Matematyka inżynierska 2: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 16 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Równania różniczkowe

Wzrost/zanik wykładniczy
dy/dt = ky → y = y0ekt
Okres połowicznego rozpadu
k = ln 2 / t½
Prawo stygnięcia Newtona
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Czynnik całkujący
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Zbiornik z mieszaniem
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Macierze i wyznaczniki

wyznacznik 2×2
det = ad − bc
Macierz odwrotna 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produkt
(AB)ij = Σk AikBkj
Wartości własne
det(A − λI) = 0
Wzory Cramera
xi = det(Ai)/det(A)

Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Długość
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Wersor
û = a/|a|
Składowe z kąta
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Iloczyn skalarny
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Rzut skalarny a na b
a·b/|b|
Praca
W = F·d
Iloczyn wektorowy
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Pola
równoległobok |a × b|, trójkąt ½|a × b|
Moment względem O
MO = r × F, r = A − O
Objętość równoległościanu
V = |a·(b × c)|

Metoda

  1. Zapisz każdy wektor w składowych; dla siły podanej przez wartość i kąt użyj F·cos θ i F·sin θ.
  2. Do długości i kierunków użyj długości √(x² + y² + z²) i wersora a/|a|.
  3. Iloczyn skalarny stosuj do kątów, rzutów, prostopadłości i pracy: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Iloczyn wektorowy stosuj do wektorów prostopadłych, pól i momentów: starannie zapisz trzy składowe, zachowując kolejność a × b.

Całki

Pochodna potęgi
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Całka oznaczona
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Podstawowe całki
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Pole między krzywymi
∫ab (f − g) dx

Metoda

  1. Tam, gdzie to możliwe, zapisz funkcję podcałkową jako sumę prostych wyrazów.
  2. Zastosuj wzór na całkę potęgi: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) oraz całki podstawowe dla ex, 1/x, sin i cos.
  3. Użyj podstawienia, gdy widzisz razem funkcję i jej pochodną.
  4. Dla całki oznaczonej oblicz F(b) − F(a).

Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Pochodne cząstkowe
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Pochodna kierunkowa
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Płaszczyzna styczna
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Reguła łańcuchowa
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test drugiej pochodnej
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Całka podwójna
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Współrzędne biegunowe
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Metoda

  1. Przy pochodnej cząstkowej traktuj drugą zmienną jak stałą i używaj reguł dla jednej zmiennej.
  2. W zadaniach o gradiencie oblicz ∇f = (fx, fy) w punkcie; użyj |∇f| dla największego nachylenia i ∇f·u z wektorem jednostkowym u dla pochodnej kierunkowej.
  3. Dla ekstremów rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0, a potem sklasyfikuj każdy punkt przez D = fxx·fyy − fxy².
  4. Dla całki podwójnej naszkicuj obszar, wybierz kolejność (lub współrzędne biegunowe dla kół), aby granice wewnętrzne były krzywymi ograniczającymi, i całkuj najpierw wewnątrz.

Ciągi i szeregi

Ciąg arytmetyczny
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Ciąg geometryczny
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Nieskończony szereg geometryczny
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Szereg p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Kryterium d’Alemberta
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Promień zbieżności
R = lim |ck/ck+1|
Wielomian Taylora
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Szereg Maclaurina
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Oszacowanie Lagrange’a
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metoda

  1. Rozpoznaj typ: arytmetyczny (stała różnica), geometryczny (stały iloraz), szereg standardowy, szereg potęgowy lub wielomian Taylora.
  2. Dla sum użyj Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) albo S = a₁/(1 − r), gdy |r| < 1, gdzie a₁ to pierwszy wyraz sumy.
  3. Dla zbieżności: najpierw warunek konieczny, potem porównanie z Σ1/kᵖ lub szeregiem geometrycznym, a dla silni i potęg o wykładniku k użyj kryterium d’Alemberta lub Cauchy’ego.
  4. Dla wielomianów Taylora wypisz f(a), f′(a), f″(a), …, podziel k-tą pochodną przez k! i oszacuj błąd przez M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Splot i układy liniowe stacjonarne

Splot dyskretny
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Splot ciągły
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Długość i suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Początek, koniec i pole
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Skok na wejściu e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Układ pierwszego rzędu
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekurencja pierwszego rzędu
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoida przechodząca przez h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudy szeregu Fouriera
prostokątna ±A: 4A/(kπ), k nieparzyste; trójkątna ±A: 8A/(π²k²), k nieparzyste; ciąg impulsów: A·D oraz (2A/(kπ))|sin kπD|

Metoda

  1. Naszkicuj oba sygnały i zaznacz, gdzie każdy z nich jest niezerowy.
  2. Odwróć h i przesuwaj je: dla każdej chwili wyjścia znajdź zakres, w którym oba sygnały się nakładają.
  3. Mnóż i dodawaj (dyskretnie) lub mnóż i całkuj (ciągle) tylko po tym nakładaniu.
  4. Sprawdź wynik: wyjście zaczyna się w sumie czasów początkowych, kończy w sumie czasów końcowych, a jego pole lub suma jest iloczynem pól lub sum wejść.

