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) = 2y(0,5) = ?

Los y″ + 7y′ + 12y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = 4. Bepaal y(0,5).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(0.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 1y(0,25) = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal y(0,25); hoeken in radialen.

y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−525−1B =12−50

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

A = [−5 2; 5 −1]B = [1 2; −5 0]
c21 =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =0280

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [0 2; 8 0]
λ =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de hoek θ tussen de vectoren a = (5, 0, 4) en b = (−5, 1, −6), in graden.

a = (5, 0, 4)b = (−5, 1, −6)
θ = °
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (50, −40, −10) N werkt in punt A(−3, −3, −3). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de x-component Mx van het moment van de kracht om de oorsprong O(0, 0, 0).

F = (50, −40, −10) NA(−3, −3, −3) mO(0, 0, 0) m
Mx = N·m
7.IntegralenGemiddeld
xy02

Bereken I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
8.IntegralenMoeilijk
xy−33

Bereken de oppervlakte A van het gebied tussen de parabool y = 9 − x² en de x-as.

y = 9 − x²
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy3−1P

Het raakvlak aan z = −2x²y + 4x³ + 5y³ − 4xy in het punt waar (x, y) = (3, −1) kan worden geschreven als z = px + qy + c. Bepaal c.

f(x, y) = −2x²y + 4x³ + 5y³ − 4xy(a, b) = (3, −1)
c =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−202−20(2, −2)(−2, −2)

f(x, y) = −x³ + 12x − y² − 4y heeft een kritiek punt in (−2, −2). Bereken daar de discriminant D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −x³ + 12x − y² − 4yP = (−2, −2)
D =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Pas het quotiëntcriterium toe op Σk=1∞ (k!)²·1ᵏ/(2k)!. Bepaal L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·1ᵏ/(2k)!
L =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 5 in x = 0,8. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = 1 om de grootst mogelijke fout |R₅| te vinden.

f(x) = sin xn = 5x = 0,8M = 1
|R₅| =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = (6s + 3)/(s² + 7s + 12). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (6s + 3)/(s² + 7s + 12)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−2−42

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 6y′ + 18y = u′ + 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 = 0,1 s. Bepaal g(0,1).

y″ + 6y′ + 18y = u′ + 5ut = 0,1 s
g(0.1) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t35h(t)t44

De puls x(t) = 5 voor 0 ≤ t < 3 s wordt geconvolueerd met de puls h(t) = 4 voor 0 ≤ t < 4 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
5cos(15t)h(t) = 2e−20t​u(t)y(t)

De ingang x(t) = 5·cos(15t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = 2·e−20tu(t). Bepaal de amplitude Ym van de stationaire uitgang.

h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(15t)
Ym =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 1,324

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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 2, −3A − 4B = 4
A = 12, B = −10

Bereken

y(0,5) = 12·e−1,5 + (−10)·e−2 = 1,324

Antwoord

y(0,5) = 1,324
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.25) = 0,2629

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.

Stationaire waarde en wortels

yss = 1, r = −1,5 ± 3j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −0,5

Bereken

y(0,25) = 1·(1 − e−0,375(cos 0,75 + 0,5·sin 0,75)) = 0,2629

Antwoord

y(0,25) = 0,2629
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c21 = 10

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 = 5·1 + (−1)·(−5) = 10

Antwoord

c21 = 10
4.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 4

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 − (0)λ + (−16) = 0

Oplossen

λ = (0 ± √(64))/2 → λ = −4, 4
λ = 4

Antwoord

λ = 4
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: θ = 166,4 °

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.

Inwendig product

a·b = 5·(−5) + 0·1 + 4·(−6) = −49

Groottes

|a| = √(5² + 0² + 4²) = 6,403
|b| = √((−5)² + 1² + (−6)²) = 7,874

Hoek

cos θ = −49/(6,403·7,874) = −0,9719
θ = arccos(−0,9719) = 166,4°

Antwoord

θ = 166,4°
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: Mx = −90 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 = (−3, −3, −3) − (0, 0, 0) = (−3, −3, −3) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·(−10) − (−3)·(−40) = −90 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−3)·50 − (−3)·(−10) = −180 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−3)·(−40) − (−3)·50 = 270 N·m

Gevraagde component

Mx = −90 N·m

Antwoord

Mx = −90 N·m
7.Integralen

Antwoord: I = 156

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.

Substitutie

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

Integreren en invullen

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

Antwoord

I = 156
8.Integralen

Antwoord: A = 36

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.

Nulpunten

9 − x² = 0 → x = ±3

Integreren

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Antwoord

A = 36
9.Multivariabele analyse

Antwoord: c = −254

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(3, −1) = 133
fx = −4xy + 12x² − 4y → fx(3, −1) = 124
fy = −2x² + 15y² − 4x → fy(3, −1) = −15

Raakvlak

z = 133 + 124(x − 3) − 15(y + 1)
z = 124x − 15y − 254

Constante term

c = −254

Antwoord

c = −254
10.Multivariabele analyse

Antwoord: D = −24

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 = 12, fyy = −2, fxy = 0

Discriminant

D = 12·(−2) − 0² = −24
→ zadelpunt

Antwoord

D = −24
11.Rijen & reeksen

Antwoord: L = 0,25

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.

Verhouding van opeenvolgende termen

|ak+1/ak| = 1·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 1/4

Conclusie

L = 0,25 < 1

Antwoord

L = 0,25

L < 1, dus de reeks convergeert.

12.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₅| = 0,0003641

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.

Grens op de afgeleide

M = 1

Lagrange-grens

|R₅| ≤ 1·0,8⁶/6! = 0,0003641

Antwoord

|R₅| = 0,0003641

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,8) − P₅(0,8)| = 4,124 × 10⁻⁵.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: A = −15

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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 3) en vul s = −3 in: de B-term valt weg.

A = (6s + 3)/(s + 4) |s = −3 = −15/1 = −15

Antwoord

A = −15
(B = 21, dus f(t) = −15·e−3t + 21·e−4t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.1) = 0,8537

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) = (s + 5)/(s² + 6s + 18)

Partieelbreuken

s² + 6s + 18 = (s + 3)² + 3²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (2/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Impulsresponsie

g(t) = e−3t·(cos 3t + 0,6667·sin 3t)
g(0,1) = 0,8537

Antwoord

g(0,1) = 0,8537
15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 240

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 = 5·3 = 15
∫h dt = 4·4 = 16

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 15·16 = 240

Antwoord

Ay = 240
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ym = 0,4

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)|.

Frequentierespons

H(jω) = 2/(20 + jω)

Versterking bij de ingangsfrequentie

|H(j15)| = 2/√(20² + 15²) = 0,08
Ym = 5·0,08 = 0,4

Antwoord

Ym = 0,4

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