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)20Ta​T = ?

Een kop koffie van 82 °C wordt achtergelaten in een kamer van 19 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,11 min⁻¹ de temperatuur T na 20 min.

T0 = 82 °CTa = 19 °Ck = 0,11 min⁻¹t = 20 min
T = °C
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, 5)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + 3y/x = 4 op voor x > 0, met y(1) = 5. Bereken y(2).

y′ + 3y/x = 4y(1) = 5
y(2) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =6−352B =−6133

Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c21 (rij 2, kolom 1).

A = [6 −3; 5 2]B = [−6 1; 3 3]
c21 =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−5362b =11−12

Los het stelsel −5x + 3y = 11 en 6x + 2y = −12 op. Bereken x.

−5x + 3y = 116x + 2y = −12
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal het inwendig product a·b van a = (5, −5, 0) en b = (0, −7, 7).

a = (5, −5, 0)b = (0, −7, 7)
a·b =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (40, −30, −30) N werkt in punt A(3, 3, −4). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de y-component My van het moment van de kracht om de oorsprong O(0, 0, 0).

F = (40, −30, −30) NA(3, 3, −4) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
7.IntegralenGemiddeld
xy24

Bereken I = ∫24 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 4]
I =
8.IntegralenMoeilijk
xyy = 2x2​y = 2x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = 2x2 en y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy−6−4−20−202PQ

Bepaal voor f(x, y) = −4x²y³ − 5x³ + y³ − 2xy de richtingsafgeleide Duf in P(−2, −1) in de richting naar Q(−6, 2).

f(x, y) = −4x²y³ − 5x³ + y³ − 2xyP = (−2, −1)Q = (−6, 2)
Duf =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−505−4−202(3, −3)(−3, −3)

Bepaal de kritieke punten van f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 6y, classificeer ze en geef de waarde fmax van f in het lokale maximum.

f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 6y
fmax =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ 2/k²k = 1 … ∞BΣ k/(k + 7)k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ 2/k²B: Σ k/(k + 7)C: Σ (−1)ᵏ/√kD: Σ (4/5)ᵏ
  1. 1A: Σ 2/k²
  2. 2B: Σ k/(k + 7)
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/√k
  4. 4D: Σ (4/5)ᵏ
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = cos 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) = cos xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 11)/(s² + 13s + 40). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (5s + 11)/(s² + 13s + 40)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−224

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 4y′ + 20y = 2u′ + 5u, 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 = 0,75 s. Bepaal g(0,75).

y″ + 4y′ + 20y = 2u′ + 5ut = 0,75 s
g(0.75) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t10h(t)t0,251

Een systeem heeft de impulsresponsie h(t) = e−4tu(t). De ingang is een stap x(t) = 10·u(t). Bepaal de uitgang y(0,5) bij t = 0,5 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)24810−10

Een blokgolf schakelt tussen +10 en −10 met periode T = 4 ms (een halve periode op elk niveau). Bepaal de amplitude c5 van zijn fouriercomponent bij 1250 Hz.

±10T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 25,98 °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) = 19 + 63·e−0,11t

Vul t in

T(20) = 19 + 63·0,1108 = 25,98 °C

Antwoord

T = 25,98 °C
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 2,5

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)′ = 4x3 → x3y = 4x4/4 + C

Beginvoorwaarde

5 = 4/4 + C → C = 4

Bereken

y(2) = (4·24/4 + 4)/23 = 2,5

Antwoord

y(2) = 2,5
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c21 = −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.

Rij maal kolom

c21 = 5·(−6) + 2·3 = −24

Antwoord

c21 = −24
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −2,071

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 = (−5)·2 − 3·6 = −28

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 11·2 − 3·(−12) = 58
x = 58/(−28) = −2,071

Antwoord

x = −2,071
y = 0,2143
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: a·b = 35

Inwendig product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, een scalar. Het geeft de hoek tussen twee vectoren, cos θ = a·b/(|a|·|b|), en het is nul als ze loodrecht op elkaar staan. De scalaire projectie van a op b is a·b/|b|, en een constante kracht F die over een verplaatsing d werkt, verricht arbeid W = F·d.

