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) = 5y(0,5) = ?

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

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, 3)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + y/x = 4x2 op voor x > 0, met y(1) = 3. Bereken y(2).

y′ + y/x = 4x2y(1) = 3
y(2) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−5−5410−11−35

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

A = [−5 −5 4; 1 0 −1; 1 −3 5]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =1255b =−57

Los het stelsel x + 2y = −5 en 5x + 5y = 7 op. Bereken x.

x + 2y = −55x + 5y = 7
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de waarde van k waarvoor de vectoren a = (−6, 6, −2) en b = (k, 1, 1) loodrecht op elkaar staan.

a = (−6, 6, −2)b = (k, 1, 1)
k =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

De eenheidsvector n̂ staat loodrecht op zowel a = (−4, −2, −3) als b = (−2, 3, −2) en heeft een positieve z-component. Bepaal zijn y-component n̂y.

a = (−4, −2, −3)b = (−2, 3, −2)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegralenGemiddeld
xy1y = √(2x)

Het gebied onder y = √(2x) van x = 0 tot x = 1 wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam (een paraboloïde).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegralenMoeilijk
xyy = 2x2​y = x

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

y = 2x2y = x
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy22∇fP

Bepaal voor f(x, y) = y·exy de richting van de steilste stijging in (2, 2) als de hoek θ met de positieve x-as, in graden tussen −180° en 180°.

f(x, y) = y·exyP = (2, 2)
θ = °
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xyy = xy = x²11

Bereken I = ∬R y dA, waarbij R het gebied is tussen de parabool y = x² en de lijn y = x.

y = x²y = xf = y
I =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Pas het wortelcriterium toe op Σk=1∞ ((1k + 2)/(4k + 3))ᵏ. Bepaal L = lim |ak|1/k.

ak = ((1k + 2)/(4k + 3))ᵏ
L =
12.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₄1

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 4 van f(x) = cos(2x) om f(1) te benaderen. Geef P₄(1).

f(x) = cos(2x)n = 4x = 1
P₄(1) =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

F(s) = (s + 34)/(s² + 11s + 24). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−3t + B·e−8t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (s + 34)/(s² + 11s + 24)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−1−2−3−4−5−6−712

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 4y′ + 8y = 2u′ + 13u, 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 = 0,25 s. Bepaal g(0,25).

y″ + 4y′ + 8y = 2u′ + 13ut = 0,25 s
g(0.25) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t13h(t)t32

De puls x(t) = 3 voor 0 ≤ t < 1 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 2 voor 0 ≤ t < 3 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(2) bij t = 2 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)1020403−3

Een driehoeksgolf stijgt en daalt lineair tussen −3 en +3 met periode T = 20 ms. Bepaal de amplitude c3 van zijn fouriercomponent bij 150 Hz.

±3T = 20 msf = 150 Hz
c3 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 3,818

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 + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 5, −1A − 4B = 0
A = 6,667, B = −1,667

Bereken

y(0,5) = 6,667·e−0,5 + (−1,667)·e−2 = 3,818

Antwoord

y(0,5) = 3,818
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 9

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∫1/x dx = x1

Integreren

(x1y)′ = 4x3 → x1y = 4x4/4 + C

Beginvoorwaarde

3 = 4/4 + C → C = 2

Bereken

y(2) = (4·24/4 + 2)/21 = 9

Antwoord

y(2) = 9
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = 33

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 = 6, M₁₃ = −3

Cofactorontwikkeling

det A = (−5)·(−3) − (−5)·6 + 4·(−3) = 33

Antwoord

det A = 33
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = 7,8

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 = 1·5 − 2·5 = −5

De x-kolom vervangen

det Aₓ = (−5)·5 − 2·7 = −39
x = −39/(−5) = 7,8

Antwoord

x = 7,8
y = −6,4
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: k = 0,6667

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 = (−6)·k + 6·1 + (−2)·1 = 0
4 + (−6)·k = 0

Los op naar k

k = −4/(−6) = 0,6667

Antwoord

k = 0,6667
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂y = 0,09656

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.

Uitwendig product

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·(−2) − (−3)·3 = 13
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−2) − (−4)·(−2) = −2
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·3 − (−2)·(−2) = −16

Normeren

De z-component van a × b is negatief, dus gebruik −(a × b).

|a × b| = √(13² + (−2)² + (−16)²) = 20,71
n̂ = −(13, −2, −16)/20,71 = (−0,6276, 0,09656, 0,7725)
n̂y = 0,09656

Antwoord

n̂y = 0,09656
7.Integralen

Antwoord: V = 3,142

Omwentelingslichamen: als je het gebied onder y = f(x) van x = a tot x = b om de x-as wentelt, ontstaat een lichaam waarvan de doorsnede bij x een schijf met straal f(x) is. Het optellen van de schijven geeft V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Ligt het gebied tussen een buitenste kromme R(x) en een binnenste kromme r(x), dan is elke plak een ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Kwadrateer de stralen voordat je ze van elkaar aftrekt.

Schijfmethode

V = π∫₀1 2x dx

Integreren

V = π·2·1²/2 = 3,142

Antwoord

V = 3,142
8.Integralen

Antwoord: A = 0,04167

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 = x → x = 0, x = 0,5

Bovenste min onderste integreren

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Antwoord

A = 0,04167
9.Multivariabele analyse

Antwoord: θ = 51,34 °

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 = y²exy → fx(2, 2) = 218,4
fy = exy(1 + xy) → fy(2, 2) = 273

Richting

θ = atan2(273, 218,4) = 51,34°

Antwoord

θ = 51,34°
10.Multivariabele analyse

Antwoord: I = 0,06667

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).

Snijpunten

x² = x → x = 0, x = 1

Binnenste integraal

∫x²x y dy = [y²/2] = (x² − x⁴)/2

Buitenste integraal

I = ∫01 (x² − x⁴)/2 dx = 0,06667

Antwoord

I = 0,06667
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.

Wortel van de termen

|ak|1/k = (1k + 2)/(4k + 3) → 1/4

Conclusie

L = 0,25 < 1

Antwoord

L = 0,25

L < 1, dus de reeks convergeert.

12.Rijen & reeksen

Antwoord: P₄(1) = −0,3333

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

P₄(x) = 1 − 2x² + 0,6667x⁴

Invullen

P₄(1) = 1 − 2 + 0,666667 = −0,3333

Antwoord

P₄(1) = −0,3333

De exacte waarde is f(1) = −0,416147; de fout −0,0828135 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 6,2

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 + 11s + 24 = (s + 3)(s + 8)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 8)

Afdekregel

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

A = (s + 34)/(s + 8) |s = −3 = 31/5 = 6,2

Antwoord

A = 6,2
(B = −5,2, dus f(t) = 6,2·e−3t − 5,2·e−8t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.25) = 2,373

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 + 13)/(s² + 4s + 8)

Partieelbreuken

s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (9/2)·2/((s + 2)² + 2²)

Impulsresponsie

g(t) = e−2t·(2·cos 2t + 4,5·sin 2t)
g(0,25) = 2,373

Antwoord

g(0,25) = 2,373
15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(2) = 6

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, 1] → lengte 1 s

Integraal

y(2) = 3·2·1 = 6

Antwoord

y(2) = 6

y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 6 en daalt terug naar 0 bij t = 4 s.

16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c3 = 0,2702

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 = 50 Hz → k = 3

Amplitude

c3 = 8·3/(π²·3²) = 0,2702

Antwoord

c3 = 0,2702

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