kies de volgorde (of poolcoördinaten voor schijven) zodat de binnenste grenzen de begrenzende krommen zijn, en integreer de binnenste eerst.

Rijen & reeksen

Rekenkundige rij
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Meetkundige rij
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Oneindige meetkundige reeks
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-reeks
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Quotiëntcriterium
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Convergentiestraal
R = lim |ck/ck+1|
Taylorpolynoom
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurinreeks
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrange-foutgrens
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Methode

  1. Bepaal het type: rekenkundig (constant verschil), meetkundig (constante reden), een standaardreeks, een machtreeks of een Taylorpolynoom.
  2. Gebruik voor sommen Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), of S = a₁/(1 − r) als |r| < 1, met a₁ de eerste term van de som.
  3. Gebruik voor convergentie eerst de test op de n-de term, vergelijk dan met Σ1/kᵖ of een meetkundige reeks, en gebruik het quotiënt- of wortelcriterium bij faculteiten en k-de machten.
  4. Noteer voor Taylorpolynomen f(a), f′(a), f″(a), …, deel de k-de afgeleide door k!, en begrens de fout met M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Convolutie en LTI-systemen

Discrete convolutie
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Continue convolutie
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Lengte en som
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Begin, einde en oppervlakte
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Stap in e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Eerste-ordesysteem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Eerste-orde-recursie
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoïde door h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes van de fourierreeks
blokgolf ±A: 4A/(kπ), oneven k; driehoek ±A: 8A/(π²k²), oneven k; pulstrein: A·D en (2A/(kπ))|sin kπD|

Methode

  1. Schets beide signalen en noteer waar elk ervan niet nul is.
  2. Spiegel h en schuif hem: zoek voor elk uitgangstijdstip het bereik waar beide signalen overlappen.
  3. Vermenigvuldig en tel op (discreet) of vermenigvuldig en integreer (continu) over alleen die overlap.
  4. Controleer het resultaat: de uitgang begint bij de som van de starttijden, eindigt bij de som van de eindtijden, en zijn oppervlakte of som is het product van de oppervlakten of sommen van de ingangen.

2Oefenopgaven

1.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 4y(1,5) = ?

Los y″ + 5y′ + 6y = 0 op met y(0) = 4 en y′(0) = -4. Bepaal y(1,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(1.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy13(1, −2)y(3) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 2y/x = 5 op voor x > 0, met y(1) = −2. Bereken y(3).

y′ + 2y/x = 5y(1) = −2
y(3) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =42−2−2−134−1−2

Bereken de determinant det A van de getoonde 3×3-matrix A.

A = [4 2 −2; −2 −1 3; 4 −1 −2]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =4234b =1012

Los het stelsel 4x + 2y = 10 en 3x + 4y = 12 op. Bereken x.

4x + 2y = 103x + 4y = 12
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal het inwendig product a·b van a = (−2, −4, 2) en b = (0, 2, 3).

a = (−2, −4, 2)b = (0, 2, 3)
a·b =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzABC

Bepaal de oppervlakte A van de driehoek met hoekpunten A(2, 0, 1), B(−3, 1, −4) en C(2, 2, 3). Coördinaten zijn in meter.

A(2, 0, 1)B(−3, 1, −4)C(2, 2, 3)
A = m²
7.IntegralenGemiddeld
xy1y = 2x

Het gebied onder y = 2x van x = 0 tot x = 1 wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam (een kegel).

y = 2x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegralenMoeilijk
xy2y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy1−1∇fP

Bepaal voor f(x, y) = 2 ln(x² + 4y²) de maximale veranderingssnelheid van f in het punt (1, −1), dat is |∇f|.

f(x, y) = 2 ln(x² + 4y²)P = (1, −1)
|∇f| =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

Bepaal de kritieke punten van f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy, classificeer ze en geef de waarde fmin van f in het lokale minimum.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
kSn​12345678910S = ?

