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)21Ta​18 °C

Puszkę napoju o temperaturze 4 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 23 °C. Po 21 min jej temperatura wynosi 18 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 4 °CTa = 23 °CT(21) = 18 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 10ymax​ = ?

Układ spełnia równanie y″ + y′ + 9,25y = 92,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.

y″ + y′ + 9,25y = 92,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−3−42−303354

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−3 −4 2; −3 0 3; 3 5 4]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =43−10

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [4 3; −1 0]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź rzut skalarny compb a wektora a = (2, −2, −6) na b = (−6, 1, 0), czyli składową a w kierunku b.

a = (2, −2, −6)b = (−6, 1, 0)
compb a =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzABC

Znajdź pole A trójkąta o wierzchołkach A(−2, −2, −4), B(−2, −4, 4) i C(0, −3, 4). Współrzędne podano w metrach.

A(−2, −2, −4)B(−2, −4, 4)C(0, −3, 4)
A = m²
7.CałkiŚredni
xy24

Oblicz I = ∫24 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 4]
I =
8.CałkiTrudny
xy−33

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 9 − x² a osią x.

y = 9 − x²
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−6−4−20024vP

Dla f(x, y) = 3xy + 4x² − 2y² znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (−2, 2) w kierunku v = (−4, −2).

f(x, y) = 3xy + 4x² − 2y²P = (−2, 2)v = (−4, −2)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyx = 0,8y = x0,8

Całki I = ∫00,8 ∫y0,8 ex² dx dy nie da się obliczyć w tej kolejności. Odwróć kolejność całkowania i oblicz ją.

f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ 2/kk = 1 … ∞BΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞CΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest zbieżny. Kliknij go.

A: Σ 2/kB: Σ k!/3ᵏC: Σ 5ᵏ/k!D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 2/k
  2. 2B: Σ k!/3ᵏ
  3. 3C: Σ 5ᵏ/k!
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=0∞ 1,5ᵏ/k!.

ak = 1,5ᵏ/k!
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = (5s + 12)/(s² + 10s + 25) i oblicz f(0,2).

F(s) = (5s + 12)/(s² + 10s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 2y = 1·u(t). Startuje ze stanu spoczynku (y(0) = 0, y′(0) = 0), a wejściem jest skok u(t) = 1 dla t ≥ 0. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź wyjście y(0,25).

y″ + 3y′ + 2y = 1·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t10h(t)t0,51

Układ ma odpowiedź impulsową h(t) = e−2tu(t). Wejściem jest skok x(t) = 10·u(t). Wyznacz wyjście y(0,5) w t = 0,5 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
2cos(3t)h(t) = 2e−2t​u(t)y(t)

Wejście x(t) = 2·cos(3t) podano na układ o h(t) = 2·e−2tu(t). Wyznacz amplitudę Ym wyjścia w stanie ustalonym.

h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 2cos(3t)
Ym =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,06357 min⁻¹

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.

Stosunek różnic temperatur

e−21k = -5/-19

Wyznacz k

k = ln(-19/-5)/21 = 0,06357 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,06357 min⁻¹
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: ymax = 15,92

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.

Wartość ustalona i pierwiastki

yss = 10, r = −0,5 ± 3j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −1,667

Szczyt

t = π/3 = 1,047
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/3) = 15,92

Odpowiedź

ymax = 15,92
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −69

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 = −15, M₁₂ = −21, M₁₃ = −15

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−3)·(−15) − (−4)·(−21) + 2·(−15) = −69

Odpowiedź

det A = −69
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 3

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.

Równanie charakterystyczne

λ² − (4)λ + (3) = 0

Rozwiąż

λ = (4 ± √(4))/2 → λ = 1, 3
λ = 3

Odpowiedź

λ = 3
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: compb a = −2,302

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

a·b = 2·(−6) + (−2)·1 + (−6)·0 = −14

Długość b

|b| = √((−6)² + 1² + 0²) = 6,083

Rzut skalarny

compb a = a·b/|b| = −14/6,083 = −2,302

Odpowiedź

compb a = −2,302

Ujemny: a ma składową skierowaną przeciwnie do b.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 9,165 m²

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.

