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
tyy(0) = 1y(1) = ?

Rozwiąż y″ + 8y′ + 16y = 0 z y(0) = 1 i y′(0) = -2. Wyznacz y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
xy13(1, −1)y(3) = ?

Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + 3y/x = 5x2 dla x > 0, z y(1) = −1. Wyznacz y(3).

y′ + 3y/x = 5x2y(1) = −1
y(3) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−1624B =−2−4−4−2

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

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

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [4 −3; 6 −5]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzdFAB

Stała siła F = (−20, −20, −15) N działa na ciało, które porusza się po linii prostej od punktu A(5, 4, −3) do punktu B(0, 5, −2). Współrzędne podano w metrach. Znajdź pracę W wykonaną przez siłę.

F = (−20, −20, −15) NA(5, 4, −3) mB(0, 5, −2) m
W = J
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzABC

Znajdź pole A trójkąta o wierzchołkach A(−3, −1, 2), B(3, 0, 2) i C(3, 0, 0). Współrzędne podano w metrach.

A(−3, −1, 2)B(3, 0, 2)C(3, 0, 0)
A = m²
7.CałkiŚredni
xy24

Oblicz I = ∫24 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 4]
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
xy33P

Użyj płaszczyzny stycznej do f(x, y) = 3x³y³ + 3x³ + 5y² − 2xy w punkcie (3, 3), aby przybliżyć f(2,8, 2,8). Podaj przybliżenie liniowe L.

f(x, y) = 3x³y³ + 3x³ + 5y² − 2xy(a, b) = (3, 3)(x, y) = (2,8, 2,8)
L =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = 3xy = x²39

Znajdź pole I = ∬R 1 dA obszaru R między parabolą y = x² a prostą y = 3x.

y = x²y = 3xf = 1
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 3/k⁴k = 1 … ∞CΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 3/k⁴C: Σ 1/(2ᵏ + k)D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 3/k⁴
  3. 3C: Σ 1/(2ᵏ + k)
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·1,22k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·1,22k/(2k)!
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = (3s + 40)/(s² + 4s + 4) i oblicz f(0,4).

F(s) = (3s + 40)/(s² + 4s + 4)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t), przy y(0) = 2 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 4. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,2).

y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t12h(t)t43

Impuls x(t) = 2 dla 0 ≤ t < 1 s (poza tym zero) podano na układ o odpowiedzi impulsowej h(t) = 3 dla 0 ≤ t < 4 s (poza tym zero). Wyznacz wyjście y(4,5) w t = 4,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ[n]3+h[n]0,8·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = 0,8·y[n − 1] + 3·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wyznacz próbkę h[5] jego odpowiedzi impulsowej.

y[n] = 0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1) = 0,05495

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.

Pierwiastek podwójny

(r + 4)² = 0 → r = −4

Stałe

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 4 = 2

Oblicz

y(1) = (1 + 2·1)·e−4 = 0,05495

Odpowiedź

y(1) = 0,05495
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(3) = 22,43

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.

Czynnik całkujący

μ = e∫3/x dx = x3

Całkuj

(x3y)′ = 5x5 → x3y = 5x6/6 + C

Warunek początkowy

−1 = 5/6 + C → C = −1,833

Oblicz

y(3) = (5·36/6 + (−1,833))/33 = 22,43

Odpowiedź

y(3) = 22,43
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c12 = −8

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 = (−1)·(−4) + 6·(−2) = −8

Odpowiedź

c12 = −8
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 − (−1)λ + (−2) = 0

Rozwiąż

λ = (−1 ± √(9))/2 → λ = −2, 1
λ = 1

Odpowiedź

λ = 1
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: W = 65 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 = (0, 5, −2) − (5, 4, −3) = (−5, 1, 1) m

Praca

W = F·d = (−20)·(−5) + (−20)·1 + (−15)·1 = 65 J

Odpowiedź

W = 65 J
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 6,083 m²

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.

Wektory krawędzi

AB = B − A = (6, 1, 0)
AC = C − A = (6, 1, −2)

Iloczyn wektorowy

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 1·(−2) − 0·1 = −2
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 0·6 − 6·(−2) = 12
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 6·1 − 1·6 = 0
|AB × AC| = √((−2)² + 12² + 0²) = 12,17

Pole trójkąta

A = ½·12,17 = 6,083 m²

Odpowiedź

A = 6,083 m²
7.Całki

Odpowiedź: I = 1,386

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) = 2·ln x

Podstaw granice

I = 2·(ln 4 − ln 2) = 2·ln 2 = 1,386

Odpowiedź

I = 1,386
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: L = 1400

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(3, 3) = 2295
fx = 9x²y³ + 9x² − 2y → fx(3, 3) = 2262
fy = 9x³y² + 10y − 2x → fy(3, 3) = 2211

Płaszczyzna styczna

z = 2295 + 2262(x − 3) + 2211(y − 3)
z = 2262x + 2211y − 11124

Przybliżenie liniowe

L = 2295 + 2262·(−0,2) + 2211·(−0,2) = 1400

Odpowiedź

L = 1400

Dokładna wartość to f = 1535,05; płaszczyzna jest blisko, bo krok jest mały.

10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 4,5

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 = 3x → x = 0, x = 3

Całka wewnętrzna

∫x²3x 1 dy = 3x − x²

Całka zewnętrzna

I = ∫03 (3x − x²) dx = 4,5

Odpowiedź

I = 4,5
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ ln 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 3/k⁴ → Szereg p z p = 4 > 1: zbieżny.
C: Σ 1/(2ᵏ + k) → Mniejszy niż (1/2)ᵏ, zbieżny szereg geometryczny: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
D: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.

Odpowiedź

D: Σ ln k / k

Odpowiedź

D: Σ ln k / k
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 0,3624

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/(2k)! = cos x

Podstaw

x = 1,2
S = cos 1,2 = 0,3624

Odpowiedź

S = 0,3624
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.4) = 7,459

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

Ułamki proste

3s + 40 = 3(s + 2) + 34
F(s) = 3/(s + 2) + 34/(s + 2)²

Transformata odwrotna

f(t) = 3·e−2t + 34·t·e−2t
f(0,4) = (3 + 34·0,4)·e−2·0,4 = 7,459

Odpowiedź

f(0,4) = 7,459
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.2) = 2,45

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 + 9s + 20)·Y(s) = 2s + 18 + 80/s
Y(s) = (2s² + 18s + 80)/(s(s + 4)(s + 5))

Ułamki proste

A = 80/(4·5) = 4
B = 40/((−4)·1) = −10
C = 40/((−5)·(−1)) = 8

Wynik

y(t) = 4 − 10·e−4t + 8·e−5t
y(0,2) = 2,45

Odpowiedź

y(0,2) = 2,45

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 2.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(4.5) = 3

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 ∈ [0,5, 1] → długość 0,5 s

Całka

y(4,5) = 2·3·0,5 = 3

Odpowiedź

y(4,5) = 3

y(t) jest trapezem: rośnie od 0, utrzymuje się na 6 i spada z powrotem do 0 w t = 5 s.

16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h[5] = 0,983

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] = 2,4
h[2] = 1,92
h[3] = 1,536
h[4] = 1,229
h[5] = 0,983

Wynik

h[5] = 3·(0,8)5 = 0,983

Odpowiedź

h[5] = 0,983

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