2Zadania do ćwiczenia

1.Równania różniczkoweŚredni
t (min)T (°C)13Ta​34 °C28 °C

Filiżankę kawy o temperaturze 82 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 19 °C. Po 13 min jej temperatura wynosi 34 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 28 °C?

T0 = 82 °CTa = 19 °CT(13) = 34 °CT = 28 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
ty1,5y(1,5) = ?

Rozwiąż y′ + 2y = 7e−0,5t z y(0) = 2. Wyznacz y(1,5).

y′ + 2y = 7e−0,5ty(0) = 2
y(1.5) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−11−33B =4−4−46

Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c21 (wiersz 2, kolumna 1).

A = [−1 1; −3 3]B = [4 −4; −4 6]
c21 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =5331b =−3−3

Rozwiąż układ 5x + 3y = −3 i 3x + y = −3. Wyznacz x.

5x + 3y = −33x + y = −3
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź iloczyn skalarny a·b wektorów a = (6, −7, −5) i b = (−3, 0, −3).

a = (6, −7, −5)b = (−3, 0, −3)
a·b =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Dla a = (−3, 3, −1) i b = (−4, 2, −2) znajdź składową x, czyli (a × b)x, iloczynu wektorowego a × b.

a = (−3, 3, −1)b = (−4, 2, −2)
(a × b)x =
7.CałkiŚredni
xy01

Oblicz I = ∫01 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
8.CałkiTrudny
xy−22

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 4 − x² a osią x.

y = 4 − x²
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−4−202024vP

Dla f(x, y) = 2x³y³ + 4x³ − 4y³ + 4xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (−1, 2) w kierunku v = (−1, 2).

f(x, y) = 2x³y³ + 4x³ − 4y³ + 4xyP = (−1, 2)v = (−1, 2)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = xy = x²11

Znajdź pole I = ∬R 1 dA obszaru R między parabolą y = x² a prostą y = x.

y = x²y = xf = 1
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ 2ᵏ/k!B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 1/(3ᵏ + k)D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 1/(3ᵏ + k)
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Ciągi i szeregiTrudny

Znajdź współczynnik c₂ przy (x − 2)² w szeregu Taylora funkcji f(x) = eˣ w punkcie a = 2.

f(x) = eˣa = 2k = 2
c₂ =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−5−10−15−20

Znajdź f(t) dla F(s) = (2s + 40)/(s² + 8s + 25) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,3).

F(s) = (2s + 40)/(s² + 8s + 25)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 2y = 4·u(t), przy y(0) = 3 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 10. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(1,2).

y″ + 3y′ + 2y = 4·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 1,2 s
y(1.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t33h(t)t42

Impuls x(t) = 3 dla 0 ≤ t < 3 s (poza tym zero) podano na układ o odpowiedzi impulsowej h(t) = 2 dla 0 ≤ t < 4 s (poza tym zero). Wyznacz wyjście y(0,5) w t = 0,5 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 0,5 s
y(0.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ(t)y′ + 1y = 3xh(t)

Układ spełnia równanie y′(t) + 1·y(t) = 3·x(t). Wyznacz jego odpowiedź impulsową w t = 0,2 s, h(0,2).

y′ + 1y = 3xt = 0,2 s
h(0.2) =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 17,63 min

Równania różniczkowe pierwszego rzędu: dy/dt = k·y ma rozwiązanie y = y₀·ekt (wzrost dla k > 0, zanik dla k < 0); okres połowicznego rozpadu T daje k = ln 2/T. Prawo stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ), daje T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Równanie liniowe y′ + p(x)·y = q(x) rozwiązuje się czynnikiem całkującym μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, więc μy = ∫μq dx + C.

Stała stygnięcia

k = ln(63/15)/13 = 0,1104 min⁻¹

Czas do osiągnięcia celu

t = ln(63/9)/0,1104 = 17,63 min

Odpowiedź

t = 17,63 min
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 2,072

Równania różniczkowe pierwszego rzędu: dy/dt = k·y ma rozwiązanie y = y₀·ekt (wzrost dla k > 0, zanik dla k < 0); okres połowicznego rozpadu T daje k = ln 2/T. Prawo stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ), daje T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Równanie liniowe y′ + p(x)·y = q(x) rozwiązuje się czynnikiem całkującym μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, więc μy = ∫μq dx + C.

