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)17Ta​28 °C44 °C

Een kop koffie van 80 °C wordt achtergelaten in een kamer van 20 °C. Na 17 min is de temperatuur 28 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 44 °C te bereiken?

T0 = 80 °CTa = 20 °CT(17) = 28 °CT = 44 °C
t = min
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
ty1,5y(1,5) = ?

Los y′ + 3y = 5e−0,5t op met y(0) = 2. Bereken y(1,5).

y′ + 3y = 5e−0,5ty(0) = 2
y(1.5) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =23−6−6B =−1−635

Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c22 (rij 2, kolom 2).

A = [2 3; −6 −6]B = [−1 −6; 3 5]
c22 =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =1−1−83

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [1 −1; −8 3]
λ =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzdFAB

Een constante kracht F = (−15, −15, −25) N werkt op een voorwerp terwijl het zich in een rechte lijn verplaatst van punt A(2, −1, 3) naar punt B(−4, −4, 3). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de arbeid W die de kracht verricht.

F = (−15, −15, −25) NA(2, −1, 3) mB(−4, −4, 3) m
W = J
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzABC

Bepaal de oppervlakte A van de driehoek met hoekpunten A(−1, 0, −2), B(2, 3, 3) en C(0, 2, −1). Coördinaten zijn in meter.

A(−1, 0, −2)B(2, 3, 3)C(0, 2, −1)
A = m²
7.IntegralenGemiddeld
xy24

Bereken I = ∫24 1/x dx.

f(x) = 1/x[2, 4]
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
xy−1−1P

Het raakvlak aan z = ln(x² + 2y²) in het punt waar (x, y) = (−1, −1) kan worden geschreven als z = px + qy + c. Bepaal c.

f(x, y) = ln(x² + 2y²)(a, b) = (−1, −1)
c =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−202−1012(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
xx₀ = −2??R

De machtreeks Σk=1∞ k²·3ᵏ·(x + 2)ᵏ convergeert op een interval rond x₀ = −2. Bepaal het linkeruiteinde x van dat interval.

Σ k²·3ᵏ·(x + 2)ᵏx₀ = −2
x =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 2 in x = 0,3. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = 1 om de grootst mogelijke fout |R₂| te vinden.

f(x) = sin xn = 2x = 0,3M = 1
|R₂| =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−1−2−3−412

Bepaal f(t) voor F(s) = (5s + 4)/(s² + 8s + 20) door het kwadraat af te splitsen, en bereken f(0,5).

F(s) = (5s + 4)/(s² + 8s + 20)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t), met y(0) = 4 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 2 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,3) te bepalen.

y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t2h(t)t11

Een systeem heeft de impulsresponsie h(t) = e−1tu(t). De ingang is een stap x(t) = 2·u(t). Bepaal de uitgang y(1) bij t = 1 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 1 s
y(1) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)1,2551010

Een pulstrein heeft hoogte 10, pulsbreedte 1,25 ms en periode 5 ms. Bepaal de gelijkstroomcomponent (gemiddelde waarde) c0.

A = 10τ = 1,25 msT = 5 ms
c0 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 7,731 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(60/8)/17 = 0,1185 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(60/24)/0,1185 = 7,731 min

Antwoord

t = 7,731 min
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,9447

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 = e3t
(e3ty)′ = 5e2,5t

Algemene oplossing

y = 5/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 2·e−0,5t + C·e−3t

Beginvoorwaarde

2 = 2 + C → C = 0

Bereken

y(1,5) = 2·0,4724 + 0·0,01111 = 0,9447

Antwoord

y(1,5) = 0,9447
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = 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.

Rij maal kolom

c22 = (−6)·(−6) + (−6)·5 = 6

Antwoord

c22 = 6
4.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 5

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 + (−5) = 0

Oplossen

λ = (4 ± √(36))/2 → λ = −1, 5
λ = 5

Antwoord

λ = 5
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: W = 135 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 = (−4, −4, 3) − (2, −1, 3) = (−6, −3, 0) m

Arbeid

W = F·d = (−15)·(−6) + (−15)·(−3) + (−25)·0 = 135 J

Antwoord

W = 135 J
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: A = 3,937 m²

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.

Zijdevectoren

AB = B − A = (3, 3, 5)
AC = C − A = (1, 2, 1)

Uitwendig product

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 3·1 − 5·2 = −7
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 5·1 − 3·1 = 2
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 3·2 − 3·1 = 3
|AB × AC| = √((−7)² + 2² + 3²) = 7,874

Oppervlakte van de driehoek

A = ½·7,874 = 3,937 m²

Antwoord

A = 3,937 m²
7.Integralen

Antwoord: I = 0,6931

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) = ln x

Grenzen invullen

I = (ln 4 − ln 2) = ln 2 = 0,6931

Antwoord

I = 0,6931
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: c = −0,9014

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, −1) = 1,099
fx = 2x/(x² + 2y²) → fx(−1, −1) = −0,6667
fy = 4y/(x² + 2y²) → fy(−1, −1) = −1,333

Raakvlak

z = 1,099 − 0,6667(x + 1) − 1,333(y + 1)
z = −0,6667x − 1,333y − 0,9014

Constante term

c = −0,9014

Antwoord

c = −0,9014
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: x = −2,333

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 = (1/3)·(k/(k + 1))² → 1/3

Straal

R = 0,3333

Interval

−2,333 < x < −1,667
x = −2,333

Antwoord

x = −2,333

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

12.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₂| = 0,0045

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

|R₂| ≤ 1·0,3³/3! = 0,0045

Antwoord

|R₂| = 0,0045

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,3) − P₂(0,3)| = 0,00448.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.5) = −0,5454

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).

Splits het kwadraat af

s² + 8s + 20 = (s + 4)² + 4 = (s + 4)² + 2²

Pas de teller aan

F(s) = 5·(s + 4)/((s + 4)² + 2²) + (−16/2)·2/((s + 4)² + 2²)

Inverse transformatie

f(t) = e−4t·(5·cos 2t − 8·sin 2t)
f(0,5) = e−4·0,5·(5·cos(2·0,5) − 8·sin(2·0,5)) = −0,5454

Antwoord

f(0,5) = −0,5454
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.3) = 4,451

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 + 4)·Y(s) = 4s + 20 + 32/s
Y(s) = (4s² + 20s + 32)/(s(s + 1)(s + 4))

Partieelbreuken

A = 32/(1·4) = 8
B = 16/((−1)·3) = −5,333
C = 16/((−4)·(−3)) = 1,333

Resultaat

y(t) = 8 − 5,333·e−t + 1,333·e−4t
y(0,3) = 4,451

Antwoord

y(0,3) = 4,451

Controle: y(0) = A + B + C = 4.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(1) = 1,264

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) = 2·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (2/1)·(1 − e−1t)

Bereken

y(1) = 2·(1 − e−1) = 1,264

Antwoord

y(1) = 1,264
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c0 = 2,5

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)|.

Duty cycle

D = 1,25/5 = 0,25

Gemiddelde waarde

c₀ = 10·0,25 = 2,5

Antwoord

c0 = 2,5

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