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) = 1y(0,5) = ?

Los y″ + 8y′ + 16y = 0 op met y(0) = 1 en y′(0) = 2. Bepaal y(0,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(0.5) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 10ymax​ = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 2y′ + 26y = 260, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal de piekwaarde ymax van zijn staprespons.

y″ + 2y′ + 26y = 260y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−5−31−4B =−3−22−3

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

A = [−5 −3; 1 −4]B = [−3 −2; 2 −3]
c22 =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =62−40

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

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

Bepaal de scalaire projectie compb a van a = (−5, 2, 1) op b = (−2, −5, 1), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.

a = (−5, 2, 1)b = (−2, −5, 1)
compb a =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

De eenheidsvector n̂ staat loodrecht op zowel a = (5, 5, −5) als b = (2, −3, 5) en heeft een positieve z-component. Bepaal zijn x-component n̂x.

a = (5, 5, −5)b = (2, −3, 5)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegralenGemiddeld
xy1y = x·sin x

Bereken I = ∫₀1 x·sin x dx (x in radialen).

∫₀1 x·sin x dx
I =
8.IntegralenMoeilijk
xyy = x2​y = 2x

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

y = x2y = 2x
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld

z = 2x²y² + x³ − 3xy met x = 3t − 1 en y = t² − 2. Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = 0.

z = 2x²y² + x³ − 3xyx = 3t − 1y = t² − 2t = 0
dz/dt =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xyx = 4y = x44

Bereken I = ∬T (2x + 3y) dA over de driehoek T begrensd door y = 0, x = 4 en y = x.

f = 2x + 3y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ x
I =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ (k + 4)/k²k = 1 … ∞CΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen convergeert. Klik erop.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ (k + 4)/k²C: Σ (7/4)ᵏD: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ (k + 4)/k²
  3. 3C: Σ (7/4)ᵏ
  4. 4D: Σ (2k + 1)/(k + 2)
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = cos x wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 5 in x = 0,3. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = 1 om de grootst mogelijke fout |R₅| te vinden.

f(x) = cos xn = 5x = 0,3M = 1
|R₅| =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (5s + 31)/(s² + 11s + 30). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−5t + B·e−6t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (5s + 31)/(s² + 11s + 30)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t), met y(0) = 4 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 10 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,25) te bepalen.

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t4h(t)t11

Een systeem heeft de impulsresponsie h(t) = e−1tu(t). De ingang is een stap x(t) = 4·u(t). Bepaal de uitgang y(4) bij t = 4 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 4 s
y(4) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
δ[n]4+h[n]0,4·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,4·y[n − 1] + 4·x[n] en start in rust. Bepaal het monster h[2] van zijn impulsresponsie.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.5) = 0,5413

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.

Dubbele wortel

(r + 4)² = 0 → r = −4

Constanten

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = 2 + 4 = 6

Bereken

y(0,5) = (1 + 6·0,5)·e−2 = 0,5413

Antwoord

y(0,5) = 0,5413
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: ymax = 15,33

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 ± 5j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −2

Piek

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1·π/5) = 15,33

Antwoord

ymax = 15,33
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = 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

c22 = 1·(−2) + (−4)·(−3) = 10

Antwoord

c22 = 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 − (6)λ + (8) = 0

Oplossen

λ = (6 ± √(4))/2 → λ = 2, 4
λ = 4

Antwoord

λ = 4
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: compb a = 0,1826

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)·(−2) + 2·(−5) + 1·1 = 1

Lengte van b

|b| = √((−2)² + (−5)² + 1²) = 5,477

Scalaire projectie

compb a = a·b/|b| = 1/5,477 = 0,1826

Antwoord

compb a = 0,1826
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂x = −0,2265

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 = 5·5 − (−5)·(−3) = 10
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·2 − 5·5 = −35
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−3) − 5·2 = −25

Normeren

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

|a × b| = √(10² + (−35)² + (−25)²) = 44,16
n̂ = −(10, −35, −25)/44,16 = (−0,2265, 0,7926, 0,5661)
n̂x = −0,2265

Antwoord

n̂x = −0,2265
7.Integralen

Antwoord: I = 0,3012

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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Primitieve

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Limieten

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Antwoord

I = 0,3012
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.

Snijpunten

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Bovenste min onderste integreren

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Antwoord

A = 1,333
9.Multivariabele analyse

Antwoord: dz/dt = −21

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.

Punt en snelheden

x(0) = −1, y(0) = −2
dx/dt = 3, dy/dt = 2t = 0

Partiële afgeleiden

fx = 4xy² + 3x² − 3y = −7
fy = 4x²y − 3x = −5

Kettingregel

dz/dt = (−7)·3 + (−5)·0 = −21

Antwoord

dz/dt = −21
10.Multivariabele analyse

Antwoord: I = 74,67

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).

Limieten

0 ≤ x ≤ 4, 0 ≤ y ≤ x

Binnenste integraal

∫0x (2x + 3y) dy = 2x·x + 3·(x)²/2 = 3,5x²

Buitenste integraal

I = 3,5·4³/3 = 74,67

Antwoord

I = 74,67
11.Rijen & reeksen

Antwoord: A: Σ (−1)ᵏ/√k

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.

Test elke reeks

A: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternerend, met 1/√k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
B: Σ (k + 4)/k² → Gedraagt zich als 1/k voor grote k: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.
C: Σ (7/4)ᵏ → Meetkundig met r = 7/4 > 1: de termen groeien, dus hij divergeert.
D: Σ (2k + 1)/(k + 2) → De termen gaan naar 2, niet naar 0: divergeert door de test op de n-de term.

Het antwoord

A: Σ (−1)ᵏ/√k

Antwoord

A: Σ (−1)ᵏ/√k
12.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₅| = 1,012 × 10⁻⁶

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| ≤ 1·0,3⁶/6! = 1,012 × 10⁻⁶

Antwoord

|R₅| = 1,012 × 10⁻⁶

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,3) − P₅(0,3)| = 1,011 × 10⁻⁶.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 6

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 + 30 = (s + 5)(s + 6)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 6)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 5) en vul s = −5 in: de B-term valt weg.

A = (5s + 31)/(s + 6) |s = −5 = 6/1 = 6

Antwoord

A = 6
(B = −1, dus f(t) = 6·e−5t − e−6t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.25) = 5,493

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 + 8s + 15)·Y(s) = 4s + 32 + 150/s
Y(s) = (4s² + 32s + 150)/(s(s + 3)(s + 5))

Partieelbreuken

A = 150/(3·5) = 10
B = 90/((−3)·2) = −15
C = 90/((−5)·(−2)) = 9

Resultaat

y(t) = 10 − 15·e−3t + 9·e−5t
y(0,25) = 5,493

Antwoord

y(0,25) = 5,493

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

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(4) = 3,927

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) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)

Bereken

y(4) = 4·(1 − e−4) = 3,927

Antwoord

y(4) = 3,927
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: h[2] = 0,64

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

h[0] = 4
h[1] = 1,6
h[2] = 0,64

Resultaat

h[2] = 4·(0,4)2 = 0,64

Antwoord

h[2] = 0,64

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