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​150 °C

Odkuwkę stalową o temperaturze 320 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 20 °C. Po 28 min jej temperatura wynosi 150 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 320 °CTa = 20 °CT(28) = 150 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
tyy(0) = 1y(0,75) = ?

Rozwiąż y″ + 2y′ + 17y = 0 z y(0) = 1 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.

y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =502−4−1−2−5−2−5

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [5 0 2; −4 −1 −2; −5 −2 −5]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−1555b =−8−7

Rozwiąż układ −x + 5y = −8 i 5x + 5y = −7. Wyznacz x.

−x + 5y = −85x + 5y = −7
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź iloczyn skalarny a·b wektorów a = (3, −2, 3) i b = (−1, −6, 4).

a = (3, −2, 3)b = (−1, −6, 4)
a·b =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Wersor n̂ jest prostopadły do wektorów a = (−5, −5, 4) i b = (0, −3, −4) i ma dodatnią składową z. Znajdź jego składową x, czyli n̂x.

a = (−5, −5, 4)b = (0, −3, −4)n̂z > 0
n̂x =
7.CałkiŚredni
xy26

Oblicz I = ∫26 1/x dx.

f(x) = 1/x[2, 6]
I =
8.CałkiTrudny
xy−22

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 4 − x² a osią x.

y = 4 − x²
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni

z = 3x²y + 4y² + xy, gdzie x = −t + 1 i y = −t² − 2. Użyj reguły łańcuchowej, aby znaleźć dz/dt dla t = −1.

z = 3x²y + 4y² + xyx = −t + 1y = −t² − 2t = −1
dz/dt =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = 1,2y = x1,21,2

Całki I = ∫01,2 ∫x1,2 1/(1 + y²)² dy dx nie da się obliczyć w tej kolejności. Odwróć kolejność całkowania i oblicz ją.

f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
xx₀ = 0??R

Znajdź promień zbieżności R szeregu potęgowego Σk=1∞ 25ᵏx²ᵏ/k.

Σ 25ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=1∞ k·0,25ᵏ.

ak = k·0,25ᵏ
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = (3s + 26)/(s² + 10s + 25) i oblicz f(0,25).

F(s) = (3s + 26)/(s² + 10s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

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

y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t01h(t)t15

Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = 0 s a t = 1 s, a h(t) tylko między t = 1 s a t = 5 s. Wyznacz czas tend, w którym kończy się y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 0 … 1 sh: 1 … 5 s
tend = s
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)1243−3

Fala trójkątna liniowo narasta i opada między −3 a +3 z okresem T = 2 ms. Wyznacz amplitudę c5 jej składowej Fouriera przy 2500 Hz.

±3T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,02987 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−28k = 130/300

Wyznacz k

k = ln(300/130)/28 = 0,02987 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,02987 min⁻¹
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.75) = −0,451

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 zespolone

r = −1 ± 4j

Stałe

A = 1, B = 1·1/4 = 0,25

Oblicz

y(0,75) = e−0,75(1·cos 3 + 0,25·sin 3) = −0,451

Odpowiedź

y(0,75) = −0,451
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 11

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 = 3

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 5·1 − 0·10 + 2·3 = 11

Odpowiedź

det A = 11
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 0,1667

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)·5 − 5·5 = −30

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = (−8)·5 − 5·(−7) = −5
x = −5/(−30) = 0,1667

Odpowiedź

x = 0,1667
y = −1,567
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = 21

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 = 3·(−1) + (−2)·(−6) + 3·4 = (−3) + 12 + 12 = 21

Odpowiedź

a·b = 21

Dodatni: kąt między wektorami jest mniejszy niż 90°.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: n̂x = 0,788

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) − 4·(−3) = 32
(a × b)y = azbx − axbz = 4·0 − (−5)·(−4) = −20
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−3) − (−5)·0 = 15

Normalizacja

Składowa z wektora a × b jest już dodatnia.

|a × b| = √(32² + (−20)² + 15²) = 40,61
n̂ = (32, −20, 15)/40,61 = (0,788, −0,4925, 0,3694)
n̂x = 0,788

Odpowiedź

n̂x = 0,788
7.Całki

Odpowiedź: I = 1,099

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) = ln x

Podstaw granice

I = (ln 6 − ln 2) = ln 3 = 1,099

Odpowiedź

I = 1,099
8.Całki

Odpowiedź: A = 10,67

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.

Miejsca zerowe

4 − x² = 0 → x = ±2

Całkuj

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Odpowiedź

A = 10,67
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: dz/dt = 19

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(−1) = 2, y(−1) = −3
dx/dt = −1, dy/dt = −2t = 2

Pochodne cząstkowe

fx = 6xy + y = −39
fy = 3x² + 8y + x = −10

Reguła łańcuchowa

dz/dt = (−39)·(−1) + (−10)·2 = 19

Odpowiedź

dz/dt = 19
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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2

Odwrócona kolejność

I = ∫01,2 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫01,2 y·1/(1 + y²)² dy

Podstawienie u = y²

I = [−1/(2(1 + y²))]01,2 = 0,2951

Odpowiedź

I = 0,2951
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: R = 0,2

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.

Współczynniki

Szereg jest względem x²: jest zbieżny dla 25·x² < 1, czyli |x| < 1/5.

Promień

R = 0,2

Odpowiedź

R = 0,2

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

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 0,4444

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 k·xᵏ = x/(1 − x)²

Podstaw

x = 0,25
S = 0,25/(1 − 0,25)² = 0,4444

Odpowiedź

S = 0,4444
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.25) = 1,647

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Ułamki proste

3s + 26 = 3(s + 5) + 11
F(s) = 3/(s + 5) + 11/(s + 5)²

Transformata odwrotna

f(t) = 3·e−5t + 11·t·e−5t
f(0,25) = (3 + 11·0,25)·e−5·0,25 = 1,647

Odpowiedź

f(0,25) = 1,647
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.4) = 5,855

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 + 4s + 3)·Y(s) = 6s + 24 + 15/s
Y(s) = (6s² + 24s + 15)/(s(s + 1)(s + 3))

Ułamki proste

A = 15/(1·3) = 5
B = −3/((−1)·2) = 1,5
C = −3/((−3)·(−2)) = −0,5

Wynik

y(t) = 5 + 1,5·e−t − 0,5·e−3t
y(0,4) = 5,855

Odpowiedź

y(0,4) = 5,855

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 6.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: tend = 6 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 = 0 + 1 = 1 s
tend = 1 + 5 = 6 s

Odpowiedź

tend = 6 s

Odpowiedź

tend = 6 s
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c5 = 0,09727

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 = 500 Hz → k = 5

Amplituda

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Odpowiedź

c5 = 0,09727

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