Bepaal de som S = Σk=1∞ 5/(k(k + 2)).

ak = 5/(k(k + 2))
S =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt in x = 2 benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad n. Bepaal met de Lagrange-grens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! en M = 1 de kleinste graad n die een fout kleiner dan 0,001 garandeert.

f(x) = sin xx = 2M = 1ε = 0,001
n =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = (s + 38)/(s² + 8s + 16) en bereken f(0,25).

F(s) = (s + 38)/(s² + 8s + 16)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t), met y(0) = 4 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 5 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,1) te bepalen.

y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t11h(t)t1

De puls x(t) = 1 voor 0 ≤ t < 1 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−5tu(t). Bepaal de uitgang y(3) bij t = 3 s, nadat de puls is geëindigd.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)2,55102−2

Een driehoeksgolf stijgt en daalt lineair tussen −2 en +2 met periode T = 5 ms. Bepaal de amplitude c1 van zijn fouriercomponent bij 200 Hz.

±2T = 5 msf = 200 Hz
c1 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,3539

Lineaire tweede-ordevergelijkingen: probeer voor y″ + b·y′ + c·y = 0 y = ert: dit geeft de karakteristieke vergelijking r² + b·r + c = 0. Twee reële wortels r₁ ≠ r₂ geven y = A·er₁t + B·er₂t (overgedempt); een dubbele wortel r geeft y = (A + Bt)·ert (kritisch gedempt); complexe wortels −α ± jω geven y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (ondergedempt, oscillerend). De beginwaarden y(0) en y′(0) leggen A en B vast. Geschreven als y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 is ωn de eigenfrequentie en ζ de dempingsfactor: bij ζ < 1 oscilleert de oplossing. Bij een constante ingang, y″ + by′ + cy = c·K, is de oplossing de eindwaarde K plus de vrije respons.

Karakteristieke wortels

(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 4, −2A − 3B = -4
A = 8, B = −4

Bereken

y(1,5) = 8·e−3 + (−4)·e−4,5 = 0,3539

Antwoord

y(1,5) = 0,3539
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(3) = 4,593

Eerste-orde differentiaalvergelijkingen: dy/dt = k·y heeft de oplossing y = y₀·ekt (groei voor k > 0, afname voor k < 0); een halveringstijd T geeft k = ln 2/T. De afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), geeft T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Een lineaire vergelijking y′ + p(x)·y = q(x) los je op met de integrerende factor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, dus μy = ∫μq dx + C.

Integrerende factor

μ = e∫2/x dx = x2

Integreren

(x2y)′ = 5x2 → x2y = 5x3/3 + C

Beginvoorwaarde

−2 = 5/3 + C → C = −3,667

Bereken

y(3) = (5·33/3 + (−3,667))/32 = 4,593

Antwoord

y(3) = 4,593
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = 24

Matrices: de determinant van een 2×2-matrix is ad − bc. Bij 3×3 ontwikkel je naar een rij: elk element maal de determinant van de 2×2-matrix die overblijft na het schrappen van zijn rij en kolom, met afwisselende tekens + − +. Eigenwaarden λ voldoen aan det(A − λI) = 0; bij 2×2 is dat λ² − (spoor)·λ + det = 0.

2×2-minoren van de eerste rij

M₁₁ = 5, M₁₂ = −8, M₁₃ = 6

Cofactorontwikkeling

det A = 4·5 − 2·(−8) + (−2)·6 = 24

Antwoord

det A = 24
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = 1,6

Matrices: de determinant van een 2×2-matrix is ad − bc. Bij 3×3 ontwikkel je naar een rij: elk element maal de determinant van de 2×2-matrix die overblijft na het schrappen van zijn rij en kolom, met afwisselende tekens + − +. Eigenwaarden λ voldoen aan det(A − λI) = 0; bij 2×2 is dat λ² − (spoor)·λ + det = 0.

Determinant van de coëfficiëntenmatrix

det A = 4·4 − 2·3 = 10

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 10·4 − 2·12 = 16
x = 16/10 = 1,6

Antwoord

x = 1,6
y = 1,8
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: a·b = −2

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.

