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)18Ta​41 °C68 °C

Filiżankę kawy o temperaturze 95 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 20 °C. Po 18 min jej temperatura wynosi 41 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 68 °C?

T0 = 95 °CTa = 20 °CT(18) = 41 °CT = 68 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
t (min)m (kg)t = ?100 kg

Zbiornik zawiera 1000 L czystej wody. Solanka zawierająca 0,2 kg soli na litr wpływa z natężeniem 10 L/min, a dobrze wymieszany roztwór wypływa z tym samym natężeniem. Po ilu minutach t zbiornik będzie zawierał 100 kg soli?

V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =61−42B =−4−4−3−5

Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c22 (wiersz 2, kolumna 2).

A = [6 1; −4 2]B = [−4 −4; −3 −5]
c22 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =3−66−5b =22

Rozwiąż układ 3x − 6y = 2 i 6x − 5y = 2. Wyznacz x.

3x − 6y = 26x − 5y = 2
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzdFAB

Stała siła F = (10, −20, −20) N działa na ciało, które porusza się po linii prostej od punktu A(4, 5, −5) do punktu B(3, −2, −1). Współrzędne podano w metrach. Znajdź pracę W wykonaną przez siłę.

F = (10, −20, −20) NA(4, 5, −5) mB(3, −2, −1) m
W = J
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (6, −6, −3) i b = (−4, 3, 0).

a = (6, −6, −3)b = (−4, 3, 0)
A =
7.CałkiŚredni
xyπy = x·sin x

Oblicz I = ∫₀π x·sin x dx (x w radianach).

∫₀π x·sin x dx
I =
8.CałkiTrudny
xyy = 2x2​y = 4x

Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 2x2 i y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni

z = −x²y³ + 5x² − 3y³ − 2xy, gdzie x = t − 2 i y = −2t² − 2. Użyj reguły łańcuchowej, aby znaleźć dz/dt dla t = 0.

z = −x²y³ + 5x² − 3y³ − 2xyx = t − 2y = −2t² − 2t = 0
dz/dt =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = 4xy = x²416

Oblicz I = ∬R xy dA, gdzie R to obszar między parabolą y = x² a prostą y = 4x.

y = x²y = 4xf = xy
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 3)k = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ k²/5ᵏC: Σ 2ᵏ/k²D: Σ 1/(k² + 3)
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ k²/5ᵏ
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k²
  4. 4D: Σ 1/(k² + 3)
12.Ciągi i szeregiTrudny

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

ak = (−1)ᵏ/(2k + 1)!
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (6s + 31)/(s² + 7s + 12). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (6s + 31)/(s² + 7s + 12)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t), przy y(0) = 3 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 4. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(1).

y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 4t = 1 s
y(1) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t13h(t)t35

Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = 1 s a t = 3 s, a h(t) tylko między t = 3 s a t = 5 s. Wyznacz czas trwania D sygnału y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 1 … 3 sh: 3 … 5 s
D = s
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)0,8483

Ciąg impulsów ma wysokość 3, szerokość impulsu 0,8 ms i okres 4 ms. Wyznacz jego składową stałą (wartość średnią) c0.

A = 3τ = 0,8 msT = 4 ms
c0 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 6,311 min

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.

Stała stygnięcia

k = ln(75/21)/18 = 0,07072 min⁻¹

Czas do osiągnięcia celu

t = ln(75/48)/0,07072 = 6,311 min

Odpowiedź

t = 6,311 min
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 69,31 min

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.

Wynik

m(t) = 200 + (−200)·e−t/100

Wyznacz t

e−t/100 = (200 − 100)/(200 − 0) = 0,5
t = 100·ln(2) = 69,31 min

Odpowiedź

t = 69,31 min
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c22 = 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.

Wiersz razy kolumna

c22 = (−4)·(−4) + 2·(−5) = 6

Odpowiedź

c22 = 6
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 0,09524

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·(−5) − (−6)·6 = 21

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = 2·(−5) − (−6)·2 = 2
x = 2/21 = 0,09524

Odpowiedź

x = 0,09524
y = −0,2857
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: W = 50 J

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.

Przemieszczenie

d = B − A = (3, −2, −1) − (4, 5, −5) = (−1, −7, 4) m

Praca

W = F·d = 10·(−1) + (−20)·(−7) + (−20)·4 = 50 J

Odpowiedź

W = 50 J
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 16,16

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 = (−6)·0 − (−3)·3 = 9
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−4) − 6·0 = 12
(a × b)z = axby − aybx = 6·3 − (−6)·(−4) = −6

Powierzchnia

A = |a × b| = √(9² + 12² + (−6)²) = 16,16

Odpowiedź

A = 16,16
7.Całki

Odpowiedź: I = 3,142

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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Funkcja pierwotna

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Granice

(−π·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142

Odpowiedź

I = 3,142
8.Całki

Odpowiedź: A = 2,667

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 = 4x → x = 0, x = 2

Całkuj górną minus dolną

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Odpowiedź

A = 2,667
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: dz/dt = −48

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.

Punkt i szybkości zmian

x(0) = −2, y(0) = −2
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = 0

Pochodne cząstkowe

fx = −2xy³ + 10x − 2y = −48
fy = −3x²y² − 9y² − 2x = −80

Reguła łańcuchowa

dz/dt = (−48)·1 + (−80)·0 = −48

Odpowiedź

dz/dt = −48
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 170,7

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 = 4x → x = 0, x = 4

Całka wewnętrzna

∫x²4x xy dy = x·(16x² − x⁴)/2

Całka zewnętrzna

I = ∫04 (16x³ − x⁵)/2 dx = 170,7

Odpowiedź

I = 170,7
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: C: Σ 2ᵏ/k²

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 k²/5ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = 1/5 < 1, zbieżny.
C: Σ 2ᵏ/k² → Kryterium d’Alemberta: L = 2 > 1, rozbieżny.
D: Σ 1/(k² + 3) → Mniejszy niż 1/k², zbieżny szereg p: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.

Odpowiedź

C: Σ 2ᵏ/k²

Odpowiedź

C: Σ 2ᵏ/k²
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 0,8415

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+1/(2k + 1)! = sin x

Podstaw

x = 1
S = sin 1 = 0,8415

Odpowiedź

S = 0,8415
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 13

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 + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 3) i podstaw s = −3: składnik z B znika.

A = (6s + 31)/(s + 4) |s = −3 = 13/1 = 13

Odpowiedź

A = 13
(B = −7, więc f(t) = 13·e−3t − 7·e−4t)
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(1) = 7,877

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 + 6s + 5)·Y(s) = 3s + 18 + 60/s
Y(s) = (3s² + 18s + 60)/(s(s + 1)(s + 5))

Ułamki proste

A = 60/(1·5) = 12
B = 45/((−1)·4) = −11,25
C = 45/((−5)·(−4)) = 2,25

Wynik

y(t) = 12 − 11,25·e−t + 2,25·e−5t
y(1) = 7,877

Odpowiedź

y(1) = 7,877

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

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: D = 4 s

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).

Początek i koniec

tstart = 1 + 3 = 4 s
tend = 3 + 5 = 8 s

Odpowiedź

D = 4 s

Odpowiedź

D = 4 s
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c0 = 0,6

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)|.

Współczynnik wypełnienia

D = 0,8/4 = 0,2

Wartość średnia

c₀ = 3·0,2 = 0,6

Odpowiedź

c0 = 0,6

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