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
Zapisz każdy wektor w składowych; dla siły podanej przez wartość i kąt użyj F·cos θ i F·sin θ.
Do długości i kierunków użyj długości √(x² + y² + z²) i wersora a/|a|.
Iloczyn skalarny stosuj do kątów, rzutów, prostopadłości i pracy: a·b = |a||b|cos θ.
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
Tam, gdzie to możliwe, zapisz funkcję podcałkową jako sumę prostych wyrazów.
Zastosuj wzór na całkę potęgi: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) oraz całki podstawowe dla ex, 1/x, sin i cos.
Użyj podstawienia, gdy widzisz razem funkcję i jej pochodną.
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
Przy pochodnej cząstkowej traktuj drugą zmienną jak stałą i używaj reguł dla jednej zmiennej.
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.
Dla ekstremów rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0, a potem sklasyfikuj każdy punkt przez D = fxx·fyy − fxy².
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
Rozpoznaj typ: arytmetyczny (stała różnica), geometryczny (stały iloraz), szereg standardowy, szereg potęgowy lub wielomian Taylora.
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.
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.
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
Naszkicuj oba sygnały i zaznacz, gdzie każdy z nich jest niezerowy.
Odwróć h i przesuwaj je: dla każdej chwili wyjścia znajdź zakres, w którym oba sygnały się nakładają.
Mnóż i dodawaj (dyskretnie) lub mnóż i całkuj (ciągle) tylko po tym nakładaniu.
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
Filiżankę kawy o temperaturze 88 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 22 °C. Po 26 min jej temperatura wynosi 36 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.
T0 = 88 °CTa = 22 °CT(26) = 36 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż y″ + 3y′ + 11,25y = 0 z y(0) = 10 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.
y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.
A = [0 3 −3; −4 2 1; −2 −5 −5]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.
A = [−1 2; −5 6]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
Znajdź kąt θ między wektorami a = (−1, −5, 0) i b = (−4, 4, 4), w stopniach.
a = (−1, −5, 0)b = (−4, 4, 4)
θ = °
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
Znajdź objętość V równoległościanu, którego krawędzie wychodzące z jednego wierzchołka to a = (1, −4, −4), b = (0, 1, 5) i c = (−4, 5, −1).
a = (1, −4, −4)b = (0, 1, 5)c = (−4, 5, −1)
V =
7.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀π x·sin x dx (x w radianach).
∫₀π x·sin x dx
I =
8.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = 3x a parabolą y = 2x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = 3xy = 2x²
V =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
Dla f(x, y) = −y·e−xy znajdź największą szybkość zmiany f w punkcie (1, −1), czyli |∇f|.
f(x, y) = −y·e−xyP = (1, −1)
|∇f| =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
Znajdź punkty krytyczne funkcji f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 4y, sklasyfikuj je i podaj wartość fmax funkcji f w jej maksimum lokalnym.
f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 4y
fmax =
11.Ciągi i szeregiŚredni
Znajdź sumę S = Σk=1∞ 6/(k(k + 3)).
ak = 6/(k(k + 3))
S =
12.Ciągi i szeregiTrudny
Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 3 funkcji f(x) = eˣ, aby przybliżyć f(2,5). Podaj P₃(2,5).
f(x) = eˣn = 3x = 2,5
P₃(2.5) =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
F(s) = 15/(s² + 9s + 14). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−2t + B·e−7t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.
F(s) = 15/(s² + 9s + 14)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t), przy y(0) = 5 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 2. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,3).
Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = −1 s a t = 0 s, a h(t) tylko między t = 3 s a t = 5 s. Wyznacz czas tstart, w którym zaczyna się y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 0 sh: 3 … 5 s
tstart = s
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
Ciąg impulsów ma wysokość 1, szerokość impulsu 0,4 ms i okres 2 ms. Wyznacz amplitudę c1 harmonicznej numer 1, przy 500 Hz.
A = 1τ = 0,4 msT = 2 ms
c1 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: k = 0,05964 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−26k = 14/66
Wyznacz k
k = ln(66/14)/26 = 0,05964 min⁻¹
Odpowiedź
k = 0,05964 min⁻¹
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.75) = −0,7764
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.
