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)60Ta​77 °C

Odkuwkę stalową o temperaturze 340 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 25 °C. Po 60 min jej temperatura wynosi 77 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 340 °CTa = 25 °CT(60) = 77 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
t (min)m (kg)t = ?21 kg

Zbiornik zawiera 500 L wody, w której rozpuszczono 10 kg soli. Solanka zawierająca 0,05 kg soli na litr wpływa z natężeniem 20 L/min, a dobrze wymieszany roztwór wypływa z tym samym natężeniem. Po ilu minutach t zbiornik będzie zawierał 21 kg soli?

V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,05 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−1−5−2310015

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−1 −5 −2; 3 1 0; 0 1 5]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =5−38−5

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [5 −3; 8 −5]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź rzut skalarny compb a wektora a = (0, −1, −4) na b = (1, 1, −5), czyli składową a w kierunku b.

a = (0, −1, −4)b = (1, 1, −5)
compb a =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzabc

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

a = (2, −3, 5)b = (−3, 2, 1)c = (5, 5, −1)
V =
7.CałkiŚredni
xy2y = √(x)

Obszar pod krzywą y = √(x) od x = 0 do x = 2 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).

y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
8.CałkiTrudny
xy2y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy10,5P

Płaszczyznę styczną do z = x³e0,5y w punkcie, gdzie (x, y) = (1, 0,5), można zapisać jako z = px + qy + c. Znajdź c.

f(x, y) = x³e0,5y(a, b) = (1, 0,5)
c =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy1

Użyj współrzędnych biegunowych, aby obliczyć I = ∬R (x² + y²) dA, gdzie R to: górna połowa koła x² + y² ≤ 1 (y ≥ 0).

f = x² + y²0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ π
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞BΣ k/(k + 6)k = 1 … ∞CΣ (k + 1)/k²k = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 9)k = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest zbieżny. Kliknij go.

A: Σ k!/2ᵏB: Σ k/(k + 6)C: Σ (k + 1)/k²D: Σ 1/(k² + 9)
  1. 1A: Σ k!/2ᵏ
  2. 2B: Σ k/(k + 6)
  3. 3C: Σ (k + 1)/k²
  4. 4D: Σ 1/(k² + 9)
12.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₃−0,4

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 3 funkcji f(x) = 1/(1 − x), aby przybliżyć f(−0,4). Podaj P₃(−0,4).

f(x) = 1/(1 − x)n = 3x = −0,4
P₃(−0.4) =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 4)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,3).

F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Rozwiąż y″ + 9y′ + 18y = 0 dla y(0) = 5 i y′(0) = −7 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 5y′(0) = −7t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t22h(t)t31

Impuls x(t) = 2 dla 0 ≤ t < 2 s (poza tym zero) podano na układ o odpowiedzi impulsowej h(t) = 1 dla 0 ≤ t < 3 s (poza tym zero). Wyznacz wyjście y(0,5) w t = 0,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 3 st = 0,5 s
y(0.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
u[n]4+y[n]−0,8·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = −0,8·y[n − 1] + 4·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wejściem jest skok jednostkowy x[n] = u[n]. Wyznacz y[2].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,03002 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−60k = 52/315

Wyznacz k

k = ln(315/52)/60 = 0,03002 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,03002 min⁻¹
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 33,04 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) = 25 + (−15)·e−t/25

Wyznacz t

e−t/25 = (25 − 21)/(25 − 10) = 0,2667
t = 25·ln(3,75) = 33,04 min

Odpowiedź

t = 33,04 min
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 64

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 = 15, M₁₃ = 3

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−1)·5 − (−5)·15 + (−2)·3 = 64

Odpowiedź

det A = 64
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 1

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 − (0)λ + (−1) = 0

Rozwiąż

λ = (0 ± √(4))/2 → λ = −1, 1
λ = 1

Odpowiedź

λ = 1
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: compb a = 3,657

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 = 0·1 + (−1)·1 + (−4)·(−5) = 19

Długość b

|b| = √(1² + 1² + (−5)²) = 5,196

Rzut skalarny

compb a = a·b/|b| = 19/5,196 = 3,657

Odpowiedź

compb a = 3,657
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: V = 145

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 = 2·(−1) − 1·5 = −7
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·5 − (−3)·(−1) = 2
(b × c)z = bxcy − bycx = (−3)·5 − 2·5 = −25

Iloczyn skalarny z a

a·(b × c) = 2·(−7) + (−3)·2 + 5·(−25) = −145
V = |−145| = 145

Odpowiedź

V = 145
7.Całki

Odpowiedź: V = 6,283

Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.

