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)27Ta​T = ?

Puszkę napoju o temperaturze 6 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 28 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,05 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 27 min.

T0 = 6 °CTa = 28 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 27 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
ty0,5y(0,5) = ?

Rozwiąż y′ + y = 8e−2t z y(0) = 0. Wyznacz y(0,5).

y′ + y = 8e−2ty(0) = 0
y(0.5) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−1−105−20441

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−1 −1 0; 5 −2 0; 4 4 1]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =16−4−4b =−4−6

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

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

Znajdź kąt θ między wektorami a = (3, 1, 0) i b = (−5, −5, 4), w stopniach.

a = (3, 1, 0)b = (−5, −5, 4)
θ = °
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzrFOA

Siła F = (30, 20, −20) N działa w punkcie A(−4, −4, −3). Współrzędne podano w metrach. Znajdź wartość |M| momentu tej siły względem początek układu O(0, 0, 0).

F = (30, 20, −20) NA(−4, −4, −3) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.CałkiŚredni
xy12y = x ln x

Oblicz I = ∫₁2 x·ln x dx.

∫₁2 x ln x dx
I =
8.CałkiTrudny
xy2,5y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−202−20vP

Dla f(x, y) = 4x³y² − 3x³ + 5y² − 3xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (−1, −1) w kierunku v = (3, 2).

f(x, y) = 4x³y² − 3x³ + 5y² − 3xyP = (−1, −1)v = (3, 2)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy10,5

Użyj współrzędnych biegunowych, aby obliczyć I = ∬R √(x² + y²) dA, gdzie R to: pierścień 0,25 ≤ x² + y² ≤ 1.

f = √(x² + y²)0,5 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ 1/(k² + 7)k = 1 … ∞BΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞CΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ 1/(k² + 7)B: Σ 2ᵏ/k³C: Σ (2/5)ᵏD: Σ (−1)ᵏ/√k
  1. 1A: Σ 1/(k² + 7)
  2. 2B: Σ 2ᵏ/k³
  3. 3C: Σ (2/5)ᵏ
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/√k
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·22k/(2k)!
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (4s + 27)/(s² + 7s + 10). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−2t + B·e−5t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (4s + 27)/(s² + 7s + 10)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t), przy y(0) = 4 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 2. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,1).

y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t5h(t)t1

Wejście x(t) = 5·e−6tu(t) podano na układ o h(t) = e−5tu(t). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s.

x(t) = 5·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)0,51210−10

Fala prostokątna przełącza się między +10 a −10 z okresem T = 1 ms (po pół okresu na każdym poziomie). Wyznacz amplitudę c3 jej składowej Fouriera przy 3000 Hz.

±10T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: T = 22,3 °C

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.

Rozwiązanie prawa stygnięcia

T(t) = 28 + (−22)·e−0,05t

Podstaw t

T(27) = 28 + (−22)·0,2592 = 22,3 °C

Odpowiedź

T = 22,3 °C
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.5) = 1,909

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 = et
(ety)′ = 8e−t

Rozwiązanie ogólne

y = 8/(−1)·e−2t + C·e−t = −8·e−2t + C·e−t

Warunek początkowy

0 = −8 + C → C = 8

Oblicz

y(0,5) = −8·0,3679 + 8·0,6065 = 1,909

Odpowiedź

y(0,5) = 1,909
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 7

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 = −2, M₁₂ = 5, M₁₃ = 28

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−1)·(−2) − (−1)·5 + 0·28 = 7

Odpowiedź

det A = 7
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 2,6

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 = 1·(−4) − 6·(−4) = 20

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = (−4)·(−4) − 6·(−6) = 52
x = 52/20 = 2,6

Odpowiedź

x = 2,6
y = −1,1
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 141,1 °

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 = 3·(−5) + 1·(−5) + 0·4 = −20

Długości

|a| = √(3² + 1² + 0²) = 3,162
|b| = √((−5)² + (−5)² + 4²) = 8,124

Kąt

cos θ = −20/(3,162·8,124) = −0,7785
θ = arccos(−0,7785) = 141,1°

Odpowiedź

θ = 141,1°
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: |M| = 223,8 N·m

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.

Wektor położenia od O do A

r = A − O = (−4, −4, −3) − (0, 0, 0) = (−4, −4, −3) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−4)·(−20) − (−3)·20 = 140 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−3)·30 − (−4)·(−20) = −170 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−4)·20 − (−4)·30 = 40 N·m

Długość

|M| = √(140² + (−170)² + 40²) = 223,8 N·m

Odpowiedź

|M| = 223,8 N·m
7.Całki

Odpowiedź: I = 0,6363

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Funkcja pierwotna

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Granice

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363

Odpowiedź

I = 0,6363
8.Całki

Odpowiedź: I = 37,59

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

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Odpowiedź

I = 37,59
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = 5,547

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 = 12x²y² − 9x² − 3y → fx(−1, −1) = 6
fy = 8x³y + 10y − 3x → fy(−1, −1) = 1

Wersor

|v| = √(3² + 2²) = 3,606
u = (0,8321, 0,5547)

Iloczyn skalarny

Duf = 6·0,8321 + 1·0,5547 = 5,547

Odpowiedź

Duf = 5,547
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 1,833

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).

Postać biegunowa

I = ∫02π ∫0,51 r·r dr dθ

Całkuj

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 1,833

Odpowiedź

I = 1,833
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: B: Σ 2ᵏ/k³

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 1/(k² + 7) → Mniejszy niż 1/k², zbieżny szereg p: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
B: Σ 2ᵏ/k³ → Kryterium d’Alemberta: L = 2 > 1, rozbieżny.
C: Σ (2/5)ᵏ → Geometryczny z r = 2/5, |r| < 1: zbieżny.
D: Σ (−1)ᵏ/√k → Naprzemienny, 1/√k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).

Odpowiedź

B: Σ 2ᵏ/k³

Odpowiedź

B: Σ 2ᵏ/k³
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = −0,4161

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 (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x

Podstaw

x = 2
S = cos 2 = −0,4161

Odpowiedź

S = −0,4161
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 6,333

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 + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 2) i podstaw s = −2: składnik z B znika.

A = (4s + 27)/(s + 5) |s = −2 = 19/3 = 6,333

Odpowiedź

A = 6,333
(B = −2,333, więc f(t) = 6,333·e−2t − 2,333·e−5t)
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.1) = 3,827

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) = 4s + 40 + 48/s
Y(s) = (4s² + 40s + 48)/(s(s + 4)(s + 6))

Ułamki proste

A = 48/(4·6) = 2
B = −48/((−4)·2) = 6
C = −48/((−6)·(−2)) = −4

Wynik

y(t) = 2 + 6·e−4t − 4·e−6t
y(0,1) = 3,827

Odpowiedź

y(0,1) = 3,827

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 4.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 0,0001963

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) = 5e−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 5(e−5t − e−6t)/(1)

Oblicz

y(2) = 5·(4,54 × 10⁻⁵ − 6,144 × 10⁻⁶)/(1) = 0,0001963

Odpowiedź

y(2) = 0,0001963
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c3 = 4,244

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 = 3000/1000 = 3

Amplituda

c3 = 4·10/(3π) = 4,244

Odpowiedź

c3 = 4,244

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