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
tyy(0) = 5y(2) = ?

Rozwiąż y″ + 6y′ + 9y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 4. Wyznacz y(2).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(2) =
2.Równania różniczkoweTrudny
ty1,5y(1,5) = ?

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

y′ + 0,5y = 2e−ty(0) = 1
y(1.5) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−4−53−4−3−1−134

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−4 −5 3; −4 −3 −1; −1 3 4]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =6−454b =7−1

Rozwiąż układ 6x − 4y = 7 i 5x + 4y = −1. Wyznacz x.

6x − 4y = 75x + 4y = −1
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź wartość k, dla której wektory a = (6, −1, −1) i b = (−2, k, −2) są prostopadłe.

a = (6, −1, −1)b = (−2, k, −2)
k =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (5, −3, −1) i b = (−6, 6, −2).

a = (5, −3, −1)b = (−6, 6, −2)
A =
7.CałkiŚredni
xy3y = 2x

Obszar pod krzywą y = 2x od x = 0 do x = 3 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (stożka).

y = 2x0 ≤ x ≤ 3
V =
8.CałkiTrudny
xy4y = 4xy = x²

Obszar między prostą y = 4x a parabolą y = x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.

y = 4xy = x²
V =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy024−4−20PQ

Dla f(x, y) = −4x²y + x² − 2y² − 4xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie P(2, −2) w kierunku punktu Q(1, −4).

f(x, y) = −4x²y + x² − 2y² − 4xyP = (2, −2)Q = (1, −4)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy02−20(1, −2)

Funkcja f(x, y) = x² + 3xy + 2y² + 4x + 5y + 2 ma punkt krytyczny w (1, −2). Oblicz tam wyróżnik D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x² + 3xy + 2y² + 4x + 5y + 2P = (1, −2)
D =
11.Ciągi i szeregiŚredni
kSn​12345678910S = ?

Znajdź sumę S = Σk=1∞ 6/(k(k + 4)).

ak = 6/(k(k + 4))
S =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Funkcję f(x) = eˣ przybliżono jej wielomianem Maclaurina stopnia 2 w punkcie x = 0,2. Użyj oszacowania Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! z M = e0,2 = 1,221, aby znaleźć największy możliwy błąd |R₂|.

f(x) = eˣn = 2x = 0,2M = 1,221
|R₂| =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,25).

F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Rozwiąż y″ + 5y′ + 6y = 0 dla y(0) = 2 i y′(0) = 10 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 10t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t1h(t)t1

Wejście x(t) = 1·e−6tu(t) podano na układ o h(t) = e−4tu(t). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s.

x(t) = 1·e−6tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)0,5124−4

Fala prostokątna przełącza się między +4 a −4 z okresem T = 1 ms (po pół okresu na każdym poziomie). Wyznacz amplitudę c7 jej składowej Fouriera przy 7000 Hz.

±4T = 1 msf = 7000 Hz
c7 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(2) = 0,1066

Liniowe równania drugiego rzędu: dla y″ + b·y′ + c·y = 0 spróbuj y = ert: otrzymasz równanie charakterystyczne r² + b·r + c = 0. Dwa różne pierwiastki rzeczywiste r₁ ≠ r₂ dają y = A·er₁t + B·er₂t (tłumienie nadkrytyczne); pierwiastek podwójny r daje y = (A + Bt)·ert (tłumienie krytyczne); pierwiastki zespolone −α ± jω dają y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (tłumienie podkrytyczne, drgania). Wartości początkowe y(0) i y′(0) wyznaczają A i B. Zapisane jako y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn jest częstością drgań własnych, a ζ współczynnikiem tłumienia: dla ζ < 1 występują drgania. Przy stałym wymuszeniu y″ + by′ + cy = c·K rozwiązaniem jest wartość ustalona K plus odpowiedź swobodna.

Pierwiastek podwójny

(r + 3)² = 0 → r = −3

Stałe

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 4 + 15 = 19

Oblicz

y(2) = (5 + 19·2)·e−6 = 0,1066

Odpowiedź

y(2) = 0,1066
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 1,469

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 2e−0,5t

Rozwiązanie ogólne

y = 2/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −4·e−t + C·e−0,5t

Warunek początkowy

1 = −4 + C → C = 5

Oblicz

y(1,5) = −4·0,2231 + 5·0,4724 = 1,469

Odpowiedź

y(1,5) = 1,469
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −94

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.

