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)55Ta​254 °C

Odkuwkę stalową o temperaturze 420 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 28 °C. Po 55 min jej temperatura wynosi 254 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 420 °CTa = 28 °CT(55) = 254 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 1ymax​ = ?

Układ spełnia równanie y″ + 2y′ + 17y = 17 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.

y″ + 2y′ + 17y = 17y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−253−2−5342−1

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−2 5 3; −2 −5 3; 4 2 −1]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−2−288

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [−2 −2; 8 8]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź rzut skalarny compb a wektora a = (2, −4, 6) na b = (−4, 4, −1), czyli składową a w kierunku b.

a = (2, −4, 6)b = (−4, 4, −1)
compb a =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzabc

Znajdź objętość V równoległościanu, którego krawędzie wychodzące z jednego wierzchołka to a = (−1, 2, −3), b = (2, 5, −1) i c = (−1, 4, −1).

a = (−1, 2, −3)b = (2, 5, −1)c = (−1, 4, −1)
V =
7.CałkiŚredni
xy24

Oblicz I = ∫24 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 4]
I =
8.CałkiTrudny
xyy = 0,5x2​y = x

Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 0,5x2 i y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy1−1∇fP

Dla f(x, y) = 2 sin(3x − 3y) znajdź największą szybkość zmiany f w punkcie (1, −1), czyli |∇f|.

f(x, y) = 2 sin(3x − 3y)P = (1, −1)
|∇f| =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy2

Użyj współrzędnych biegunowych, aby obliczyć I = ∬R (x² + y²) dA, gdzie R to: ćwiartka koła x² + y² ≤ 4 w pierwszej ćwiartce układu.

f = x² + y²0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
xx₀ = 1??R

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

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

Funkcję f(x) = eˣ przybliżono w x = 0,5 jej wielomianem Maclaurina stopnia n. Z oszacowaniem Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! i M = 2 znajdź najmniejszy stopień n, który gwarantuje błąd poniżej 0,0005.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,0005
n =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−1−2−3−412

Znajdź f(t) dla F(s) = 32/(s² + 8s + 20) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,2).

F(s) = 32/(s² + 8s + 20)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−912

Układ opisuje równanie różniczkowe y″ + 6y′ + 13y = 2u′ + 16u, z wejściem u(t) i wyjściem y(t). Znajdź jego transmitancję G(s) = Y(s)/U(s) (zerowe warunki początkowe) i oblicz odpowiedź impulsową g(t) dla t = 0,2 s. Znajdź g(0,2).

y″ + 6y′ + 13y = 2u′ + 16ut = 0,2 s
g(0.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t0,510h(t)t1

Impuls x(t) = 10 dla 0 ≤ t < 0.5 s (poza tym zero) podano na układ o h(t) = e−2tu(t). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s, po zakończeniu impulsu.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−2tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ(t)y′ + 1y = 3xh(t)

Układ spełnia równanie y′(t) + 1·y(t) = 3·x(t). Wyznacz jego odpowiedź impulsową w t = 2 s, h(2).

y′ + 1y = 3xt = 2 s
h(2) =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,01001 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−55k = 226/392

Wyznacz k

k = ln(392/226)/55 = 0,01001 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,01001 min⁻¹
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: ymax = 1,456

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 = 1, r = −1 ± 4j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −0,25

Szczyt

t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−1·π/4) = 1,456

Odpowiedź

ymax = 1,456
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 100

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 = −1, M₁₂ = −10, M₁₃ = 16

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−2)·(−1) − 5·(−10) + 3·16 = 100

Odpowiedź

det A = 100
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 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.

Równanie charakterystyczne

λ² − (6)λ + (0) = 0

Rozwiąż

λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6

Odpowiedź

λ = 6
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: compb a = −5,222

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·(−4) + (−4)·4 + 6·(−1) = −30

Długość b

|b| = √((−4)² + 4² + (−1)²) = 5,745

Rzut skalarny

compb a = a·b/|b| = −30/5,745 = −5,222

Odpowiedź

compb a = −5,222

Ujemny: a ma składową skierowaną przeciwnie do b.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: V = 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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 5·(−1) − (−1)·4 = −1
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·(−1) − 2·(−1) = 3
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·4 − 5·(−1) = 13

Iloczyn skalarny z a

a·(b × c) = (−1)·(−1) + 2·3 + (−3)·13 = −32
V = |−32| = 32

Odpowiedź

V = 32
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 = 0,6667

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.

Punkty przecięcia

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Całkuj górną minus dolną

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Odpowiedź

A = 0,6667
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: |∇f| = 8,147

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 = 6 cos(3x − 3y) → fx(1, −1) = 5,761
fy = −6 cos(3x − 3y) → fy(1, −1) = −5,761

Długość gradientu

|∇f| = √(5,761² + (−5,761)²) = 8,147

Odpowiedź

|∇f| = 8,147
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 6,283

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 = ∫0π/2 ∫02 r²·r dr dθ

Całkuj

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 6,283

Odpowiedź

I = 6,283
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: x = 3

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/ck+1 = (1/(1/2))·(k + 2)/(k + 1) → 2

Promień

R = 2

Przedział

−1 < x < 3
x = 3

Odpowiedź

x = 3

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

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: n = 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.

n(n + 1)!oszacowanie011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵

Oszacowania dla rosnących n

n = 4: 0,0005208 ≥ 0,0005
n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ < 0,0005

Najmniejszy stopień

n = 5

Odpowiedź

n = 5
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.2) = 2,8

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).

Dopełnienie do kwadratu

s² + 8s + 20 = (s + 4)² + 4 = (s + 4)² + 2²

Dopasuj licznik

F(s) = (32/2)·2/((s + 4)² + 2²)

Transformata odwrotna

f(t) = e−4t·(16·sin 2t)
f(0,2) = e−4·0,2·(16·sin(2·0,2)) = 2,8

Odpowiedź

f(0,2) = 2,8
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: g(0.2) = 2,08

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).

Transmitancja

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 16)/(s² + 6s + 13)

Ułamki proste

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 2²
G(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (10/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Odpowiedź impulsowa

g(t) = e−3t·(2·cos 2t + 5·sin 2t)
g(0,2) = 2,08

Odpowiedź

g(0,2) = 2,08
15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 0,1574

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).

Wyjście na końcu impulsu

y(0,5) = (10/2)(1 − e−1) = 3,161

Zanik po impulsie

y(2) = 3,161·e−2·1,5 = 0,1574

Odpowiedź

y(2) = 0,1574
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h(2) = 0,406

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)|.

Transmitancja

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 1)

Odpowiedź impulsowa

h(t) = 3·e−1tu(t)
h(2) = 3·e−2 = 0,406

Odpowiedź

h(2) = 0,406

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