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
ty2y(2) = ?

Los y′ + y = 3e−2t op met y(0) = 4. Bereken y(2).

y′ + y = 3e−2ty(0) = 4
y(2) =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =6−535B =−32−54

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

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

Bereken de grootste eigenwaarde λ van de getoonde matrix A.

A = [2 −1; −6 −3]
λ =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de scalaire projectie compb a van a = (0, 4, −2) op b = (2, 1, 0), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.

a = (0, 4, −2)b = (2, 1, 0)
compb a =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

De eenheidsvector n̂ staat loodrecht op zowel a = (2, 3, 5) als b = (0, −3, −4) en heeft een positieve z-component. Bepaal zijn y-component n̂y.

a = (2, 3, 5)b = (0, −3, −4)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegralenGemiddeld
xy12,5y = x ln x

Bereken I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.IntegralenMoeilijk
xy−22

Bereken de oppervlakte A van het gebied tussen de parabool y = 4 − x² en de x-as.

y = 4 − x²
A =
9.Multivariabele analyseGemiddeld

z = 4x³y³ − x² − 2y³ − xy met x = −3t + 2 en y = t² − 2. Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = 0.

z = 4x³y³ − x² − 2y³ − xyx = −3t + 2y = t² − 2t = 0
dz/dt =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xyx = 2y = x2

De integraal I = ∫02 ∫y2 1/(1 + x²)² dx dy kan niet in deze volgorde worden uitgerekend. Keer de volgorde van integratie om en bereken haar.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 2
I =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
xx₀ = 2??R

De machtreeks Σk=1∞ k!·(x − 2)ᵏ/kᵏ convergeert op een interval rond x₀ = 2. Bepaal het rechteruiteinde x van dat interval.

Σ k!·(x − 2)ᵏ/kᵏx₀ = 2
x =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

Bepaal de coëfficiënt c₃ van (x − 1)³ in de Taylorreeks van f(x) = ∛x rond a = 1.

f(x) = ∛xa = 1k = 3
c₃ =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−2−424

Bepaal f(t) voor F(s) = (s + 1)/(s² + 8s + 32) door het kwadraat af te splitsen, en bereken f(0,5).

F(s) = (s + 1)/(s² + 8s + 32)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t), met y(0) = 2 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 4 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,25) te bepalen.

y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t310h(t)t44

De puls x(t) = 10 voor 0 ≤ t < 3 s wordt geconvolueerd met h(t), een driehoek die lineair daalt van 4 bij t = 0 naar 0 bij t = 4 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(4) = 0
Ay =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
δ(t)y′ + 0,5y = 3xh(t)

Een systeem voldoet aan y′(t) + 0,5·y(t) = 3·x(t). Bepaal zijn impulsresponsie bij t = 0,8 s, h(0,8).

y′ + 0,5y = 3xt = 0,8 s
h(0.8) =

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) = 0,8924

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 = et
(ety)′ = 3e−t

Algemene oplossing

y = 3/(−1)·e−2t + C·e−t = −3·e−2t + C·e−t

Beginvoorwaarde

4 = −3 + C → C = 7

Bereken

y(2) = −3·0,01832 + 7·0,1353 = 0,8924

Antwoord

y(2) = 0,8924
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c22 = 26

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 = 3·2 + 5·4 = 26

Antwoord

c22 = 26
4.Matrices & determinanten

Antwoord: λ = 3

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 − (−1)λ + (−12) = 0

Oplossen

λ = (−1 ± √(49))/2 → λ = −4, 3
λ = 3

Antwoord

λ = 3
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: compb a = 1,789

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 = 0·2 + 4·1 + (−2)·0 = 4

Lengte van b

|b| = √(2² + 1² + 0²) = 2,236

Scalaire projectie

compb a = a·b/|b| = 4/2,236 = 1,789

Antwoord

compb a = 1,789
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂y = −0,7663

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 = 3·(−4) − 5·(−3) = 3
(a × b)y = azbx − axbz = 5·0 − 2·(−4) = 8
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−3) − 3·0 = −6

Normeren

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

|a × b| = √(3² + 8² + (−6)²) = 10,44
n̂ = −(3, 8, −6)/10,44 = (−0,2873, −0,7663, 0,5747)
n̂y = −0,7663

Antwoord

n̂y = −0,7663
7.Integralen

Antwoord: I = 1,551

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitieve

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limieten

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Antwoord

I = 1,551
8.Integralen

Antwoord: A = 10,67

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

4 − x² = 0 → x = ±2

Integreren

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Antwoord

A = 10,67
9.Multivariabele analyse

Antwoord: dz/dt = 1158

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) = −2
dx/dt = −3, dy/dt = 2t = 0

Partiële afgeleiden

fx = 12x²y³ − 2x − y = −386
fy = 12x³y² − 6y² − x = 358

Kettingregel

dz/dt = (−386)·(−3) + 358·0 = 1158

Antwoord

dz/dt = 1158
10.Multivariabele analyse

Antwoord: I = 0,4

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).

Gebied

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 2

Omgekeerde volgorde

I = ∫02 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫02 x·1/(1 + x²)² dx

Substitutie u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]02 = 0,4

Antwoord

I = 0,4
11.Rijen & reeksen

Antwoord: x = 4,718

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 + 1/k)ᵏ → e

Straal

R = 2,718

Interval

−0,7183 < x < 4,718
x = 4,718

Antwoord

x = 4,718

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

12.Rijen & reeksen

Antwoord: c₃ = 0,06173

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.

Afgeleide f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 0,3704·x1/3 − 3

Coëfficiënt

c₃ = 0,3704·11/3 − 3/3! = 0,06173
c₃ = 0,06173

Antwoord

c₃ = 0,06173
13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.5) = −0,1486

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 + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Pas de teller aan

F(s) = 1·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (−3/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Inverse transformatie

f(t) = e−4t·(cos 4t − 0,75·sin 4t)
f(0,5) = e−4·0,5·(cos(4·0,5) − 0,75·sin(4·0,5)) = −0,1486

Antwoord

f(0,5) = −0,1486
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.25) = 6,797

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 + 10s + 24)·Y(s) = 2s + 20 + 384/s
Y(s) = (2s² + 20s + 384)/(s(s + 4)(s + 6))

Partieelbreuken

A = 384/(4·6) = 16
B = 336/((−4)·2) = −42
C = 336/((−6)·(−2)) = 28

Resultaat

y(t) = 16 − 42·e−4t + 28·e−6t
y(0,25) = 6,797

Antwoord

y(0,25) = 6,797

Controle: y(0) = A + B + C = 2.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 240

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 = 10·3 = 30
∫h dt = ½·4·4 = 8

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 30·8 = 240

Antwoord

Ay = 240
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: h(0.8) = 2,011

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)|.

Overdrachtsfunctie

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 0,5)

Impulsresponsie

h(t) = 3·e−0,5tu(t)
h(0,8) = 3·e−0,4 = 2,011

Antwoord

h(0,8) = 2,011

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