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)17Ta​T = ?

Een gesmeed stalen onderdeel van 460 °C koelt af in een werkplaats van 29 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,04 min⁻¹ de temperatuur T na 17 min.

T0 = 460 °CTa = 29 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 17 min
T = °C
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)t = ?48 kg

Een tank bevat 400 L zuiver water. Pekel met 0,2 kg zout per liter stroomt in met 5 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Na hoeveel minuten t bevat de tank 48 kg zout?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =−114−1−3−4142

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

A = [−1 1 4; −1 −3 −4; 1 4 2]
det A =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =1646b =3−2

Los het stelsel x + 6y = 3 en 4x + 6y = −2 op. Bereken x.

x + 6y = 34x + 6y = −2
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de hoek θ tussen de vectoren a = (−1, −6, 3) en b = (−1, 0, −1), in graden.

a = (−1, −6, 3)b = (−1, 0, −1)
θ = °
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

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

a = (4, −2, 2)b = (5, 4, −5)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegralenGemiddeld
xy12y = x ln x

Bereken I = ∫₁2 x·ln x dx.

∫₁2 x ln x dx
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

z = 3 ln(x² + 4y²) met x = t − 2 en y = −2t² + 1. Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = −1.

z = 3 ln(x² + 4y²)x = t − 2y = −2t² + 1t = −1
dz/dt =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

Bepaal de kritieke punten van f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy, classificeer ze en geef de waarde fmin van f in het lokale minimum.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞DΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ 10ᵏ/k!B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 2ᵏ/k²D: Σ (1/2)ᵏ
  1. 1A: Σ 10ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k²
  4. 4D: Σ (1/2)ᵏ
12.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₂1,2

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 2 van f(x) = cos x om f(1,2) te benaderen. Geef P₂(1,2).

f(x) = cos xn = 2x = 1,2
P₂(1.2) =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (6s + 33)/(s² + 13s + 42). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (6s + 33)/(s² + 13s + 42)
A =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 6y′ + 8y = 48·u(t). Het begint in rust (y(0) = 0, y′(0) = 0) en de ingang is een stap u(t) = 2 voor t ≥ 0. Gebruik de Laplacetransformatie om de uitgang y(0,4) te bepalen.

y″ + 6y′ + 8y = 48·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t2h(t)t0,251

Een systeem heeft de impulsresponsie h(t) = e−4tu(t). De ingang is een stap x(t) = 2·u(t). Bepaal de uitgang y(1) bij t = 1 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 1 s
y(1) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
δ[n]3+h[n]0,6·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] en start in rust. Bepaal het monster h[5] van zijn impulsresponsie.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 247,4 °C

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.

Oplossing van de afkoelingswet

T(t) = 29 + 431·e−0,04t

Vul t in

T(17) = 29 + 431·0,5066 = 247,4 °C

Antwoord

T = 247,4 °C
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 73,3 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.

Resultaat

m(t) = 80 + (−80)·e−t/80

Los op naar t

e−t/80 = (80 − 48)/(80 − 0) = 0,4
t = 80·ln(2,5) = 73,3 min

Antwoord

t = 73,3 min
3.Matrices & determinanten

Antwoord: det A = −16

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 = 10, M₁₂ = 2, M₁₃ = −1

Cofactorontwikkeling

det A = (−1)·10 − 1·2 + 4·(−1) = −16

Antwoord

det A = −16
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −1,667

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 = 1·6 − 6·4 = −18

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 3·6 − 6·(−2) = 30
x = 30/(−18) = −1,667

Antwoord

x = −1,667
y = 0,7778
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: θ = 102 °

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 = (−1)·(−1) + (−6)·0 + 3·(−1) = −2

Groottes

|a| = √((−1)² + (−6)² + 3²) = 6,782
|b| = √((−1)² + 0² + (−1)²) = 1,414

Hoek

cos θ = −2/(6,782·1,414) = −0,2085
θ = arccos(−0,2085) = 102°

Antwoord

θ = 102°
6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂y = 0,7547

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)·(−5) − 2·4 = 2
(a × b)y = azbx − axbz = 2·5 − 4·(−5) = 30
(a × b)z = axby − aybx = 4·4 − (−2)·5 = 26

Normeren

De z-component van a × b is al positief.

|a × b| = √(2² + 30² + 26²) = 39,75
n̂ = (2, 30, 26)/39,75 = (0,05032, 0,7547, 0,6541)
n̂y = 0,7547

Antwoord

n̂y = 0,7547
7.Integralen

Antwoord: I = 0,6363

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

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363

Antwoord

I = 0,6363
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: dz/dt = −8,769

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

Partiële afgeleiden

fx = 6x/(x² + 4y²) = −1,385
fy = 24y/(x² + 4y²) = −1,846

Kettingregel

dz/dt = (−1,385)·1 + (−1,846)·4 = −8,769

Antwoord

dz/dt = −8,769
10.Multivariabele analyse

Antwoord: fmin = −32

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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Tweede-afgeleidentest

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → zadelpunt
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → lokaal minimum
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → lokaal minimum

Waarde in het extremum

f(−2, −2) = −32

Antwoord

fmin = −32
11.Rijen & reeksen

Antwoord: C: Σ 2ᵏ/k²

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 10ᵏ/k! → Quotiëntcriterium: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, convergeert.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternerend, met 1/k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
C: Σ 2ᵏ/k² → Quotiëntcriterium: L = 2 > 1, divergeert.
D: Σ (1/2)ᵏ → Meetkundig met r = 1/2, |r| < 1: convergeert.

Het antwoord

C: Σ 2ᵏ/k²

Antwoord

C: Σ 2ᵏ/k²
12.Rijen & reeksen

Antwoord: P₂(1.2) = 0,28

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

P₂(x) = 1 − 0,5x²

Invullen

P₂(1,2) = 1 − 0,72 = 0,28

Antwoord

P₂(1,2) = 0,28

De exacte waarde is f(1,2) = 0,362358; de fout 0,0823578 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

13.Laplacetransformaties

Antwoord: A = −3

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 + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 6) en vul s = −6 in: de B-term valt weg.

A = (6s + 33)/(s + 7) |s = −6 = −3/1 = −3

Antwoord

A = −3
(B = 9, dus f(t) = −3·e−6t + 9·e−7t)
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.4) = 3,639

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

Y(s) = 96/(s(s + 2)(s + 4))

Partieelbreuken

A = 96/(2·4) = 12
B = 96/((−2)·2) = −24
C = 96/((−4)·(−2)) = 12

Output

y(t) = 12 − 24·e−2t + 12·e−4t
y(0,4) = 3,639

Antwoord

y(0,4) = 3,639
15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(1) = 0,4908

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) = 2·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (2/4)·(1 − e−4t)

Bereken

y(1) = 0,5·(1 − e−4) = 0,4908

Antwoord

y(1) = 0,4908
16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: h[5] = 0,2333

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] = 3
h[1] = 1,8
h[2] = 1,08
h[3] = 0,648
h[4] = 0,3888
h[5] = 0,2333

Resultaat

h[5] = 3·(0,6)5 = 0,2333

Antwoord

h[5] = 0,2333

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