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)15Ta​219 °C

Een gesmeed stalen onderdeel van 380 °C koelt af in een werkplaats van 24 °C. Na 15 min is de temperatuur 219 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken de constante k in min⁻¹.

T0 = 380 °CTa = 24 °CT(15) = 219 °C
k = min⁻¹
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 10y(1) = ?

Los y″ + 3y′ + 11,25y = 0 op met y(0) = 10 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(1); hoeken in radialen.

y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(1) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =5−40−5−4−3−214

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

A = [5 −4 0; −5 −4 −3; −2 1 4]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−5626b =8−1

Los het stelsel −5x + 6y = 8 en 2x + 6y = −1 op. Bereken x.

−5x + 6y = 82x + 6y = −1
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de scalaire projectie compb a van a = (−4, 3, −7) op b = (6, 1, −4), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.

a = (−4, 3, −7)b = (6, 1, −4)
compb a =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (20, −60, −50) N werkt in punt A(3, 4, −2). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de z-component Mz van het moment van de kracht om punt O(3, −2, 1).

F = (20, −60, −50) NA(3, 4, −2) mO(3, −2, 1) m
Mz = N·m
7.IntegralenGemiddeld
xy3y = √(4x)

Het gebied onder y = √(4x) van x = 0 tot x = 3 wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam (een paraboloïde).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 3
V =
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

z = 2 ln(x² + 3y²) met x = 3t − 2 en y = −2t² − 1. Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = 0.

z = 2 ln(x² + 3y²)x = 3t − 2y = −2t² − 1t = 0
dz/dt =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−202−202(2, 0)(−2, 0)

Bepaal de kritieke punten van f(x, y) = −x³ + 12x − y², classificeer ze en geef de waarde fmax van f in het lokale maximum.

f(x, y) = −x³ + 12x − y²
fmax =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
kSn​12345678910

Bepaal de som S = Σk=118 2/(k(k + 1)).

ak = 2/(k(k + 1))n = 18
S =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = sin x wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 3 in x = 1,5. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = 1 om de grootst mogelijke fout |R₃| te vinden.

f(x) = sin xn = 3x = 1,5M = 1
|R₃| =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−2−4−6−8−10−12

F(s) = (2s + 24)/(s² + 6s + 8). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−2t + B·e−4t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (2s + 24)/(s² + 6s + 8)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Los y″ + 7y′ + 12y = 0 op met y(0) = 4 en y′(0) = 2 met de Laplacetransformatie, en bepaal y(0,25).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t2h(t)t1

De ingang x(t) = 2·e−3tu(t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−2tu(t). Bepaal de uitgang y(0,25) bij t = 0,25 s.

x(t) = 2·e−3tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)12410−10

Een driehoeksgolf stijgt en daalt lineair tussen −10 en +10 met periode T = 2 ms. Bepaal de amplitude c5 van zijn fouriercomponent bij 2500 Hz.

±10T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: k = 0,04013 min⁻¹

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.

Verhouding van de temperatuurverschillen

e−15k = 195/356

Los op naar k

k = ln(356/195)/15 = 0,04013 min⁻¹

Antwoord

k = 0,04013 min⁻¹
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1) = −2,052

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.

Complexe wortels

r = −1,5 ± 3j

Constanten

A = 10, B = 1,5·10/3 = 5

Bereken

y(1) = e−1,5(10·cos 3 + 5·sin 3) = −2,052

Antwoord

y(1) = −2,052
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = −169

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 = −13, M₁₂ = −26, M₁₃ = −13

Cofactorontwikkeling

det A = 5·(−13) − (−4)·(−26) + 0·(−13) = −169

Antwoord

det A = −169
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −1,286

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 = (−5)·6 − 6·2 = −42

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 8·6 − 6·(−1) = 54
x = 54/(−42) = −1,286

Antwoord

x = −1,286
y = 0,2619
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: compb a = 0,9615

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 = (−4)·6 + 3·1 + (−7)·(−4) = 7

Lengte van b

|b| = √(6² + 1² + (−4)²) = 7,28

Scalaire projectie

compb a = a·b/|b| = 7/7,28 = 0,9615

Antwoord

compb a = 0,9615
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: Mz = −120 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 = (3, 4, −2) − (3, −2, 1) = (0, 6, −3) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 6·(−50) − (−3)·(−60) = −480 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−3)·20 − 0·(−50) = −60 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 0·(−60) − 6·20 = −120 N·m

Gevraagde component

Mz = −120 N·m

Antwoord

Mz = −120 N·m
7.Integralen

Antwoord: V = 56,55

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∫₀3 4x dx

Integreren

V = π·4·3²/2 = 56,55

Antwoord

V = 56,55
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: dz/dt = −3,429

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) = −2, y(0) = −1
dx/dt = 3, dy/dt = −4t = 0

Partiële afgeleiden

fx = 4x/(x² + 3y²) = −1,143
fy = 12y/(x² + 3y²) = −1,714

Kettingregel

dz/dt = (−1,143)·3 + (−1,714)·0 = −3,429

Antwoord

dz/dt = −3,429
10.Multivariabele analyse

Antwoord: fmax = 16

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).

Kritieke punten

Los fx = 0 en fy = 0 samen op.

fx = −(3x² − 12) = 0
fy = −(2y) = 0
(2, 0), (−2, 0)

Tweede-afgeleidentest

(2, 0): fxx = −12, fyy = −2, fxy = 0, D = 24 → lokaal maximum
(−2, 0): fxx = 12, fyy = −2, fxy = 0, D = −24 → zadelpunt

Waarde in het extremum

f(2, 0) = 16

Antwoord

fmax = 16
11.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 1,895

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

2/(k(k + 1)) = 2·(1/k − 1/(k + 1))

Annuleren

S = 2·(1 − 1/19) = 1,895

Antwoord

S = 1,895
12.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₃| = 0,2109

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

|R₃| ≤ 1·1,5⁴/4! = 0,2109

Antwoord

|R₃| = 0,2109

De werkelijke fout is kleiner: |f(1,5) − P₃(1,5)| = 0,05999.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 10

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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 2) en vul s = −2 in: de B-term valt weg.

A = (2s + 24)/(s + 4) |s = −2 = 20/2 = 10

Antwoord

A = 10
(B = −8, dus f(t) = 10·e−2t − 8·e−4t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.25) = 3,352

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 − 4s − 2 + 7(sY − 4) + 12Y = 0
Y(s) = (4s + 30)/((s + 3)(s + 4))

Partieelbreuken

A = 18/1 = 18
B = 14/(−1) = −14

Resultaat

y(t) = 18·e−3t − 14·e−4t
y(0,25) = 3,352

Antwoord

y(0,25) = 3,352

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

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(0.25) = 0,2683

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-integraal

y(t) = 2e−2t∫₀ᵗ e−(3 − 2)τ dτ = 2(e−2t − e−3t)/(1)

Bereken

y(0,25) = 2·(0,6065 − 0,4724)/(1) = 0,2683

Antwoord

y(0,25) = 0,2683
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c5 = 0,3242

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 = 500 Hz → k = 5

Amplitude

c5 = 8·10/(π²·5²) = 0,3242

Antwoord

c5 = 0,3242

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