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 = −5, M₁₂ = 22, M₁₃ = 24
Rozwinięcie Laplace'a
det A = 0·(−5) − 3·22 + (−3)·24 = −138
Odpowiedź
det A = −138
4.Macierze i wyznaczniki
Odpowiedź: λ = 4
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 − (5)λ + (4) = 0
Rozwiąż
λ = (5 ± √(9))/2 → λ = 1, 4
λ = 4
Odpowiedź
λ = 4
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: θ = 116,9 °
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 = (−1)·(−4) + (−5)·4 + 0·4 = −16
Długości
|a| = √((−1)² + (−5)² + 0²) = 5,099
|b| = √((−4)² + 4² + 4²) = 6,928
Kąt
cos θ = −16/(5,099·6,928) = −0,4529
θ = arccos(−0,4529) = 116,9°
Odpowiedź
θ = 116,9°
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: V = 38
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 1·(−1) − 5·5 = −26
(b × c)y = bzcx − bxcz = 5·(−4) − 0·(−1) = −20
(b × c)z = bxcy − bycx = 0·5 − 1·(−4) = 4
Iloczyn skalarny z a
a·(b × c) = 1·(−26) + (−4)·(−20) + (−4)·4 = 38
V = |38| = 38
Odpowiedź
V = 38
7.Całki
Odpowiedź: I = 3,142
Całkowanie przez części: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, co wynika z reguły różniczkowania iloczynu. Za u wybierz czynnik, który po zróżniczkowaniu staje się prostszy (potęga x lub ln x), a za dv czynnik, który umiesz scałkować (eˣ, sin x, cos x albo x, gdy u = ln x). Dla całki oznaczonej oblicz u·v na obu granicach: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Czynnik x² wymaga dwóch rund.
Wybierz u i dv
u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Funkcja pierwotna
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Granice
(−π·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142
Odpowiedź
I = 3,142
8.Całki
Odpowiedź: V = 12,72
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
3x = 2x² → x = 0, x = 1,5
Metoda pierścieni
V = π∫₀1,5 ((3x)² − (2x²)²) dx
Całkuj
V = π(9·1,5³/3 − 4·1,5⁵/5) = π·4,05 = 12,72
Odpowiedź
V = 12,72
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: |∇f| = 6,078
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.
Pochodne cząstkowe
fx = y²e−xy → fx(1, −1) = 2,718
fy = −e−xy(1 − xy) → fy(1, −1) = −5,437
Długość gradientu
|∇f| = √(2,718² + (−5,437)²) = 6,078
Odpowiedź
|∇f| = 6,078
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: fmax = 58
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 krytyczne
Rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0.
fx = −(3x² − 27) = 0
fy = −(2y + 4) = 0
(3, −2), (−3, −2)
Test drugiej pochodnej
(3, −2): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → maksimum lokalne
(−3, −2): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → punkt siodłowy
Wartość w ekstremum
f(3, −2) = 58
Odpowiedź
fmax = 58
11.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: S = 3,667
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 + 3)) = (6/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Anuluj
S = (6/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 3,667
Odpowiedź
S = 3,667
12.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: P₃(2.5) = 9,229
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.
Wielomian Maclaurina
P₃(x) = 1 + x + 0,5x² + 0,1667x³
Podstaw
P₃(2,5) = 1 + 2,5 + 3,125 + 2,604167 = 9,229
Odpowiedź
P₃(2,5) = 9,229
Dokładna wartość to f(2,5) = 12,182494; błąd 2,953327 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.
13.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: A = 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).
Rozłóż mianownik na czynniki
s² + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)
Metoda zakrywania
Pomnóż przez (s + 2) i podstaw s = −2: składnik z B znika.
A = 15/(s + 7) |s = −2 = 15/5 = 3
Odpowiedź
A = 3
(B = −3, więc f(t) = 3·e−2t − 3·e−7t)
14.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: y(0.3) = 3,719
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 + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 48/s
Y(s) = (5s² + 50s + 48)/(s(s + 4)(s + 6))
Ułamki proste
A = 48/(4·6) = 2
B = −72/((−4)·2) = 9
C = −72/((−6)·(−2)) = −6
Wynik
y(t) = 2 + 9·e−4t − 6·e−6t
y(0,3) = 3,719
Odpowiedź
y(0,3) = 3,719
Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 5.
15.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: tstart = 2 s
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).
Początek i koniec
tstart = −1 + 3 = 2 s
tend = 0 + 5 = 5 s
Odpowiedź
tstart = 2 s
Odpowiedź
tstart = 2 s
16.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: c1 = 0,3742
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)|.