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)11Ta​64 °C35 °C

Een kop koffie van 81 °C wordt achtergelaten in een kamer van 22 °C. Na 11 min is de temperatuur 64 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 35 °C te bereiken?

T0 = 81 °CTa = 22 °CT(11) = 64 °CT = 35 °C
t = min
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 10ymax​ = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal de piekwaarde ymax van zijn staprespons.

y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−43−2−5−254−55

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

A = [−4 3 −2; −5 −2 5; 4 −5 5]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−1175

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [−1 1; 7 5]
λ =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de waarde van k waarvoor de vectoren a = (3, −1, 0) en b = (k, −4, 1) loodrecht op elkaar staan.

a = (3, −1, 0)b = (k, −4, 1)
k =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (60, 0, 40) N werkt in punt A(−2, 1, 1). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de grootte |M| van het moment van de kracht om de oorsprong O(0, 0, 0).

F = (60, 0, 40) NA(−2, 1, 1) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegralenGemiddeld
xy15

Bereken I = ∫15 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 5]
I =
8.IntegralenMoeilijk
xy3y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy−12P

Het raakvlak aan z = 2y·e−xy in het punt waar (x, y) = (−1, 2) kan worden geschreven als z = px + qy + c. Bepaal c.

f(x, y) = 2y·e−xy(a, b) = (−1, 2)
c =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−202−2−101(1, −1)(−1, −1)

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y heeft een kritiek punt in (−1, −1). Bereken daar de discriminant D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2yP = (−1, −1)
D =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
kSn​12345678910S = ?

Bepaal de som S = Σk=1∞ 1/(k(k + 2)).

ak = 1/(k(k + 2))
S =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

Bepaal de coëfficiënt c₂ van (x − 8)² in de Taylorreeks van f(x) = ∛x rond a = 8.

f(x) = ∛xa = 8k = 2
c₂ =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 5)) met partieelbreuken, en bereken f(0,4).

F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t), met y(0) = 6 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 5 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,1) te bepalen.

y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t45h(t)t24

De puls x(t) = 5 voor 0 ≤ t < 4 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) = 5, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 4, h(2) = 0
Ay =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
u[n]0,5+y[n]0,4·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,4·y[n − 1] + 0,5·x[n] en start in rust. De ingang is de eenheidsstap x[n] = u[n]. Bepaal y[5].

y[n] = 0,4y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[5] =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 48,96 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(59/42)/11 = 0,0309 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(59/13)/0,0309 = 48,96 min

Antwoord

t = 48,96 min
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: ymax = 13,9

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 = 10, r = −1,5 ± 5j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3

Piek

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/5) = 13,9

Antwoord

ymax = 13,9
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = 9

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 = 15, M₁₂ = −45, M₁₃ = 33

Cofactorontwikkeling

det A = (−4)·15 − 3·(−45) + (−2)·33 = 9

Antwoord

det A = 9
4.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 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.

Karakteristieke vergelijking

λ² − (4)λ + (−12) = 0

Oplossen

λ = (4 ± √(64))/2 → λ = −2, 6
λ = 6

Antwoord

λ = 6
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: k = −1,333

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 is gelijk aan nul

a·b = 3·k + (−1)·(−4) + 0·1 = 0
4 + 3·k = 0

Los op naar k

k = −4/3 = −1,333

Antwoord

k = −1,333
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: |M| = 157,5 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, 1, 1) − (0, 0, 0) = (−2, 1, 1) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·40 − 1·0 = 40 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·60 − (−2)·40 = 140 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·0 − 1·60 = −60 N·m

Grootte

|M| = √(40² + 140² + (−60)²) = 157,5 N·m

Antwoord

|M| = 157,5 N·m
7.Integralen

Antwoord: I = 8,047

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) = 5·ln x

Grenzen invullen

I = 5·(ln 5 − ln 1) = 5·ln 5 = 8,047

Antwoord

I = 8,047
8.Integralen

Antwoord: I = 98,43

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

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Antwoord

I = 98,43
9.Multivariabele analyse

Antwoord: c = −118,2

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(−1, 2) = 29,56
fx = −2y²e−xy → fx(−1, 2) = −59,11
fy = 2e−xy(1 − xy) → fy(−1, 2) = 44,33

Raakvlak

z = 29,56 − 59,11(x + 1) + 44,33(y − 2)
z = −59,11x + 44,33y − 118,2

Constante term

c = −118,2

Antwoord

c = −118,2
10.Multivariabele analyse

Antwoord: D = −12

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 = 0

Discriminant

D = (−6)·2 − 0² = −12
→ zadelpunt

Antwoord

D = −12
11.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 0,75

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

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

Annuleren

S = (1/2)·(1 + 1/2) = 0,75

Antwoord

S = 0,75
12.Rijen & reeksen

Antwoord: c₂ = −0,003472

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.

Afgeleide f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,2222·x1/3 − 2

Coëfficiënt

c₂ = −0,2222·81/3 − 2/2! = −0,003472
c₂ = −0,003472

Antwoord

c₂ = −0,003472
13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.4) = 1,65

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).

Partieelbreuken

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 55/(3·5) = 3,667
B = 55/((−3)·2) = −9,167
C = 55/((−5)·(−2)) = 5,5

Inverse transformatie

f(t) = 3,667 − 9,167·e−3t + 5,5·e−5t

Bereken

f(0,4) = 3,667 − 9,167·e−3·0,4 + 5,5·e−5·0,4 = 1,65

Antwoord

f(0,4) = 1,65
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.1) = 5,975

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 + 5s + 6)·Y(s) = 6s + 30 + 30/s
Y(s) = (6s² + 30s + 30)/(s(s + 2)(s + 3))

Partieelbreuken

A = 30/(2·3) = 5
B = −6/((−2)·1) = 3
C = −6/((−3)·(−1)) = −2

Resultaat

y(t) = 5 + 3·e−2t − 2·e−3t
y(0,1) = 5,975

Antwoord

y(0,1) = 5,975

Controle: y(0) = A + B + C = 6.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 80

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 = 5·4 = 20
∫h dt = ½·2·4 = 4

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 20·4 = 80

Antwoord

Ay = 80
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y[5] = 0,8299

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

y[0] = 0,5
y[1] = 0,7
y[2] = 0,78
y[3] = 0,812
y[4] = 0,8248
y[5] = 0,8299

Resultaat

y[5] = 0,5·(1 − (0,4)6)/(1 − 0,4) = 0,8299

Antwoord

y[5] = 0,8299

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