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)26Ta​T = ?

Een gesmeed stalen onderdeel van 460 °C koelt af in een werkplaats van 25 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,03 min⁻¹ de temperatuur T na 26 min.

T0 = 460 °CTa = 25 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 26 min
T = °C
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, 1)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 3y/x = 4x op voor x > 0, met y(1) = 1. Bereken y(2).

y′ + 3y/x = 4xy(1) = 1
y(2) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =1−3−30−454−10

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

A = [1 −3 −3; 0 −4 5; 4 −1 0]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−6625b =−94

Los het stelsel −6x + 6y = −9 en 2x + 5y = 4 op. Bereken x.

−6x + 6y = −92x + 5y = 4
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal het inwendig product a·b van a = (−4, −6, −6) en b = (−3, −5, 6).

a = (−4, −6, −6)b = (−3, −5, 6)
a·b =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (0, 20, 30) N werkt in punt A(2, −3, −4). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de grootte |M| van het moment van de kracht om punt O(1, 0, −2).

F = (0, 20, 30) NA(2, −3, −4) mO(1, 0, −2) m
|M| = N·m
7.IntegralenGemiddeld
xyπ/3y = x·cos x

Bereken I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x in radialen).

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
8.IntegralenMoeilijk
xyy = 0,5x2​y = x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = 0,5x2 en y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy0,52P

Het raakvlak aan z = sin(−2x − y) in het punt waar (x, y) = (0,5, 2) kan worden geschreven als z = px + qy + c. Bepaal c.

f(x, y) = sin(−2x − y)(a, b) = (0,5, 2)
c =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−20−1012(−2, 1)

f(x, y) = 3x² + 5xy + y² + 7x + 8y + 3 heeft een kritiek punt in (−2, 1). Bereken daar de discriminant D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = 3x² + 5xy + y² + 7x + 8y + 3P = (−2, 1)
D =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
xx₀ = 1??R

Bepaal de convergentiestraal R van de machtreeks Σk=1∞ (x − 1)ᵏ/(k·(1/2)ᵏ).

Σ (x − 1)ᵏ/(k·(1/2)ᵏ)x₀ = 1
R =
12.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₃0,25

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 3 van f(x) = ln(1 + 2x) om f(0,25) te benaderen. Geef P₃(0,25).

f(x) = ln(1 + 2x)n = 3x = 0,25
P₃(0.25) =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = 27/(s² + 5s + 6). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−2t + B·e−3t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = 27/(s² + 5s + 6)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 7y′ + 12y = 4u, met ingang u(t) en uitgang y(t). Bepaal de overdrachtsfunctie G(s) = Y(s)/U(s) (beginvoorwaarden nul) en bereken de impulsresponsie g(t) bij t = 0,5 s. Bepaal g(0,5).

y″ + 7y′ + 12y = 4ut = 0,5 s
g(0.5) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t32h(t)t24

De puls x(t) = 2 voor 0 ≤ t < 3 s wordt geconvolueerd met h(t), een driehoek die lineair daalt van 4 bij t = 0 naar 0 bij t = 2 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(2) = 0
Ay =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
δ[n]2+h[n]0,4·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,4·y[n − 1] + 2·x[n] en start in rust. Bepaal het monster h[5] van zijn impulsresponsie.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 224,4 °C

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.

Oplossing van de afkoelingswet

T(t) = 25 + 435·e−0,03t

Vul t in

T(26) = 25 + 435·0,4584 = 224,4 °C

Antwoord

T = 224,4 °C
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 3,225

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∫3/x dx = x3

Integreren

(x3y)′ = 4x4 → x3y = 4x5/5 + C

Beginvoorwaarde

1 = 4/5 + C → C = 0,2

Bereken

y(2) = (4·25/5 + 0,2)/23 = 3,225

Antwoord

y(2) = 3,225
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = −103

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 = −20, M₁₃ = 16

Cofactorontwikkeling

det A = 1·5 − (−3)·(−20) + (−3)·16 = −103

Antwoord

det A = −103
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = 1,643

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 = (−6)·5 − 6·2 = −42

De x-kolom vervangen

det Aₓ = (−9)·5 − 6·4 = −69
x = −69/(−42) = 1,643

Antwoord

x = 1,643
y = 0,1429
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 = (−4)·(−3) + (−6)·(−5) + (−6)·6 = 12 + 30 + (−36) = 6

Antwoord

a·b = 6

Positief: de hoek tussen de vectoren is kleiner dan 90°.

