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) = 2y(1) = ?

Los y″ + 5y′ + 4y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = -4. Bepaal y(1).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(1) =
2.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 10ymax​ = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal de piekwaarde ymax van zijn staprespons.

y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matrices & determinantenGemiddeld
A =5−2−1−3B =23−43

Stel C = AB voor de getoonde matrices. Bereken het element c11 (rij 1, kolom 1).

A = [5 −2; −1 −3]B = [2 3; −4 3]
c11 =
4.Matrices & determinantenMoeilijk
A =−3516b =3−5

Los het stelsel −3x + 5y = 3 en x + 6y = −5 op. Bereken x.

−3x + 5y = 3x + 6y = −5
x =
5.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de scalaire projectie compb a van a = (3, 7, 1) op b = (−5, −4, 4), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.

a = (3, 7, 1)b = (−5, −4, 4)
compb a =
6.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

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

a = (−6, 3, −2)b = (3, −6, −1)
(a × b)z =
7.IntegralenGemiddeld
xy1y = √(2x)

Het gebied onder y = √(2x) van x = 0 tot x = 1 wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam (een paraboloïde).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegralenMoeilijk
xy1y = xy = x²

Het gebied tussen de lijn y = x en de parabool y = x² wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam.

y = xy = x²
V =
9.Multivariabele analyseGemiddeld

z = −y·e3xy met x = t en y = −t². Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = 1.

z = −y·e3xyx = ty = −t²t = 1
dz/dt =
10.Multivariabele analyseMoeilijk
xyx = 1y = 2x12

Bereken I = ∬T (x − 2y) dA over de driehoek T begrensd door y = 0, x = 1 en y = 2x.

f = x − 2y0 ≤ x ≤ 10 ≤ y ≤ 2x
I =
11.Rijen & reeksenGemiddeld
kSn​12345678910S = ?

Bepaal de som S = Σk=1∞ 5/(k(k + 1)).

ak = 5/(k(k + 1))
S =
12.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = eˣ wordt in x = 2 benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad n. Bepaal met de Lagrange-grens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! en M = 8 de kleinste graad n die een fout kleiner dan 0,0001 garandeert.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,0001
n =
13.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 4)) met partieelbreuken, en bereken f(0,75).

F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 4))t = 0,75 s
f(0.75) =
14.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t), met y(0) = 5 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 2 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,2) te bepalen.

y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t22h(t)t45

De puls x(t) = 2 voor 0 ≤ t < 2 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 5 voor 0 ≤ t < 4 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(2,5) bij t = 2,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 2,5 s
y(2.5) =
16.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)1020405−5

Een driehoeksgolf stijgt en daalt lineair tussen −5 en +5 met periode T = 20 ms. Bepaal de amplitude c5 van zijn fouriercomponent bij 250 Hz.

±5T = 20 msf = 250 Hz
c5 =

3Oplossingen

1.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1) = 0,5027

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 = 2, −1A − 4B = -4
A = 1,333, B = 0,6667

Bereken

y(1) = 1,333·e−1 + 0,6667·e−4 = 0,5027

Antwoord

y(1) = 0,5027
2.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: ymax = 13,08

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 ± 4j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −3,75

Piek

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/4) = 13,08

Antwoord

ymax = 13,08
3.Matrices & determinanten

Antwoord: c11 = 18

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

c11 = 5·2 + (−2)·(−4) = 18

Antwoord

c11 = 18
4.Matrices & determinanten

Antwoord: x = −1,87

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.

Determinant van de coëfficiëntenmatrix

det A = (−3)·6 − 5·1 = −23

De x-kolom vervangen

det Aₓ = 3·6 − 5·(−5) = 43
x = 43/(−23) = −1,87

Antwoord

x = −1,87
y = −0,5217
5.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: compb a = −5,166

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 = 3·(−5) + 7·(−4) + 1·4 = −39

Lengte van b

|b| = √((−5)² + (−4)² + 4²) = 7,55

Scalaire projectie

compb a = a·b/|b| = −39/7,55 = −5,166

Antwoord

compb a = −5,166

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

6.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: (a × b)z = 27

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 = 3·(−1) − (−2)·(−6) = −15
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·3 − (−6)·(−1) = −12
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·(−6) − 3·3 = 27

Gevraagde component

(a × b)z = 27

Antwoord

(a × b)z = 27

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

7.Integralen

Antwoord: V = 3,142

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∫₀1 2x dx

Integreren

V = π·2·1²/2 = 3,142

Antwoord

V = 3,142
8.Integralen

Antwoord: V = 0,4189

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.

Snijpunten

1x = 1x² → x = 0, x = 1

Ringmethode

V = π∫₀1 ((1x)² − (1x²)²) dx

Integreren

V = π(1·1³/3 − 1·1⁵/5) = π·0,1333 = 0,4189

Antwoord

V = 0,4189
9.Multivariabele analyse

Antwoord: dz/dt = −0,3485

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

Partiële afgeleiden

fx = −3y²e3xy = −0,1494
fy = −e3xy(1 + 3xy) = 0,09957

Kettingregel

dz/dt = (−0,1494)·1 + 0,09957·(−2) = −0,3485

Antwoord

dz/dt = −0,3485
10.Multivariabele analyse

Antwoord: I = −0,6667

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 ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2x

Binnenste integraal

∫02x (x − 2y) dy = x·2x − 2·(2x)²/2 = −2x²

Buitenste integraal

I = −2·1³/3 = −0,6667

Antwoord

I = −0,6667
11.Rijen & reeksen

Antwoord: S = 5

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 + 1)) = 5·(1/k − 1/(k + 1))

Annuleren

S = 5·1 = 5

Antwoord

S = 5
12.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 11

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)!grens011612162610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105114790016006,841 × 10⁻⁵

Grenzen voor toenemende n

n = 10: 0,0004105 ≥ 0,0001
n = 11: 6,841 × 10⁻⁵ < 0,0001

Kleinste graad

n = 11

Antwoord

n = 11
13.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.75) = 2,901

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).

Partieelbreuken

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 4)
A = 30/(1·4) = 7,5
B = 30/((−1)·3) = −10
C = 30/((−4)·(−3)) = 2,5

Inverse transformatie

f(t) = 7,5 − 10·e−t + 2,5·e−4t

Bereken

f(0,75) = 7,5 − 10·e−0,75 + 2,5·e−4·0,75 = 2,901

Antwoord

f(0,75) = 2,901
14.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.2) = 5,458

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 + 7s + 12)·Y(s) = 5s + 35 + 96/s
Y(s) = (5s² + 35s + 96)/(s(s + 3)(s + 4))

Partieelbreuken

A = 96/(3·4) = 8
B = 36/((−3)·1) = −12
C = 36/((−4)·(−1)) = 9

Resultaat

y(t) = 8 − 12·e−3t + 9·e−4t
y(0,2) = 5,458

Antwoord

y(0,2) = 5,458

Controle: y(0) = A + B + C = 5.

15.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(2.5) = 20

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).

Overlap van de gespiegelde puls

h(t − τ) is de puls van h, gespiegeld en zo verschoven dat hij eindigt bij τ = t.

τ ∈ [0, 2] → lengte 2 s

Integraal

y(2,5) = 2·5·2 = 20

Antwoord

y(2,5) = 20

y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 20 en daalt terug naar 0 bij t = 6 s.

16.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c5 = 0,1621

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 = 50 Hz → k = 5

Amplitude

c5 = 8·5/(π²·5²) = 0,1621

Antwoord

c5 = 0,1621

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