Czynnik całkujący

μ = e2t
(e2ty)′ = 7e1,5t

Rozwiązanie ogólne

y = 7/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 4,667·e−0,5t + C·e−2t

Warunek początkowy

2 = 4,667 + C → C = −2,667

Oblicz

y(1,5) = 4,667·0,4724 + (−2,667)·0,04979 = 2,072

Odpowiedź

y(1,5) = 2,072
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c21 = −24

Macierze: wyznacznik macierzy 2×2 to ad − bc. Dla 3×3 rozwiń względem wiersza: każdy element razy wyznacznik macierzy 2×2, która zostaje po skreśleniu jego wiersza i kolumny, ze znakami na przemian + − +. Wartości własne λ spełniają det(A − λI) = 0; dla 2×2 to λ² − (ślad)·λ + det = 0.

Wiersz razy kolumna

c21 = (−3)·4 + 3·(−4) = −24

Odpowiedź

c21 = −24
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = −1,5

Macierze: wyznacznik macierzy 2×2 to ad − bc. Dla 3×3 rozwiń względem wiersza: każdy element razy wyznacznik macierzy 2×2, która zostaje po skreśleniu jego wiersza i kolumny, ze znakami na przemian + − +. Wartości własne λ spełniają det(A − λI) = 0; dla 2×2 to λ² − (ślad)·λ + det = 0.

Wyznacznik macierzy współczynników

det A = 5·1 − 3·3 = −4

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = (−3)·1 − 3·(−3) = 6
x = 6/(−4) = −1,5

Odpowiedź

x = −1,5
y = 1,5
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = −3

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.

Pomnóż odpowiadające sobie składowe i dodaj

a·b = 6·(−3) + (−7)·0 + (−5)·(−3) = (−18) + 0 + 15 = −3

Odpowiedź

a·b = −3

Ujemny: kąt między wektorami jest większy niż 90°.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: (a × b)x = −4

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.

Iloczyn wektorowy, składowa po składowej

(a × b)x = aybz − azby = 3·(−2) − (−1)·2 = −4
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−4) − (−3)·(−2) = −2
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·2 − 3·(−4) = 6

Żądana składowa

(a × b)x = −4

Odpowiedź

(a × b)x = −4

Sprawdzenie: a × b jest prostopadły do obu wektorów, więc jego iloczyn skalarny z a i z b jest równy zero.

7.Całki

Odpowiedź: I = 1,297

Całki oznaczone: ∫ₐᵇ f(x) dx to pole ze znakiem między wykresem a osią x od a do b. Znajdź funkcję pierwotną F (F′ = f) i oblicz F(b) − F(a). Reguła potęgowa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Pole między dwiema krzywymi to ∫(górna − dolna) dx.

Funkcja pierwotna

F(x) = e0,5x/0,5

Podstaw granice

I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297

Odpowiedź

I = 1,297
8.Całki

Odpowiedź: A = 10,67

Całki oznaczone: ∫ₐᵇ f(x) dx to pole ze znakiem między wykresem a osią x od a do b. Znajdź funkcję pierwotną F (F′ = f) i oblicz F(b) − F(a). Reguła potęgowa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Pole między dwiema krzywymi to ∫(górna − dolna) dx.

Miejsca zerowe

4 − x² = 0 → x = ±2

Całkuj

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

Odpowiedź

A = 10,67
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = −98,39

Gradient: ∇f = (fx, fy) wskazuje kierunek najszybszego wzrostu, a |∇f| to największa szybkość zmiany. Pochodna kierunkowa wzdłuż kierunku v to Duf = ∇f·u z wektorem jednostkowym u = v/|v|. Płaszczyzna styczna w (a, b) to z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); daje liniowe przybliżenie f w pobliżu tego punktu. Reguła łańcuchowa: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Gradient w punkcie

fx = 6x²y³ + 12x² + 4y → fx(−1, 2) = 68
fy = 6x³y² − 12y² + 4x → fy(−1, 2) = −76

Wersor

|v| = √((−1)² + 2²) = 2,236
u = (−0,4472, 0,8944)

Iloczyn skalarny

Duf = 68·(−0,4472) + (−76)·0,8944 = −98,39

Odpowiedź

Duf = −98,39
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,1667

Punkty krytyczne i całki podwójne: punkt krytyczny ma fx = fy = 0. Test drugiej pochodnej z D = fxxfyy − fxy²: D > 0 i fxx > 0 to minimum lokalne, D > 0 i fxx < 0 maksimum lokalne, D < 0 punkt siodłowy, a D = 0 nic nie rozstrzyga. Dla całki podwójnej po obszarze ogólnym granice wewnętrzne wyznaczają krzywe ograniczające obszar; dla kół i wycinków użyj współrzędnych biegunowych, x = r cos θ, y = r sin θ oraz dA = r dr dθ (nie zapomnij o czynniku r).