Vermenigvuldig overeenkomstige componenten en tel op

a·b = (−2)·0 + (−4)·2 + 2·3 = 0 + (−8) + 6 = −2

Antwoord

a·b = −2

Negatief: de hoek tussen de vectoren is groter dan 90°.

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: A = 9,274 m²

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.

Zijdevectoren

AB = B − A = (−5, 1, −5)
AC = C − A = (0, 2, 2)

Uitwendig product

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 1·2 − (−5)·2 = 12
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−5)·0 − (−5)·2 = 10
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−5)·2 − 1·0 = −10
|AB × AC| = √(12² + 10² + (−10)²) = 18,55

Oppervlakte van de driehoek

A = ½·18,55 = 9,274 m²

Antwoord

A = 9,274 m²
7.Integralen

Antwoord: V = 4,189

Omwentelingslichamen: als je het gebied onder y = f(x) van x = a tot x = b om de x-as wentelt, ontstaat een lichaam waarvan de doorsnede bij x een schijf met straal f(x) is. Het optellen van de schijven geeft V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Ligt het gebied tussen een buitenste kromme R(x) en een binnenste kromme r(x), dan is elke plak een ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Kwadrateer de stralen voordat je ze van elkaar aftrekt.

Schijfmethode

V = π∫₀1 4x² dx

Integreren

V = π·4·1³/3 = 4,189

Antwoord

V = 4,189

Controle: een kegel met straal 2 en hoogte 1 heeft (1/3)πr²h = 4,189.

8.Integralen

Antwoord: I = 12,78

Partiële integratie: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, afgeleid uit de productregel. Kies voor u de factor die eenvoudiger wordt als je hem differentieert (een macht van x, of ln x), en voor dv de factor die je kunt integreren (eˣ, sin x, cos x, of x als u = ln x). Bereken bij een bepaalde integraal u·v op beide grenzen: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Een factor x² vraagt om twee rondes.

Eerste ronde

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Tweede ronde

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

Limieten

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Antwoord

I = 12,78
9.Multivariabele analyse

Antwoord: |∇f| = 3,298

Gradiënt: ∇f = (fx, fy) wijst in de richting van de steilste stijging, en |∇f| is de grootste veranderingssnelheid. De richtingsafgeleide langs een richting v is Duf = ∇f·u met de eenheidsvector u = v/|v|. Het raakvlak in (a, b) is z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); het geeft de lineaire benadering van f nabij dat punt. Kettingregel: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Partiële afgeleiden

fx = 4x/(x² + 4y²) → fx(1, −1) = 0,8
fy = 16y/(x² + 4y²) → fy(1, −1) = −3,2

Lengte van de gradiënt

|∇f| = √(0,8² + (−3,2)²) = 3,298

Antwoord

|∇f| = 3,298
10.Multivariabele analyse

Antwoord: fmin = −32

Kritieke punten en dubbele integralen: een kritiek punt heeft fx = fy = 0. Tweede-afgeleidentest met D = fxxfyy − fxy²: D > 0 en fxx > 0 is een lokaal minimum, D > 0 en fxx < 0 een lokaal maximum, D < 0 een zadelpunt, en D = 0 beslist niets. Laat bij een dubbele integraal over een algemeen gebied de binnenste grenzen de krommen zijn die het gebied begrenzen; gebruik voor schijven en sectoren poolcoördinaten, x = r cos θ, y = r sin θ en dA = r dr dθ (vergeet de factor r niet).

Kritieke punten

Los fx = 0 en fy = 0 samen op.

fx = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Tweede-afgeleidentest

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → zadelpunt
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → lokaal minimum
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → lokaal minimum

Waarde in het extremum

f(2, 2) = −32

Antwoord

fmin = −32
11.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 3,75

Convergentie: als de termen niet naar 0 gaan, divergeert de reeks (test op de n-de term). Σ1/kᵖ convergeert alleen voor p > 1, en Σrᵏ alleen voor |r| < 1. Vergelijk een reeks met een van deze als haar termen voor grote k zich zo gedragen. Quotiëntcriterium: L = lim |ak+1/ak|; wortelcriterium: L = lim |ak|1/k. L < 1 convergeert, L > 1 divergeert, L = 1 beslist niets. Een machtreeks Σck(x − x₀)ᵏ convergeert voor |x − x₀| < R met R = lim |ck/ck+1|; een alternerende reeks met termen die naar 0 afnemen convergeert.

