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) = 1y(1,5) = ?

Rozwiąż y″ + 8y′ + 16y = 0 z y(0) = 1 i y′(0) = -1. Wyznacz y(1,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(1.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 2y(0,75) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.

y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−30−2−1−50−3−2−3

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−3 0 −2; −1 −5 0; −3 −2 −3]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =6−150

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [6 −1; 5 0]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź rzut skalarny compb a wektora a = (2, −3, 0) na b = (1, 3, −1), czyli składową a w kierunku b.

a = (2, −3, 0)b = (1, 3, −1)
compb a =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Dla a = (−6, 0, −1) i b = (−3, 2, −6) znajdź składową y, czyli (a × b)y, iloczynu wektorowego a × b.

a = (−6, 0, −1)b = (−3, 2, −6)
(a × b)y =
7.CałkiŚredni
xy4y = √(x)

Obszar pod krzywą y = √(x) od x = 0 do x = 4 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).

y = √(x)0 ≤ x ≤ 4
V =
8.CałkiTrudny
xy3y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−2024−4−20vP

Dla f(x, y) = 3x²y − 2x² + 3y³ − 3xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (1, −2) w kierunku v = (2, 2).

f(x, y) = 3x²y − 2x² + 3y³ − 3xyP = (1, −2)v = (2, 2)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = xy = x²11

Oblicz I = ∬R y dA, gdzie R to obszar między parabolą y = x² a prostą y = x.

y = x²y = xf = y
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
xx₀ = 1??R

Szereg potęgowy Σk=1∞ (2k)!·(x − 1)ᵏ/(k!)² jest zbieżny na przedziale wokół x₀ = 1. Znajdź prawy koniec x tego przedziału.

Σ (2k)!·(x − 1)ᵏ/(k!)²x₀ = 1
x =
12.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₂−1

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 2 funkcji f(x) = e−x, aby przybliżyć f(−1). Podaj P₂(−1).

f(x) = e−xn = 2x = −1
P₂(−1) =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 6)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,3).

F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t), przy y(0) = 5 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 5. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,75).

y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,75 s
y(0.75) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t4h(t)t1

Wejście x(t) = 4·e−4tu(t) podano na układ o h(t) = e−2tu(t). Wyznacz wyjście y(0,25) w t = 0,25 s.

x(t) = 4·e−4tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)2,55105−5

Fala trójkątna liniowo narasta i opada między −5 a +5 z okresem T = 5 ms. Wyznacz amplitudę c5 jej składowej Fouriera przy 1000 Hz.

±5T = 5 msf = 1000 Hz
c5 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 0,01363

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 + 4)² = 0 → r = −4

Stałe

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 4 = 3

Oblicz

y(1,5) = (1 + 3·1,5)·e−6 = 0,01363

Odpowiedź

y(1,5) = 0,01363
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.75) = 2,644

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 = 2, r = −1,5 ± 5j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,6

Oblicz

y(0,75) = 2·(1 − e−1,125(cos 3,75 + 0,3·sin 3,75)) = 2,644

Odpowiedź

y(0,75) = 2,644
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −19

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 = 3, M₁₃ = −13

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−3)·15 − 0·3 + (−2)·(−13) = −19

Odpowiedź

det A = −19
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 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.

Równanie charakterystyczne

λ² − (6)λ + (5) = 0

Rozwiąż

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Odpowiedź

λ = 5
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: compb a = −2,111

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 = 2·1 + (−3)·3 + 0·(−1) = −7

Długość b

|b| = √(1² + 3² + (−1)²) = 3,317

Rzut skalarny

compb a = a·b/|b| = −7/3,317 = −2,111

Odpowiedź

compb a = −2,111

Ujemny: a ma składową skierowaną przeciwnie do b.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: (a × b)y = −33

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 = 0·(−6) − (−1)·2 = 2
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−3) − (−6)·(−6) = −33
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·2 − 0·(−3) = −12

Żądana składowa

(a × b)y = −33

Odpowiedź

(a × b)y = −33

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

7.Całki

Odpowiedź: V = 25,13

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∫₀4 x dx

Całkuj

V = π·1·4²/2 = 25,13

Odpowiedź

V = 25,13
8.Całki

Odpowiedź: I = 98,43

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.

Pierwsza runda

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Druga runda

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Granice

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Odpowiedź

I = 98,43
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = 18,38

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 = 6xy − 4x − 3y → fx(1, −2) = −10
fy = 3x² + 9y² − 3x → fy(1, −2) = 36

Wersor

|v| = √(2² + 2²) = 2,828
u = (0,7071, 0,7071)

Iloczyn skalarny

Duf = (−10)·0,7071 + 36·0,7071 = 18,38

Odpowiedź

Duf = 18,38
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,06667

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 y dy = [y²/2] = (x² − x⁴)/2

Całka zewnętrzna

I = ∫01 (x² − x⁴)/2 dx = 0,06667

Odpowiedź

I = 0,06667
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: x = 1,25

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.

Współczynniki

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, więc R = 1/4

Promień

R = 0,25

Przedział

0,75 < x < 1,25
x = 1,25

Odpowiedź

x = 1,25

Kryterium d’Alemberta nic nie mówi w obu punktach końcowych; trzeba je sprawdzić osobno.

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₂(−1) = 2,5

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

P₂(x) = 1 − x + 0,5x²

Podstaw

P₂(−1) = 1 + 1 + 0,5 = 2,5

Odpowiedź

P₂(−1) = 2,5

Dokładna wartość to f(−1) = 2,718282; błąd 0,218282 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.3) = 0,8007

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 + 4) + C/(s + 6)
A = 45/(4·6) = 1,875
B = 45/((−4)·2) = −5,625
C = 45/((−6)·(−2)) = 3,75

Transformata odwrotna

f(t) = 1,875 − 5,625·e−4t + 3,75·e−6t

Oblicz

f(0,3) = 1,875 − 5,625·e−4·0,3 + 3,75·e−6·0,3 = 0,8007

Odpowiedź

f(0,3) = 0,8007
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.75) = 5

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 + 7s + 6)·Y(s) = 5s + 35 + 30/s
Y(s) = (5s² + 35s + 30)/(s(s + 1)(s + 6))

Ułamki proste

A = 30/(1·6) = 5
B = 0/((−1)·5) = 0
C = 0/((−6)·(−5)) = 0

Wynik

y(t) = 5
y(0,75) = 5

Odpowiedź

y(0,75) = 5

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

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(0.25) = 0,4773

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

Oblicz

y(0,25) = 4·(0,6065 − 0,3679)/(2) = 0,4773

Odpowiedź

y(0,25) = 0,4773
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c5 = 0,1621

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 = 200 Hz → k = 5

Amplituda

c5 = 8·5/(π²·5²) = 0,1621

Odpowiedź

c5 = 0,1621

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