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
Rozwiąż y″ + 5y′ + 4y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = 4. Wyznacz y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + y′ + 4,25y = 42,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(0,25); kąty w radianach.
y″ + y′ + 4,25y = 42,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.
A = [5 5 −5; 1 1 1; 4 −5 0]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
Rozwiąż układ 5x − 2y = −7 i 6x + 4y = −9. Wyznacz x.
5x − 2y = −76x + 4y = −9
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
Znajdź wartość k, dla której wektory a = (−6, −2, 2) i b = (−2, 4, k) są prostopadłe.
a = (−6, −2, 2)b = (−2, 4, k)
k =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (0, −4, −1) i b = (−4, 4, 2).
a = (0, −4, −1)b = (−4, 4, 2)
A =
7.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
8.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 2x2 i y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
Dla f(x, y) = sin(2x − y) znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (1, 1) w kierunku v = (−3, −4).
f(x, y) = sin(2x − y)P = (1, 1)v = (−3, −4)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
Zaznaczone punkty to punkty krytyczne funkcji f(x, y) = x³ + y³ + 3xy. Kliknij maksimum lokalne.
f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
1A (0, 0)
2B (−1, −1)
11.Ciągi i szeregiŚredni
Zastosuj kryterium d’Alemberta do Σk=1∞ (k!)²·8ᵏ/(2k)!. Znajdź L = lim |ak+1/ak|.
ak = (k!)²·8ᵏ/(2k)!
L =
12.Ciągi i szeregiTrudny
Funkcję f(x) = eˣ przybliżono w x = 1 jej wielomianem Maclaurina stopnia n. Z oszacowaniem Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! i M = 3 znajdź najmniejszy stopień n, który gwarantuje błąd poniżej 1 × 10⁻⁶.
f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
Znajdź f(t) dla F(s) = (s + 30)/(s² + 6s + 9) i oblicz f(0,25).
F(s) = (s + 30)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
Rozwiąż y″ + 7y′ + 6y = 0 dla y(0) = −6 i y′(0) = −15 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,8).
y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = −6y′(0) = −15t = 0,8 s
y(0.8) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
Impuls x(t) = 2 dla 0 ≤ t < 3 s jest splatany z impulsem h(t) = 1 dla 0 ≤ t < 4 s. Wyznacz pole Ay pod y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
Ciąg impulsów ma wysokość 2, szerokość impulsu 2,5 ms i okres 10 ms. Wyznacz amplitudę c3 harmonicznej numer 3, przy 300 Hz.
A = 2τ = 2,5 msT = 10 ms
c3 =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.5) = 2,155
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.
Pierwiastki charakterystyczne
(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Stałe z wartości początkowych
A + B = 2, −1A − 4B = 4
A = 4, B = −2
Oblicz
y(0,5) = 4·e−0,5 + (−2)·e−2 = 2,155
Odpowiedź
y(0,5) = 2,155
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(0.25) = 1,198
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 = −4, M₁₃ = −9
Rozwinięcie Laplace'a
det A = 5·5 − 5·(−4) + (−5)·(−9) = 90
Odpowiedź
det A = 90
4.Macierze i wyznaczniki
Odpowiedź: x = −1,438
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 = 5·4 − (−2)·6 = 32
Zastąp kolumnę x
det Aₓ = (−7)·4 − (−2)·(−9) = −46
x = −46/32 = −1,438
Odpowiedź
x = −1,438
y = −0,09375
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: k = −2
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 równa się zero
a·b = (−6)·(−2) + (−2)·4 + 2·k = 0
4 + 2·k = 0
Wyznacz k
k = −4/2 = −2
Odpowiedź
k = −2
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: A = 16,97
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
(a × b)x = aybz − azby = (−4)·2 − (−1)·4 = −4
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−4) − 0·2 = 4
(a × b)z = axby − aybx = 0·4 − (−4)·(−4) = −16
Powierzchnia
A = |a × b| = √((−4)² + 4² + (−16)²) = 16,97
Odpowiedź
A = 16,97
7.Całki
Odpowiedź: I = 41,33
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.
Podstawienie
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du
Scałkuj i podstaw granice
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Odpowiedź
I = 41,33
8.Całki
Odpowiedź: A = 0,3333
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
2x2 = 2x → x = 0, x = 1
Całkuj górną minus dolną
A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333
Odpowiedź
A = 0,3333
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: Duf = −0,2161
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 = 2 cos(2x − y) → fx(1, 1) = 1,081
fy = −1 cos(2x − y) → fy(1, 1) = −0,5403
Wersor
|v| = √((−3)² + (−4)²) = 5
u = (−0,6, −0,8)
Iloczyn skalarny
Duf = 1,081·(−0,6) + (−0,5403)·(−0,8) = −0,2161
Odpowiedź
Duf = −0,2161
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: B (−1, −1)
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 + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)
Test drugiej pochodnej
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → punkt siodłowy
(−1, −1): fxx = −6, fyy = −6, fxy = 3, D = 27 → maksimum lokalne
Punkt
B (−1, −1): maksimum lokalne
Odpowiedź
B (−1, −1)
11.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: L = 2
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.
Iloraz kolejnych wyrazów
|ak+1/ak| = 8·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 8/4
Wniosek
L = 2 > 1
Odpowiedź
L = 2
L > 1, więc szereg jest rozbieżny.
12.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: n = 9
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.
Oszacowania dla rosnących n
n = 8: 8,267 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 9: 8,267 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶
Najmniejszy stopień
n = 9
Odpowiedź
n = 9
13.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: f(0.25) = 3,661
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 + 6s + 9 = (s + 3)²
Ułamki proste
s + 30 = 1(s + 3) + 27
F(s) = 1/(s + 3) + 27/(s + 3)²
Transformata odwrotna
f(t) = e−3t + 27·t·e−3t
f(0,25) = (1 + 27·0,25)·e−3·0,25 = 3,661
Odpowiedź
f(0,25) = 3,661
14.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: y(0.8) = −4,549
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
s²Y − (−6)s − (−15) + 7(sY − (−6)) + 6Y = 0
Y(s) = (−6s − 57)/((s + 1)(s + 6))
Ułamki proste
A = −51/5 = −10,2
B = −21/(−5) = 4,2
Wynik
y(t) = −10,2·e−t + 4,2·e−6t
y(0,8) = −4,549
Odpowiedź
y(0,8) = −4,549
Sprawdzenie: y(0) = A + B = −6.
15.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: Ay = 24
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).
Pola wejść
∫x dt = 2·3 = 6
∫h dt = 1·4 = 4
Pole wyjścia
Ay = 6·4 = 24
Odpowiedź
Ay = 24
16.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: c3 = 0,3001
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)|.