Partieelbreuken

5/(k(k + 2)) = (5/2)·(1/k − 1/(k + 2))

Annuleren

S = (5/2)·(1 + 1/2) = 3,75

Antwoord

S = 3,75
12.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 9

Taylorpolynomen: nabij x = a wordt een gladde functie benaderd door Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; voor a = 0 is dit het Maclaurinpolynoom. Standaardreeksen: 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. Lagrange-foutgrens: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, waarbij M de grootste waarde van |f⁽ⁿ⁺¹⁾| tussen a en x is.

n(n + 1)!grens012122261,3333240,666741200,266757200,08889650400,02547403200,00634983628800,001411936288000,0002822

Grenzen voor toenemende n

n = 8: 0,001411 ≥ 0,001
n = 9: 0,0002822 < 0,001

Kleinste graad

n = 9

Antwoord

n = 9
13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.25) = 3,495

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Ontbind de noemer

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

Partieelbreuken

s + 38 = 1(s + 4) + 34
F(s) = 1/(s + 4) + 34/(s + 4)²

Inverse transformatie

f(t) = e−4t + 34·t·e−4t
f(0,25) = (1 + 34·0,25)·e−4·0,25 = 3,495

Antwoord

f(0,25) = 3,495
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.1) = 4,347

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformeer de vergelijking

(s² + 8s + 15)·Y(s) = 4s + 32 + 150/s
Y(s) = (4s² + 32s + 150)/(s(s + 3)(s + 5))

Partieelbreuken

A = 150/(3·5) = 10
B = 90/((−3)·2) = −15
C = 90/((−5)·(−2)) = 9

Resultaat

y(t) = 10 − 15·e−3t + 9·e−5t
y(0,1) = 4,347

Antwoord

y(0,1) = 4,347

Controle: y(0) = A + B + C = 4.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(3) = 9,019 × 10⁻⁶

Continue convolutie: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegel h, schuif hem naar positie t en integreer het product van de overlappende delen. Voor causale signalen loopt de integraal van 0 tot t. Handige resultaten: de oppervlakte van y is de oppervlakte van x maal die van h; als x duurt van t₁ tot t₂ en h van t₃ tot t₄, dan duurt y van t₁ + t₃ tot t₂ + t₄. Voor h(t) = e−atu(t) en een stap met hoogte A is y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Uitgang aan het einde van de puls

y(1) = (1/5)(1 − e−5) = 0,1987

Afname na de puls

y(3) = 0,1987·e−5·2 = 9,019 × 10⁻⁶

Antwoord

y(3) = 9,019 × 10⁻⁶
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c1 = 1,621

Impulsresponsie en fourierreeks: de impulsresponsie h(t) beschrijft een LTI-systeem volledig: voor y′ + a·y = b·x is die h(t) = b·e−atu(t), en voor y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] is die h[n] = b·aⁿu[n]. Een sinusoïde cos ωt gaat erdoorheen met versterking |H(jω)| en fase ∠H(jω), waarbij H de fouriertransformatie van h is. Een periodiek signaal is een som van harmonischen bij k/T: een blokgolf van ±A heeft alleen oneven harmonischen met amplitudes 4A/(kπ), een driehoeksgolf met piek A heeft 8A/(π²k²), en een pulstrein met hoogte A en duty cycle D heeft het gemiddelde A·D en de harmonischen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Harmonischenummer

f₀ = 1/T = 200 Hz → k = 1

Amplitude

c1 = 8·2/(π²·1²) = 1,621

Antwoord

c1 = 1,621

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