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
t (min)T (°C)9Ta​9 °C18 °C

Een blikje frisdrank van 4 °C wordt uit de koelkast in een kamer van 25 °C gezet. Na 9 min is de temperatuur 9 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 18 °C te bereiken?

T0 = 4 °CTa = 25 °CT(9) = 9 °CT = 18 °C
t = min
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)20 minm = ?

Een tank bevat 500 L water waarin 5 kg zout is opgelost. Pekel met 0,05 kg zout per liter stroomt in met 2 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Hoeveel zout m zit er na 20 min in de tank?

V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−2−4−4−3B =−21−11

Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c22 (rij 2, kolom 2).

A = [−2 −4; −4 −3]B = [−2 1; −1 1]
c22 =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−36−811

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [−3 6; −8 11]
λ =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal het inwendig product a·b van a = (6, −3, −3) en b = (−1, −4, 4).

a = (6, −3, −3)b = (−1, −4, 4)
a·b =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

Bepaal voor a = (0, −1, 5) en b = (−4, −4, 3) de x-component (a × b)x van het uitwendig product a × b.

a = (0, −1, 5)b = (−4, −4, 3)
(a × b)x =
7.IntegralenGemiddeld
xy1y = x·sin x

Bereken I = ∫₀1 x·sin x dx (x in radialen).

∫₀1 x·sin x dx
I =
8.IntegralenMoeilijk
xy2y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.Multivariabele analyseGemiddeld

z = 2y·e−xy met x = −t − 2 en y = −2t² − 2. Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = 0.

z = 2y·e−xyx = −t − 2y = −2t² − 2t = 0
dz/dt =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xyx = 1y = x11

Bereken I = ∬T (3x + 2y) dA over de driehoek T begrensd door y = 0, x = 1 en y = x.

f = 3x + 2y0 ≤ x ≤ 10 ≤ y ≤ x
I =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Pas het wortelcriterium toe op Σk=1∞ ((2k + 3)/(6k + 2))ᵏ. Bepaal L = lim |ak|1/k.

ak = ((2k + 3)/(6k + 2))ᵏ
L =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt in x = 0,5 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 0,0005 garandeert.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−2−4−6−8−1024

Bepaal f(t) voor F(s) = (2s + 18)/(s² + 8s + 32) door het kwadraat af te splitsen, en bereken f(0,1).

F(s) = (2s + 18)/(s² + 8s + 32)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Los y″ + 7y′ + 6y = 0 op met y(0) = 1 en y′(0) = 2 met de Laplacetransformatie, en bepaal y(0,6).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 2t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t4h(t)t0,51

Een systeem heeft de impulsresponsie h(t) = e−2tu(t). De ingang is een stap x(t) = 4·u(t). Bepaal de uitgang y(0,5) bij t = 0,5 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
δ[n]2+h[n]0,6·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,6·y[n − 1] + 2·x[n] en start in rust. Bepaal het monster h[4] van zijn impulsresponsie.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 36,36 min

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.

Afkoelingsconstante

k = ln(-21/-16)/9 = 0,03021 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(-21/(−7))/0,03021 = 36,36 min

Antwoord

t = 36,36 min
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: m = 6,538 kg

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.

Stel de vergelijking op

dm/dt = 2·0,05 − (2/500)·m = 0,1 − 0,004·m

Oplossen

De integrerende factor is ert/V; de oplossing nadert het evenwicht c·V.

m(t) = 25 + (−20)·e−t/250

Vul t in

m(20) = 25 + (−20)·0,9231 = 6,538 kg

Antwoord

m = 6,538 kg
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = −7

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.

Rij maal kolom

c22 = (−4)·1 + (−3)·1 = −7

Antwoord

c22 = −7
4.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 5

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.

Karakteristieke vergelijking

λ² − (8)λ + (15) = 0

Oplossen

λ = (8 ± √(4))/2 → λ = 3, 5
λ = 5

Antwoord

λ = 5
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: a·b = −6

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 = 6·(−1) + (−3)·(−4) + (−3)·4 = (−6) + 12 + (−12) = −6

Antwoord

a·b = −6

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

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: (a × b)x = 17

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.

Uitwendig product, component voor component

(a × b)x = aybz − azby = (−1)·3 − 5·(−4) = 17
(a × b)y = azbx − axbz = 5·(−4) − 0·3 = −20
(a × b)z = axby − aybx = 0·(−4) − (−1)·(−4) = −4

Gevraagde component

(a × b)x = 17

Antwoord

(a × b)x = 17

Controle: a × b staat loodrecht op beide vectoren, dus het inwendig product met a en met b is nul.

7.Integralen

Antwoord: I = 0,3012

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.

Kies u en dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Primitieve

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Limieten

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Antwoord

I = 0,3012
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: dz/dt = 0,1465

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.

Punt en snelheden

x(0) = −2, y(0) = −2
dx/dt = −1, dy/dt = −4t = 0

Partiële afgeleiden

fx = −2y²e−xy = −0,1465
fy = 2e−xy(1 − xy) = −0,1099

Kettingregel

dz/dt = (−0,1465)·(−1) + (−0,1099)·0 = 0,1465

Antwoord

dz/dt = 0,1465
10.Multivariabele analyse

Antwoord: I = 1,333

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).

Limieten

0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ x

Binnenste integraal

∫0x (3x + 2y) dy = 3x·x + 2·(x)²/2 = 4x²

Buitenste integraal

I = 4·1³/3 = 1,333

Antwoord

I = 1,333
11.Rijen & reeksen

Antwoord: L = 0,3333

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.

Wortel van de termen

|ak|1/k = (2k + 3)/(6k + 2) → 2/6

Conclusie

L = 0,3333 < 1

Antwoord

L = 0,3333

L < 1, dus de reeks convergeert.

12.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 4

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)!grens010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

Grenzen voor toenemende n

n = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005

Kleinste graad

n = 4

Antwoord

n = 4
13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.1) = 1,887

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).

Splits het kwadraat af

s² + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Pas de teller aan

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (10/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Inverse transformatie

f(t) = e−4t·(2·cos 4t + 2,5·sin 4t)
f(0,1) = e−4·0,1·(2·cos(4·0,1) + 2,5·sin(4·0,1)) = 1,887

Antwoord

f(0,1) = 1,887
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.6) = 0,8617

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

s²Y − 1s − 2 + 7(sY − 1) + 6Y = 0
Y(s) = (s + 9)/((s + 1)(s + 6))

Partieelbreuken

A = 8/5 = 1,6
B = 3/(−5) = −0,6

Resultaat

y(t) = 1,6·e−t − 0,6·e−6t
y(0,6) = 0,8617

Antwoord

y(0,6) = 0,8617

Controle: y(0) = A + B = 1.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(0.5) = 1,264

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).

Convolutie met een stap

y(t) = 4·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (4/2)·(1 − e−2t)

Bereken

y(0,5) = 2·(1 − e−1) = 1,264

Antwoord

y(0,5) = 1,264
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: h[4] = 0,2592

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)|.

Itereren

h[0] = 2
h[1] = 1,2
h[2] = 0,72
h[3] = 0,432
h[4] = 0,2592

Resultaat

h[4] = 2·(0,6)4 = 0,2592

Antwoord

h[4] = 0,2592

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