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: |M| = 61,64 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.

Plaatsvector van O naar A

r = A − O = (2, −3, −4) − (1, 0, −2) = (1, −3, −2) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·30 − (−2)·20 = −50 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·0 − 1·30 = −30 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·20 − (−3)·0 = 20 N·m

Grootte

|M| = √((−50)² + (−30)² + 20²) = 61,64 N·m

Antwoord

|M| = 61,64 N·m
7.Integralen

Antwoord: I = 0,4069

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 = cos x dx, v = sin x

Primitieve

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

Limieten

(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069

Antwoord

I = 0,4069
8.Integralen

Antwoord: A = 0,6667

Bepaalde integralen: ∫ₐᵇ f(x) dx is de georiënteerde oppervlakte tussen de grafiek en de x-as van a tot b. Zoek een primitieve F (met F′ = f) en bereken F(b) − F(a). Machtsregel: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). De oppervlakte tussen twee krommen is ∫(bovenste − onderste) dx.

Snijpunten

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Bovenste min onderste integreren

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Antwoord

A = 0,6667
9.Multivariabele analyse

Antwoord: c = −3,111

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.

Waarde en hellingen in het punt

f(0,5, 2) = −0,1411
fx = −2 cos(−2x − y) → fx(0,5, 2) = 1,98
fy = −1 cos(−2x − y) → fy(0,5, 2) = 0,99

Raakvlak

z = −0,1411 + 1,98(x − 0,5) + 0,99(y − 2)
z = 1,98x + 0,99y − 3,111

Constante term

c = −3,111

Antwoord

c = −3,111
10.Multivariabele analyse

Antwoord: D = −13

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).

Tweede afgeleiden

fxx = 6, fyy = 2, fxy = 5

Discriminant

D = 6·2 − 5² = −13
→ zadelpunt

Antwoord

D = −13
11.Rijen & reeksen

Antwoord: R = 0,5

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.

Coëfficiënten

ck/ck+1 = (1/2)·((k + 1)/k) → 0,5

Straal

R = 0,5

Antwoord

R = 0,5

Het quotiëntcriterium zegt niets in de twee eindpunten; die moeten apart worden gecontroleerd.

12.Rijen & reeksen

Antwoord: P₃(0.25) = 0,4167

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.

Maclaurinpolynoom

P₃(x) = 2x − 2x² + 2,667x³

Invullen

P₃(0,25) = 0,5 − 0,125 + 0,0416667 = 0,4167

Antwoord

P₃(0,25) = 0,4167

De exacte waarde is f(0,25) = 0,405465; de fout −0,0112016 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 27

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 + 5s + 6 = (s + 2)(s + 3)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 3)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 2) en vul s = −2 in: de B-term valt weg.

A = 27/(s + 3) |s = −2 = 27/1 = 27

Antwoord

A = 27
(B = −27, dus f(t) = 27·e−2t − 27·e−3t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.5) = 0,3512

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).

Overdrachtsfunctie

G(s) = Y(s)/U(s) = 4/(s² + 7s + 12)

Partieelbreuken

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
A = 4, B = −4

Impulsresponsie

g(t) = 4·e−3t − 4·e−4t
g(0,5) = 0,3512

Antwoord

g(0,5) = 0,3512
15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 24

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).

Oppervlakten van de ingangen

∫x dt = 2·3 = 6
∫h dt = ½·2·4 = 4

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 6·4 = 24

Antwoord

Ay = 24
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: h[5] = 0,02048

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] = 0,8
h[2] = 0,32
h[3] = 0,128
h[4] = 0,0512
h[5] = 0,02048

Resultaat

h[5] = 2·(0,4)5 = 0,02048

Antwoord

h[5] = 0,02048

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