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)14Ta​37 °C26 °C

Een kop koffie van 95 °C wordt achtergelaten in een kamer van 21 °C. Na 14 min is de temperatuur 37 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 26 °C te bereiken?

T0 = 95 °CTa = 21 °CT(14) = 37 °CT = 26 °C
t = min
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)t = ?10 kg

Een tank bevat 400 L water waarin 5 kg zout is opgelost. Pekel met 0,05 kg zout per liter stroomt in met 20 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Na hoeveel minuten t bevat de tank 10 kg zout?

V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =23−4514203

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

A = [2 3 −4; 5 1 4; 2 0 3]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =04−2−6

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [0 4; −2 −6]
λ =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzdFAB

Een constante kracht F = (25, 25, 15) N werkt op een voorwerp terwijl het zich in een rechte lijn verplaatst van punt A(3, 3, 3) naar punt B(−2, 4, 5). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de arbeid W die de kracht verricht.

F = (25, 25, 15) NA(3, 3, 3) mB(−2, 4, 5) m
W = J
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (−20, 50, −30) N werkt in punt A(4, −2, 4). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de grootte |M| van het moment van de kracht om de oorsprong O(0, 0, 0).

F = (−20, 50, −30) NA(4, −2, 4) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegralenGemiddeld
xy13y = x ln x

Bereken I = ∫₁3 x·ln x dx.

∫₁3 x ln x dx
I =
8.IntegralenMoeilijk
xy−11

Bereken de oppervlakte A van het gebied tussen de parabool y = 1 − x² en de x-as.

y = 1 − x²
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy20,5∇fP

Bepaal voor f(x, y) = −y·e3xy de maximale veranderingssnelheid van f in het punt (2, 0,5), dat is |∇f|.

f(x, y) = −y·e3xyP = (2, 0,5)
|∇f| =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xyy = 0,8y = x0,80,8

De integraal I = ∫00,8 ∫x0,8 ey² dy dx kan niet in deze volgorde worden uitgerekend. Keer de volgorde van integratie om en bereken haar.

f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
xx₀ = 0??R

Bepaal de convergentiestraal R van de machtreeks Σk=1∞ k·2ᵏ·xᵏ.

Σ k·2ᵏ·xᵏx₀ = 0
R =
12.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₃2,5

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 3 van f(x) = sin(0,5x) om f(2,5) te benaderen. Geef P₃(2,5).

f(x) = sin(0,5x)n = 3x = 2,5
P₃(2.5) =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5)) met partieelbreuken, en bereken f(0,3).

F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Los y″ + 3y′ + 2y = 0 op met y(0) = −6 en y′(0) = −10 met de Laplacetransformatie, en bepaal y(0,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = −6y′(0) = −10t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t12h(t)t45

De puls x(t) = 2 voor 0 ≤ t < 1 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 5 voor 0 ≤ t < 4 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(4,5) bij t = 4,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)510204−4

Een blokgolf schakelt tussen +4 en −4 met periode T = 10 ms (een halve periode op elk niveau). Bepaal de amplitude c3 van zijn fouriercomponent bij 300 Hz.

±4T = 10 msf = 300 Hz
c3 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 24,63 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(74/16)/14 = 0,1094 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(74/5)/0,1094 = 24,63 min

Antwoord

t = 24,63 min
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 8,109 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.

Resultaat

m(t) = 20 + (−15)·e−t/20

Los op naar t

e−t/20 = (20 − 10)/(20 − 5) = 0,6667
t = 20·ln(1,5) = 8,109 min

Antwoord

t = 8,109 min
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = −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.

2×2-minoren van de eerste rij

M₁₁ = 3, M₁₂ = 7, M₁₃ = −2

Cofactorontwikkeling

det A = 2·3 − 3·7 + (−4)·(−2) = −7

Antwoord

det A = −7
4.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = −2

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 − (−6)λ + (8) = 0

Oplossen

λ = (−6 ± √(4))/2 → λ = −4, −2
λ = −2

Antwoord

λ = −2
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: W = −70 J

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.

Verplaatsing

d = B − A = (−2, 4, 5) − (3, 3, 3) = (−5, 1, 2) m

Arbeid

W = F·d = 25·(−5) + 25·1 + 15·2 = −70 J

Antwoord

W = −70 J

Negatieve arbeid: de kracht werkt grotendeels tegen de beweging in.

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: |M| = 216,3 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 = (4, −2, 4) − (0, 0, 0) = (4, −2, 4) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−2)·(−30) − 4·50 = −140 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 4·(−20) − 4·(−30) = 40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 4·50 − (−2)·(−20) = 160 N·m

Grootte

|M| = √((−140)² + 40² + 160²) = 216,3 N·m

Antwoord

|M| = 216,3 N·m
7.Integralen

Antwoord: I = 2,944

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitieve

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limieten

(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944

Antwoord

I = 2,944
8.Integralen

Antwoord: A = 1,333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

Integreren

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Antwoord

A = 1,333
9.Multivariabele analyse

Antwoord: |∇f| = 81,74

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.

Partiële afgeleiden

fx = −3y²e3xy → fx(2, 0,5) = −15,06
fy = −e3xy(1 + 3xy) → fy(2, 0,5) = −80,34

Lengte van de gradiënt

|∇f| = √((−15,06)² + (−80,34)²) = 81,74

Antwoord

|∇f| = 81,74
10.Multivariabele analyse

Antwoord: I = 0,4482

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).

Gebied

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 0,8

Omgekeerde volgorde

I = ∫00,8 ∫0y ey² dx dy = ∫00,8 y·ey² dy

Substitutie u = y²

I = [ey²/2]00,8 = 0,4482

Antwoord

I = 0,4482
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/(k + 1)) → 1/2

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(2.5) = 0,9245

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) = 0,5x − 0,02083x³

Invullen

P₃(2,5) = 1,25 − 0,325521 = 0,9245

Antwoord

P₃(2,5) = 0,9245

De exacte waarde is f(2,5) = 0,948985; de fout 0,0245055 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.3) = 0,9363

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 40/(2·5) = 4
B = 40/((−2)·3) = −6,667
C = 40/((−5)·(−3)) = 2,667

Inverse transformatie

f(t) = 4 − 6,667·e−2t + 2,667·e−5t

Bereken

f(0,3) = 4 − 6,667·e−2·0,3 + 2,667·e−5·0,3 = 0,9363

Antwoord

f(0,3) = 0,9363
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.5) = −7,458

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 − (−6)s − (−10) + 3(sY − (−6)) + 2Y = 0
Y(s) = (−6s − 28)/((s + 1)(s + 2))

Partieelbreuken

A = −22/1 = −22
B = −16/(−1) = 16

Resultaat

y(t) = −22·e−t + 16·e−2t
y(0,5) = −7,458

Antwoord

y(0,5) = −7,458

Controle: y(0) = A + B = −6.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(4.5) = 5

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).

Overlap van de gespiegelde puls

h(t − τ) is de puls van h, gespiegeld en zo verschoven dat hij eindigt bij τ = t.

τ ∈ [0,5, 1] → lengte 0,5 s

Integraal

y(4,5) = 2·5·0,5 = 5

Antwoord

y(4,5) = 5

y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 10 en daalt terug naar 0 bij t = 5 s.

16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c3 = 1,698

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 = 100 Hz → k = 300/100 = 3

Amplitude

c3 = 4·4/(3π) = 1,698

Antwoord

c3 = 1,698

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