Minory 2×2 pierwszego wiersza

M₁₁ = −9, M₁₂ = −17, M₁₃ = −15

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−4)·(−9) − (−5)·(−17) + 3·(−15) = −94

Odpowiedź

det A = −94
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 0,5455

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 = 6·4 − (−4)·5 = 44

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = 7·4 − (−4)·(−1) = 24
x = 24/44 = 0,5455

Odpowiedź

x = 0,5455
y = −0,9318
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: k = −10

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.

Iloczyn skalarny równa się zero

a·b = 6·(−2) + (−1)·k + (−1)·(−2) = 0
−10 + (−1)·k = 0

Wyznacz k

k = −(−10)/(−1) = −10

Odpowiedź

k = −10
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 23,32

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

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·(−2) − (−1)·6 = 12
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−6) − 5·(−2) = 16
(a × b)z = axby − aybx = 5·6 − (−3)·(−6) = 12

Powierzchnia

A = |a × b| = √(12² + 16² + 12²) = 23,32

Odpowiedź

A = 23,32
7.Całki

Odpowiedź: V = 113,1

Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.

Metoda dysków

V = π∫₀3 4x² dx

Całkuj

V = π·4·3³/3 = 113,1

Odpowiedź

V = 113,1

Sprawdzenie: stożek o promieniu 6 i wysokości 3 ma (1/3)πr²h = 113,1.

8.Całki

Odpowiedź: V = 428,9

Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.

Punkty przecięcia

4x = 1x² → x = 0, x = 4

Metoda pierścieni

V = π∫₀4 ((4x)² − (1x²)²) dx

Całkuj

V = π(16·4³/3 − 1·4⁵/5) = π·136,5 = 428,9

Odpowiedź

V = 428,9
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = −5,367

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 = −8xy + 2x − 4y → fx(2, −2) = 44
fy = −4x² − 4y − 4x → fy(2, −2) = −16

Wersor

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

Iloczyn skalarny

Duf = 44·(−0,4472) + (−16)·(−0,8944) = −5,367

Odpowiedź

Duf = −5,367
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: D = −1

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).

Pochodne drugiego rzędu

fxx = 2, fyy = 4, fxy = 3

Wyróżnik

D = 2·4 − 3² = −1
→ punkt siodłowy

Odpowiedź

D = −1
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 3,125

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.

Ułamki proste

6/(k(k + 4)) = (6/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Anuluj

S = (6/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 3,125

Odpowiedź

S = 3,125
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: |R₂| = 0,001629

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.

Ograniczenie pochodnej

M = e0,2 = 1,221

Oszacowanie Lagrange’a

|R₂| ≤ 1,221·0,2³/3! = 0,001629

Odpowiedź

|R₂| = 0,001629

Prawdziwy błąd jest mniejszy: |f(0,2) − P₂(0,2)| = 0,001403.

13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.25) = 0,4977

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).

Ułamki proste

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 30/(3·5) = 2
B = 30/((−3)·2) = −5
C = 30/((−5)·(−2)) = 3

Transformata odwrotna

f(t) = 2 − 5·e−3t + 3·e−5t

Oblicz

f(0,25) = 2 − 5·e−3·0,25 + 3·e−5·0,25 = 0,4977

Odpowiedź

f(0,25) = 0,4977
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.2) = 3,042

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

s²Y − 2s − 10 + 5(sY − 2) + 6Y = 0
Y(s) = (2s + 20)/((s + 2)(s + 3))

Ułamki proste

A = 16/1 = 16
B = 14/(−1) = −14

Wynik

y(t) = 16·e−2t − 14·e−3t
y(0,2) = 3,042

Odpowiedź

y(0,2) = 3,042

Sprawdzenie: y(0) = A + B = 2.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 0,0001647

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).

Całka splotu

y(t) = 1e−4t∫₀ᵗ e−(6 − 4)τ dτ = 1(e−4t − e−6t)/(2)

Oblicz

y(2) = 1·(0,0003355 − 6,144 × 10⁻⁶)/(2) = 0,0001647

Odpowiedź

y(2) = 0,0001647
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c7 = 0,7276

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)|.

Numer harmonicznej

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 7000/1000 = 7

Amplituda

c7 = 4·4/(7π) = 0,7276

Odpowiedź

c7 = 0,7276

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