Wektory krawędzi

AB = B − A = (0, −2, 8)
AC = C − A = (2, −1, 8)

Iloczyn wektorowy

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−2)·8 − 8·(−1) = −8
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 8·2 − 0·8 = 16
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 0·(−1) − (−2)·2 = 4
|AB × AC| = √((−8)² + 16² + 4²) = 18,33

Pole trójkąta

A = ½·18,33 = 9,165 m²

Odpowiedź

A = 9,165 m²
7.Całki

Odpowiedź: I = 1,386

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) = 2·ln x

Podstaw granice

I = 2·(ln 4 − ln 2) = 2·ln 2 = 1,386

Odpowiedź

I = 1,386
8.Całki

Odpowiedź: A = 36

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

9 − x² = 0 → x = ±3

Całkuj

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Odpowiedź

A = 36
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = 15,21

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 = 3y + 8x → fx(−2, 2) = −10
fy = 3x − 4y → fy(−2, 2) = −14

Wersor

|v| = √((−4)² + (−2)²) = 4,472
u = (−0,8944, −0,4472)

Iloczyn skalarny

Duf = (−10)·(−0,8944) + (−14)·(−0,4472) = 15,21

Odpowiedź

Duf = 15,21
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,4482

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).

Obszar

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0,8

Odwrócona kolejność

I = ∫00,8 ∫0x ex² dy dx = ∫00,8 x·ex² dx

Podstawienie u = x²

I = [ex²/2]00,8 = 0,4482

Odpowiedź

I = 0,4482
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: C: Σ 5ᵏ/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 2/k → Wielokrotność szeregu harmonicznego (p = 1): rozbieżny.
B: Σ k!/3ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = lim (k + 1)/3 = ∞, rozbieżny.
C: Σ 5ᵏ/k! → Kryterium d’Alemberta: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, zbieżny.
D: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.

Odpowiedź

C: Σ 5ᵏ/k!

Odpowiedź

C: Σ 5ᵏ/k!
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 4,482

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.

Szeregi standardowe

Σ xᵏ/k! = eˣ

Podstaw

x = 1,5
S = e1,5 = 4,482

Odpowiedź

S = 4,482
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.2) = 0,8829

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).

Rozłóż mianownik na czynniki

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

Ułamki proste

5s + 12 = 5(s + 5) + −13
F(s) = 5/(s + 5) − 13/(s + 5)²

Transformata odwrotna

f(t) = 5·e−5t − 13·t·e−5t
f(0,2) = (5 − 13·0,2)·e−5·0,2 = 0,8829

Odpowiedź

f(0,2) = 0,8829
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.25) = 0,02446

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

Y(s) = 1/(s(s + 1)(s + 2))

Ułamki proste

A = 1/(1·2) = 0,5
B = 1/((−1)·1) = −1
C = 1/((−2)·(−1)) = 0,5

Wydalone

y(t) = 0,5 − e−t + 0,5·e−2t
y(0,25) = 0,02446

Odpowiedź

y(0,25) = 0,02446
15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(0.5) = 3,161

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).

Splot ze skokiem

y(t) = 10·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (10/2)·(1 − e−2t)

Oblicz

y(0,5) = 5·(1 − e−1) = 3,161

Odpowiedź

y(0,5) = 3,161
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: Ym = 1,109

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)|.

Charakterystyka częstotliwościowa

H(jω) = 2/(2 + jω)

Wzmocnienie przy częstotliwości wejścia

|H(j3)| = 2/√(2² + 3²) = 0,5547
Ym = 2·0,5547 = 1,109

Odpowiedź

Ym = 1,109

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