Punkty przecięcia

x² = x → x = 0, x = 1

Całka wewnętrzna

∫x²x 1 dy = x − x²

Całka zewnętrzna

I = ∫01 (x − x²) dx = 0,1667

Odpowiedź

I = 0,1667
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ ln k / k

Zbieżność: jeśli wyrazy nie dążą do 0, szereg jest rozbieżny (warunek konieczny). Σ1/kᵖ jest zbieżny tylko dla p > 1, a Σrᵏ tylko dla |r| < 1. Porównaj szereg z jednym z tych, gdy jego wyrazy dla dużych k zachowują się jak one. Kryterium d’Alemberta: L = lim |ak+1/ak|; kryterium Cauchy’ego: L = lim |ak|1/k. L < 1 oznacza zbieżność, L > 1 rozbieżność, L = 1 nie rozstrzyga. Szereg potęgowy Σck(x − x₀)ᵏ jest zbieżny dla |x − x₀| < R, gdzie R = lim |ck/ck+1|; szereg naprzemienny o wyrazach malejących do 0 jest zbieżny.

Zbadaj każdy szereg

A: Σ 2ᵏ/k! → Kryterium d’Alemberta: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, zbieżny.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Naprzemienny, 1/k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).
C: Σ 1/(3ᵏ + k) → Mniejszy niż (1/3)ᵏ, zbieżny szereg geometryczny: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
D: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.

Odpowiedź

D: Σ ln k / k

Odpowiedź

D: Σ ln k / k
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: c₂ = 3,695

Wielomiany Taylora: w pobliżu x = a funkcję gładką przybliża Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; dla a = 0 jest to wielomian Maclaurina. Szeregi standardowe: 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. Oszacowanie reszty Lagrange’a: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, gdzie M to największa wartość |f⁽ⁿ⁺¹⁾| między a i x.

Pochodna f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = eˣ

Współczynnik

c₂ = e2/2! = 3,695
c₂ = 3,695

Odpowiedź

c₂ = 3,695
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.3) = 2,891

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 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), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Dopełnienie do kwadratu

s² + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

Dopasuj licznik

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (32/3)·3/((s + 4)² + 3²)

Transformata odwrotna

f(t) = e−4t·(2·cos 3t + 10,67·sin 3t)
f(0,3) = e−4·0,3·(2·cos(3·0,3) + 10,67·sin(3·0,3)) = 2,891

Odpowiedź

f(0,3) = 2,891
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(1.2) = 11,3

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 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), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Przekształcenie równania

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 3s + 9 + 40/s
Y(s) = (3s² + 9s + 40)/(s(s + 1)(s + 2))

Ułamki proste

A = 40/(1·2) = 20
B = 34/((−1)·1) = −34
C = 34/((−2)·(−1)) = 17

Wynik

y(t) = 20 − 34·e−t + 17·e−2t
y(1,2) = 11,3

Odpowiedź

y(1,2) = 11,3

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 3.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(0.5) = 3

Splot ciągły: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Odwróć h, przesuń do położenia t i całkuj iloczyn nakładających się części. Dla sygnałów przyczynowych całka biegnie od 0 do t. Przydatne wyniki: pole pod y jest iloczynem pola pod x i pola pod h; jeśli x trwa od t₁ do t₂, a h od t₃ do t₄, to y trwa od t₁ + t₃ do t₂ + t₄. Dla h(t) = e−atu(t) i skoku o wysokości A mamy y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Nakładanie odwróconego impulsu

h(t − τ) to impuls h odwrócony i przesunięty tak, że kończy się w τ = t.

τ ∈ [0, 0,5] → długość 0,5 s

Całka

y(0,5) = 3·2·0,5 = 3

Odpowiedź

y(0,5) = 3

y(t) jest trapezem: rośnie od 0, utrzymuje się na 18 i spada z powrotem do 0 w t = 7 s.

16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h(0.2) = 2,456

Odpowiedź impulsowa i szereg Fouriera: odpowiedź impulsowa h(t) w pełni opisuje układ liniowy stacjonarny: dla y′ + a·y = b·x jest to h(t) = b·e−atu(t), a dla y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] jest to h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoida cos ωt przechodzi ze wzmocnieniem |H(jω)| i fazą ∠H(jω), gdzie H jest transformatą Fouriera h. Sygnał okresowy jest sumą harmonicznych przy k/T: fala prostokątna ±A ma tylko harmoniczne nieparzyste o amplitudach 4A/(kπ), fala trójkątna o szczycie A ma 8A/(π²k²), a ciąg impulsów o wysokości A i współczynniku wypełnienia D ma wartość średnią A·D i harmoniczne (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Transmitancja

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 1)

Odpowiedź impulsowa

h(t) = 3·e−1tu(t)
h(0,2) = 3·e−0,2 = 2,456

Odpowiedź

h(0,2) = 2,456

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