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)28Ta​T = ?

Filiżankę kawy o temperaturze 87 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 22 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,11 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 28 min.

T0 = 87 °CTa = 22 °Ck = 0,11 min⁻¹t = 28 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 1y(0,25) = ?

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

y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =3−116B =−5−234

Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c12 (wiersz 1, kolumna 2).

A = [3 −1; 1 6]B = [−5 −2; 3 4]
c12 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−36−22b =11−6

Rozwiąż układ −3x + 6y = 11 i −2x + 2y = −6. Wyznacz x.

−3x + 6y = 11−2x + 2y = −6
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź iloczyn skalarny a·b wektorów a = (7, −7, 3) i b = (7, −2, 1).

a = (7, −7, 3)b = (7, −2, 1)
a·b =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (0, 5, −2) i b = (−5, 2, −4).

a = (0, 5, −2)b = (−5, 2, −4)
A =
7.CałkiŚredni
xy03

Oblicz I = ∫03 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 3]
I =
8.CałkiTrudny
xyy = 0,5x2​y = 2x

Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 0,5x2 i y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−4−202024PQ

Dla f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²) znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie P(−1, 2) w kierunku punktu Q(−5, 4).

f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²)P = (−1, 2)Q = (−5, 4)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyx = 1,2y = x1,2

Całki I = ∫01,2 ∫y1,2 1/(1 + x²)² dx dy nie da się obliczyć w tej kolejności. Odwróć kolejność całkowania i oblicz ją.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,2
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/k²k = 1 … ∞DΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ (1 + 1/k)ᵏC: Σ 1/k²D: Σ (3/4)ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/k²
  4. 4D: Σ (3/4)ᵏ
12.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₃0,25

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 3 funkcji f(x) = ln(1 + 2x), aby przybliżyć f(0,25). Podaj P₃(0,25).

f(x) = ln(1 + 2x)n = 3x = 0,25
P₃(0.25) =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−5−10−15

F(s) = (2s + 34)/(s² + 3s + 2). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−t + B·e−2t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (2s + 34)/(s² + 3s + 2)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 7y′ + 10y = 40·u(t), przy y(0) = 3 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 1. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,1).

y″ + 7y′ + 10y = 40·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t310h(t)t44

Impuls x(t) = 10 dla 0 ≤ t < 3 s jest splatany z h(t), trójkątem liniowo opadającym od 4 w t = 0 do 0 w t = 4 s. Wyznacz pole Ay pod y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(4) = 0
Ay =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ[n]3+h[n]0,6·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wyznacz próbkę h[3] jego odpowiedzi impulsowej.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: T = 24,99 °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) = 22 + 65·e−0,11t

Podstaw t

T(28) = 22 + 65·0,04596 = 24,99 °C

Odpowiedź

T = 24,99 °C
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.25) = 0,5876

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 = −1,5 ± 5j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,3

Oblicz

y(0,25) = 1·(1 − e−0,375(cos 1,25 + 0,3·sin 1,25)) = 0,5876

Odpowiedź

y(0,25) = 0,5876
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c12 = −10

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.

Wiersz razy kolumna

c12 = 3·(−2) + (−1)·4 = −10

Odpowiedź

c12 = −10
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 9,667

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 = (−3)·2 − 6·(−2) = 6

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = 11·2 − 6·(−6) = 58
x = 58/6 = 9,667

Odpowiedź

x = 9,667
y = 6,667
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = 66

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.

Pomnóż odpowiadające sobie składowe i dodaj

a·b = 7·7 + (−7)·(−2) + 3·1 = 49 + 14 + 3 = 66

Odpowiedź

a·b = 66

Dodatni: kąt między wektorami jest mniejszy niż 90°.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 31,32

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

(a × b)x = aybz − azby = 5·(−4) − (−2)·2 = −16
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·(−5) − 0·(−4) = 10
(a × b)z = axby − aybx = 0·2 − 5·(−5) = 25

Powierzchnia

A = |a × b| = √((−16)² + 10² + 25²) = 31,32

Odpowiedź

A = 31,32
7.Całki

Odpowiedź: I = 6,963

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) = e0,5x/0,5

Podstaw granice

I = (e1,5 − 1)/0,5 = (4,482 − 1)/0,5 = 6,963

Odpowiedź

I = 6,963
8.Całki

Odpowiedź: A = 5,333

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 = 2x → x = 0, x = 4

Całkuj górną minus dolną

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Odpowiedź

A = 5,333
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = 1,101

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 = 4x/(x² + 3y²) → fx(−1, 2) = −0,3077
fy = 12y/(x² + 3y²) → fy(−1, 2) = 1,846

Wersor

|v| = √((−4)² + 2²) = 4,472
u = (−0,8944, 0,4472)

Iloczyn skalarny

Duf = (−0,3077)·(−0,8944) + 1,846·0,4472 = 1,101

Odpowiedź

Duf = 1,101
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,2951

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).

Obszar

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,2

Odwrócona kolejność

I = ∫01,2 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01,2 x·1/(1 + x²)² dx

Podstawienie u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]01,2 = 0,2951

Odpowiedź

I = 0,2951
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: B: Σ (1 + 1/k)ᵏ

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)ᵏ/k → Naprzemienny, 1/k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).
B: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Wyrazy dążą do e, a nie do 0: rozbieżny na mocy warunku koniecznego.
C: Σ 1/k² → Szereg p z p = 2 > 1: zbieżny.
D: Σ (3/4)ᵏ → Geometryczny z r = 3/4, |r| < 1: zbieżny.

Odpowiedź

B: Σ (1 + 1/k)ᵏ

Odpowiedź

B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₃(0.25) = 0,4167

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) = 2x − 2x² + 2,667x³

Podstaw

P₃(0,25) = 0,5 − 0,125 + 0,0416667 = 0,4167

Odpowiedź

P₃(0,25) = 0,4167

Dokładna wartość to f(0,25) = 0,405465; błąd −0,0112016 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 32

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 + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 1) i podstaw s = −1: składnik z B znika.

A = (2s + 34)/(s + 2) |s = −1 = 32/1 = 32

Odpowiedź

A = 32
(B = −30, więc f(t) = 32·e−t − 30·e−2t)
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.1) = 3,04

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 + 10)·Y(s) = 3s + 21 + 40/s
Y(s) = (3s² + 21s + 40)/(s(s + 2)(s + 5))

Ułamki proste

A = 40/(2·5) = 4
B = 10/((−2)·3) = −1,667
C = 10/((−5)·(−3)) = 0,6667

Wynik

y(t) = 4 − 1,667·e−2t + 0,6667·e−5t
y(0,1) = 3,04

Odpowiedź

y(0,1) = 3,04

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 3.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: Ay = 240

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 = 10·3 = 30
∫h dt = ½·4·4 = 8

Pole wyjścia

Ay = 30·8 = 240

Odpowiedź

Ay = 240
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h[3] = 0,648

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)|.

Iteruj

h[0] = 3
h[1] = 1,8
h[2] = 1,08
h[3] = 0,648

Wynik

h[3] = 3·(0,6)3 = 0,648

Odpowiedź

h[3] = 0,648

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