Vermenigvuldig overeenkomstige componenten en tel op

a·b = 5·0 + (−5)·(−7) + 0·7 = 0 + 35 + 0 = 35

Antwoord

a·b = 35

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

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: My = −70 N·m

Uitwendig product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) staat loodrecht op beide vectoren, en |a × b| = |a|·|b|·sin θ is de oppervlakte van het parallellogram dat ze opspannen (de driehoek is de helft daarvan). De volgorde doet ertoe: b × a = −(a × b). Het moment van een kracht F die op punt A werkt, om punt O is MO = r × F, met r = A − O.

Plaatsvector van O naar A

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

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·(−30) − (−4)·(−30) = −210 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−4)·40 − 3·(−30) = −70 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 3·(−30) − 3·40 = −210 N·m

Gevraagde component

My = −70 N·m

Antwoord

My = −70 N·m
7.Integralen

Antwoord: I = 2,773

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.

Primitieve

F(x) = 4·ln x

Grenzen invullen

I = 4·(ln 4 − ln 2) = 4·ln 2 = 2,773

Antwoord

I = 2,773
8.Integralen

Antwoord: A = 0,3333

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

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Bovenste min onderste integreren

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Antwoord

A = 0,3333
9.Multivariabele analyse

Antwoord: Duf = 34,6

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.

Gradiënt in het punt

fx = −8xy³ − 15x² − 2y → fx(−2, −1) = −74
fy = −12x²y² + 3y² − 2x → fy(−2, −1) = −41

Eenheidsvector

|v| = √((−4)² + 3²) = 5
u = (−0,8, 0,6)

Inwendig product

Duf = (−74)·(−0,8) + (−41)·0,6 = 34,6

Antwoord

Duf = 34,6
10.Multivariabele analyse

Antwoord: fmax = 63

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 = −(3x² − 27) = 0
fy = −(2y + 6) = 0
(3, −3), (−3, −3)

Tweede-afgeleidentest

(3, −3): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → lokaal maximum
(−3, −3): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → zadelpunt

Waarde in het extremum

f(3, −3) = 63

Antwoord

fmax = 63
11.Rijen & reeksen

Antwoord: B: Σ k/(k + 7)

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.

Test elke reeks

A: Σ 2/k² → p-reeks met p = 2 > 1: convergeert.
B: Σ k/(k + 7) → De termen gaan naar 1, niet naar 0: divergeert door de test op de n-de term.
C: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternerend, met 1/√k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
D: Σ (4/5)ᵏ → Meetkundig met r = 4/5, |r| < 1: convergeert.

Het antwoord

B: Σ k/(k + 7)

Antwoord

B: Σ k/(k + 7)
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: A = −4,667

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 5) en vul s = −5 in: de B-term valt weg.

A = (5s + 11)/(s + 8) |s = −5 = −14/3 = −4,667

Antwoord

A = −4,667
(B = 9,667, dus f(t) = −4,667·e−5t + 9,667·e−8t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.75) = −0,4339

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) = (2s + 5)/(s² + 4s + 20)

Partieelbreuken

s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 4²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (1/4)·4/((s + 2)² + 4²)

Impulsresponsie

g(t) = e−2t·(2·cos 4t + 0,25·sin 4t)
g(0,75) = −0,4339

Antwoord

g(0,75) = −0,4339
15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(0.5) = 2,162

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) = 10·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (10/4)·(1 − e−4t)

Bereken

y(0,5) = 2,5·(1 − e−2) = 2,162

Antwoord

y(0,5) = 2,162
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c5 = 2,546

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 = 250 Hz → k = 1250/250 = 5

Amplitude

c5 = 4·10/(5π) = 2,546

Antwoord

c5 = 2,546

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