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) = 5y(0,5) = ?

Rozwiąż y″ + 4y′ + 4y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 1. Wyznacz y(0,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
xy12(1, −2)y(2) = ?

Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + 2y/x = 1 dla x > 0, z y(1) = −2. Wyznacz y(2).

y′ + 2y/x = 1y(1) = −2
y(2) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =5144−3−25−50

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [5 1 4; 4 −3 −2; 5 −5 0]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−11−33

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [−1 1; −3 3]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

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

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

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (−4, 6, 2) i b = (0, 3, −4).

a = (−4, 6, 2)b = (0, 3, −4)
A =
7.CałkiŚredni
xy02

Oblicz I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
8.CałkiTrudny
xyy = x2​y = x

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

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

z = x³y³ + 5x² + xy, gdzie x = −2t − 1 i y = 2t² + 1. Użyj reguły łańcuchowej, aby znaleźć dz/dt dla t = 0.

z = x³y³ + 5x² + xyx = −2t − 1y = 2t² + 1t = 0
dz/dt =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy02−20(2, −2)

Funkcja f(x, y) = −2x² + 5xy − 2y² + 18x − 18y + 2 ma punkt krytyczny w (2, −2). Oblicz tam wyróżnik D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −2x² + 5xy − 2y² + 18x − 18y + 2P = (2, −2)
D =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 1/k²k = 1 … ∞DΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

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

Funkcję f(x) = sin x przybliżono w x = 1,5 jej wielomianem Maclaurina stopnia n. Z oszacowaniem Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! i M = 1 znajdź najmniejszy stopień n, który gwarantuje błąd poniżej 1 × 10⁻⁶.

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = (3s + 16)/(s² + 2s + 1) i oblicz f(0,3).

F(s) = (3s + 16)/(s² + 2s + 1)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 8y′ + 15y = 75·u(t). Startuje ze stanu spoczynku (y(0) = 0, y′(0) = 0), a wejściem jest skok u(t) = 1 dla t ≥ 0. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź wyjście y(0,2).

y″ + 8y′ + 15y = 75·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t21h(t)t45

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

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 2,5 s
y(2.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)2485−5

Fala trójkątna liniowo narasta i opada między −5 a +5 z okresem T = 4 ms. Wyznacz amplitudę c5 jej składowej Fouriera przy 1250 Hz.

±5T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.5) = 3,863

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 + 2)² = 0 → r = −2

Stałe

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 10 = 11

Oblicz

y(0,5) = (5 + 11·0,5)·e−1 = 3,863

Odpowiedź

y(0,5) = 3,863
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(2) = 0,08333

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∫2/x dx = x2

Całkuj

(x2y)′ = x2 → x2y = 1x3/3 + C

Warunek początkowy

−2 = 1/3 + C → C = −2,333

Oblicz

y(2) = (1·23/3 + (−2,333))/22 = 0,08333

Odpowiedź

y(2) = 0,08333
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −80

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 = −10, M₁₂ = 10, M₁₃ = −5

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 5·(−10) − 1·10 + 4·(−5) = −80

Odpowiedź

det A = −80
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 2

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 − (2)λ + (0) = 0

Rozwiąż

λ = (2 ± √(4))/2 → λ = 0, 2
λ = 2

Odpowiedź

λ = 2
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: compb a = −3,536

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 = (−5)·(−1) + 0·(−1) + (−5)·4 = −15

Długość b

|b| = √((−1)² + (−1)² + 4²) = 4,243

Rzut skalarny

compb a = a·b/|b| = −15/4,243 = −3,536

Odpowiedź

compb a = −3,536

Ujemny: a ma składową skierowaną przeciwnie do b.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 36,06

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·(−4) − 2·3 = −30
(a × b)y = azbx − axbz = 2·0 − (−4)·(−4) = −16
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·3 − 6·0 = −12

Powierzchnia

A = |a × b| = √((−30)² + (−16)² + (−12)²) = 36,06

Odpowiedź

A = 36,06
7.Całki

Odpowiedź: I = 156

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.

Podstawienie

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

Scałkuj i podstaw granice

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

Odpowiedź

I = 156
8.Całki

Odpowiedź: A = 0,1667

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

x2 = x → x = 0, x = 1

Całkuj górną minus dolną

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

Odpowiedź

A = 0,1667
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: dz/dt = 12

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

Pochodne cząstkowe

fx = 3x²y³ + 10x + y = −6
fy = 3x³y² + x = −4

Reguła łańcuchowa

dz/dt = (−6)·(−2) + (−4)·0 = 12

Odpowiedź

dz/dt = 12
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: D = −9

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).

Pochodne drugiego rzędu

fxx = −4, fyy = −4, fxy = 5

Wyróżnik

D = (−4)·(−4) − 5² = −9
→ punkt siodłowy

Odpowiedź

D = −9
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: A: Σ (4/3)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 (4/3)ᵏ → Geometryczny z r = 4/3 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Naprzemienny, 1/√k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).
C: Σ 1/k² → Szereg p z p = 2 > 1: zbieżny.
D: Σ (2/5)ᵏ → Geometryczny z r = 2/5, |r| < 1: zbieżny.

Odpowiedź

A: Σ (4/3)ᵏ

Odpowiedź

A: Σ (4/3)ᵏ
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: n = 11

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.

n(n + 1)!oszacowanie011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059936288001,589 × 10⁻⁵10399168002,167 × 10⁻⁶114790016002,709 × 10⁻⁷

Oszacowania dla rosnących n

n = 10: 2,167 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 11: 2,709 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

Najmniejszy stopień

n = 11

Odpowiedź

n = 11
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.3) = 5,112

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

Ułamki proste

3s + 16 = 3(s + 1) + 13
F(s) = 3/(s + 1) + 13/(s + 1)²

Transformata odwrotna

f(t) = 3·e−t + 13·t·e−t
f(0,3) = (3 + 13·0,3)·e−0,3 = 5,112

Odpowiedź

f(0,3) = 5,112
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.2) = 0,899

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

Y(s) = 75/(s(s + 3)(s + 5))

Ułamki proste

A = 75/(3·5) = 5
B = 75/((−3)·2) = −12,5
C = 75/((−5)·(−2)) = 7,5

Wydalone

y(t) = 5 − 12,5·e−3t + 7,5·e−5t
y(0,2) = 0,899

Odpowiedź

y(0,2) = 0,899
15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2.5) = 10

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, 2] → długość 2 s

Całka

y(2,5) = 1·5·2 = 10

Odpowiedź

y(2,5) = 10

y(t) jest trapezem: rośnie od 0, utrzymuje się na 10 i spada z powrotem do 0 w t = 6 s.

16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c5 = 0,1621

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 = 250 Hz → k = 5

Amplituda

c5 = 8·5/(π²·5²) = 0,1621

Odpowiedź

c5 = 0,1621

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