Metoda dysków

V = π∫₀2 x dx

Całkuj

V = π·1·2²/2 = 6,283

Odpowiedź

V = 6,283
8.Całki

Odpowiedź: I = 12,78

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.

Pierwsza runda

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Druga runda

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Granice

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Odpowiedź

I = 12,78
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: c = −2,889

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.

Wartość i nachylenia w punkcie

f(1, 0,5) = 1,284
fx = 3x²e0,5y → fx(1, 0,5) = 3,852
fy = 0,5x³e0,5y → fy(1, 0,5) = 0,642

Płaszczyzna styczna

z = 1,284 + 3,852(x − 1) + 0,642(y − 0,5)
z = 3,852x + 0,642y − 2,889

Wyraz stały

c = −2,889

Odpowiedź

c = −2,889
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,7854

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 ∫01 r²·r dr dθ

Całkuj

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 0,7854

Odpowiedź

I = 0,7854
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ 1/(k² + 9)

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 k!/2ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = lim (k + 1)/2 = ∞, rozbieżny.
B: Σ k/(k + 6) → Wyrazy dążą do 1, a nie do 0: rozbieżny na mocy warunku koniecznego.
C: Σ (k + 1)/k² → Dla dużych k zachowuje się jak 1/k: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.
D: Σ 1/(k² + 9) → Mniejszy niż 1/k², zbieżny szereg p: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.

Odpowiedź

D: Σ 1/(k² + 9)

Odpowiedź

D: Σ 1/(k² + 9)
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₃(−0.4) = 0,696

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) = 1 + x + x² + x³

Podstaw

P₃(−0,4) = 1 − 0,4 + 0,16 − 0,064 = 0,696

Odpowiedź

P₃(−0,4) = 0,696

Dokładna wartość to f(−0,4) = 0,714286; błąd 0,0182857 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.3) = 0,6933

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).

Ułamki proste

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 4)
A = 30/(3·4) = 2,5
B = 30/((−3)·1) = −10
C = 30/((−4)·(−1)) = 7,5

Transformata odwrotna

f(t) = 2,5 − 10·e−3t + 7,5·e−4t

Oblicz

f(0,3) = 2,5 − 10·e−3·0,3 + 7,5·e−4·0,3 = 0,6933

Odpowiedź

f(0,3) = 0,6933
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.2) = 3,404

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 − 5s − (−7) + 9(sY − 5) + 18Y = 0
Y(s) = (5s + 38)/((s + 3)(s + 6))

Ułamki proste

A = 23/3 = 7,667
B = 8/(−3) = −2,667

Wynik

y(t) = 7,667·e−3t − 2,667·e−6t
y(0,2) = 3,404

Odpowiedź

y(0,2) = 3,404

Sprawdzenie: y(0) = A + B = 5.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(0.5) = 1

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).

Nakładanie odwróconego impulsu

h(t − τ) to impuls h odwrócony i przesunięty tak, że kończy się w τ = t.

τ ∈ [0, 0,5] → długość 0,5 s

Całka

y(0,5) = 2·1·0,5 = 1

Odpowiedź

y(0,5) = 1

y(t) jest trapezem: rośnie od 0, utrzymuje się na 4 i spada z powrotem do 0 w t = 5 s.

16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y[2] = 3,36

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

y[0] = 4
y[1] = 0,8
y[2] = 3,36

Wynik

y[2] = 4·(1 − (−0,8)3)/(1 − (−0,8)) = 3,36

Odpowiedź

y[2] = 3,36

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