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)10Ta​414 °C220 °C

Een gesmeed stalen onderdeel van 500 °C koelt af in een werkplaats van 25 °C. Na 10 min is de temperatuur 414 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 220 °C te bereiken?

T0 = 500 °CTa = 25 °CT(10) = 414 °CT = 220 °C
t = min
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 10y(0,25) = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 3y′ + 11,25y = 112,5, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal y(0,25); hoeken in radialen.

y″ + 3y′ + 11,25y = 112,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−1−2−53−12−3−33

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

A = [−1 −2 −5; 3 −1 2; −3 −3 3]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =5145b =93

Los het stelsel 5x + y = 9 en 4x + 5y = 3 op. Bereken x.

5x + y = 94x + 5y = 3
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

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

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

Bepaal voor a = (−1, 1, −6) en b = (3, 2, 6) de z-component (a × b)z van het uitwendig product a × b.

a = (−1, 1, −6)b = (3, 2, 6)
(a × b)z =
7.IntegralenGemiddeld
xy02

Bereken I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
8.IntegralenMoeilijk
xy−33

Bereken de oppervlakte A van het gebied tussen de parabool y = 9 − x² en de x-as.

y = 9 − x²
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld
xy12∇fP

Bepaal voor f(x, y) = 3 sin(−2x + 2y) de maximale veranderingssnelheid van f in het punt (1, 2), dat is |∇f|.

f(x, y) = 3 sin(−2x + 2y)P = (1, 2)
|∇f| =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy02−1012AB

De gemarkeerde punten zijn de kritieke punten van f(x, y) = x³ + y³ − 3xy. Klik op het lokale minimum.

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy
  1. 1A (1, 1)
  2. 2B (0, 0)
11.Rijen & reeksenGemiddeld
kSn​12345678910S = ?

Bepaal de som S = Σk=1∞ 5/(k(k + 4)).

ak = 5/(k(k + 4))
S =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = eˣ wordt in x = 0,5 benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad n. Bepaal met de Lagrange-grens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! en M = 2 de kleinste graad n die een fout kleiner dan 0,001 garandeert.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,001
n =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

Bepaal f(t) voor F(s) = (s + 32)/(s² + 6s + 10) door het kwadraat af te splitsen, en bereken f(0,4).

F(s) = (s + 32)/(s² + 6s + 10)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−2−4−62

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 2y′ + 10y = 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 = 0,8 s. Bepaal g(0,8).

y″ + 2y′ + 10y = 2u′ + 13ut = 0,8 s
g(0.8) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t25h(t)t44

De puls x(t) = 5 voor 0 ≤ t < 2 s wordt geconvolueerd met de puls h(t) = 4 voor 0 ≤ t < 4 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
2cos(40t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

De ingang x(t) = 2·cos(40t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = 5·e−20tu(t). Bepaal de amplitude Ym van de stationaire uitgang.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 2cos(40t)
Ym =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 44,57 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(475/389)/10 = 0,01997 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(475/195)/0,01997 = 44,57 min

Antwoord

t = 44,57 min
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.25) = 2,629

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 = −1,5 ± 3j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −5

Bereken

y(0,25) = 10·(1 − e−0,375(cos 0,75 + 0,5·sin 0,75)) = 2,629

Antwoord

y(0,25) = 2,629
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = 87

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 = 15, M₁₃ = −12

Cofactorontwikkeling

det A = (−1)·3 − (−2)·15 + (−5)·(−12) = 87

Antwoord

det A = 87
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = 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.

Determinant van de coëfficiëntenmatrix

det A = 5·5 − 1·4 = 21

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 9·5 − 1·3 = 42
x = 42/21 = 2

Antwoord

x = 2
y = −1
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: compb a = −5,506

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)·4 + 4·(−6) + (−1)·3 = −43

Lengte van b

|b| = √(4² + (−6)² + 3²) = 7,81

Scalaire projectie

compb a = a·b/|b| = −43/7,81 = −5,506

Antwoord

compb a = −5,506

Negatief: a heeft een component die tegen b in wijst.

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: (a × b)z = −5

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, component voor component

(a × b)x = aybz − azby = 1·6 − (−6)·2 = 18
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·3 − (−1)·6 = −12
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·2 − 1·3 = −5

Gevraagde component

(a × b)z = −5

Antwoord

(a × b)z = −5

Controle: a × b staat loodrecht op beide vectoren, dus het inwendig product met a en met b is nul.

7.Integralen

Antwoord: I = 156

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.

Substitutie

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

Integreren en invullen

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

Antwoord

I = 156
8.Integralen

Antwoord: A = 36

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

9 − x² = 0 → x = ±3

Integreren

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Antwoord

A = 36
9.Multivariabele analyse

Antwoord: |∇f| = 3,531

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 = −6 cos(−2x + 2y) → fx(1, 2) = 2,497
fy = 6 cos(−2x + 2y) → fy(1, 2) = −2,497

Lengte van de gradiënt

|∇f| = √(2,497² + (−2,497)²) = 3,531

Antwoord

|∇f| = 3,531
10.Multivariabele analyse

Antwoord: A (1, 1)

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 − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)

Tweede-afgeleidentest

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → zadelpunt
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → lokaal minimum

Het punt

A (1, 1): lokaal minimum

Antwoord

A (1, 1)
11.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 2,604

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

5/(k(k + 4)) = (5/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Annuleren

S = (5/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 2,604

Antwoord

S = 2,604
12.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 4

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.

n(n + 1)!grens011120,25260,041673240,00520841200,0005208

Grenzen voor toenemende n

n = 3: 0,005208 ≥ 0,001
n = 4: 0,0005208 < 0,001

Kleinste graad

n = 4

Antwoord

n = 4
13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.4) = 3,679

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Pas de teller aan

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (29/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Inverse transformatie

f(t) = e−3t·(cos 1t + 29·sin 1t)
f(0,4) = e−3·0,4·(cos(1·0,4) + 29·sin(1·0,4)) = 3,679

Antwoord

f(0,4) = 3,679
14.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.8) = 0,4502

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 + 2s + 10)

Partieelbreuken

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (11/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Impulsresponsie

g(t) = e−t·(2·cos 3t + 3,667·sin 3t)
g(0,8) = 0,4502

Antwoord

g(0,8) = 0,4502
15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 160

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).

Oppervlakten van de ingangen

∫x dt = 5·2 = 10
∫h dt = 4·4 = 16

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 10·16 = 160

Antwoord

Ay = 160
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ym = 0,2236

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)|.

Frequentierespons

H(jω) = 5/(20 + jω)

Versterking bij de ingangsfrequentie

|H(j40)| = 5/√(20² + 40²) = 0,1118
Ym = 2·0,1118 = 0,2236

Antwoord

Ym = 0,2236

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