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) = 2y(1) = ?

Rozwiąż y″ + 7y′ + 12y = 0 z y(0) = 2 i y′(0) = -4. Wyznacz y(1).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
tyy(0) = 3y(0,75) = ?

Rozwiąż y″ + 4y′ + 29y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.

y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =1−15−41−432−3

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [1 −1 5; −4 1 −4; 3 2 −3]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =64−11

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [6 4; −1 1]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź kąt θ między wektorami a = (−4, 5, −4) i b = (−4, 6, 0), w stopniach.

a = (−4, 5, −4)b = (−4, 6, 0)
θ = °
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzrFOA

Siła F = (−20, 0, 50) N działa w punkcie A(3, −4, −4). Współrzędne podano w metrach. Znajdź składową y, czyli My, momentu tej siły względem punkt O(−2, 1, −2).

F = (−20, 0, 50) NA(3, −4, −4) mO(−2, 1, −2) m
My = N·m
7.CałkiŚredni
xy01

Oblicz I = ∫01 ex dx.

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

Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 2x2 i y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−11P

Użyj płaszczyzny stycznej do f(x, y) = x³y − 4x³ + 3y² − 3xy w punkcie (−1, 1), aby przybliżyć f(−0,8, 1,2). Podaj przybliżenie liniowe L.

f(x, y) = x³y − 4x³ + 3y² − 3xy(a, b) = (−1, 1)(x, y) = (−0,8, 1,2)
L =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy−202−202(0, 0)(1, 1)(−1, −1)

Znajdź punkty krytyczne funkcji f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy, sklasyfikuj je i podaj wartość fmin funkcji f w jej minimum lokalnym.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
fmin =
11.Ciągi i szeregiŚredni
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Zastosuj kryterium d’Alemberta do Σk=1∞ (k!)²·3ᵏ/(2k)!. Znajdź L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·3ᵏ/(2k)!
L =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=0∞ 1,5ᵏ/k!.

ak = 1,5ᵏ/k!
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 2)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(1).

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 2))t = 1 s
f(1) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Rozwiąż y″ + 7y′ + 6y = 0 dla y(0) = 7 i y′(0) = 14 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(1,2).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 7y′(0) = 14t = 1,2 s
y(1.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t5h(t)t1

Wejście x(t) = 5·e−5tu(t) podano na układ o h(t) = e−4tu(t). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s.

x(t) = 5·e−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)510202−2

Fala trójkątna liniowo narasta i opada między −2 a +2 z okresem T = 10 ms. Wyznacz amplitudę c3 jej składowej Fouriera przy 300 Hz.

±2T = 10 msf = 300 Hz
c3 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1) = 0,1625

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 charakterystyczne

(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Stałe z wartości początkowych

A + B = 2, −3A − 4B = -4
A = 4, B = −2

Oblicz

y(1) = 4·e−3 + (−2)·e−4 = 0,1625

Odpowiedź

y(1) = 0,1625
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.75) = −0,7023

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 = −2 ± 5j

Stałe

A = 3, B = 2·3/5 = 1,2

Oblicz

y(0,75) = e−1,5(3·cos 3,75 + 1,2·sin 3,75) = −0,7023

Odpowiedź

y(0,75) = −0,7023
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −26

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 = 24, M₁₃ = −11

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 1·5 − (−1)·24 + 5·(−11) = −26

Odpowiedź

det A = −26
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 5

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 − (7)λ + (10) = 0

Rozwiąż

λ = (7 ± √(9))/2 → λ = 2, 5
λ = 5

Odpowiedź

λ = 5
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 32,34 °

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 = (−4)·(−4) + 5·6 + (−4)·0 = 46

Długości

|a| = √((−4)² + 5² + (−4)²) = 7,55
|b| = √((−4)² + 6² + 0²) = 7,211

Kąt

cos θ = 46/(7,55·7,211) = 0,8449
θ = arccos(0,8449) = 32,34°

Odpowiedź

θ = 32,34°
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: My = −210 N·m

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.

Wektor położenia od O do A

r = A − O = (3, −4, −4) − (−2, 1, −2) = (5, −5, −2) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−5)·50 − (−2)·0 = −250 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·(−20) − 5·50 = −210 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 5·0 − (−5)·(−20) = −100 N·m

Żądana składowa

My = −210 N·m

Odpowiedź

My = −210 N·m
7.Całki

Odpowiedź: I = 1,718

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) = ex/1

Podstaw granice

I = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718

Odpowiedź

I = 1,718
8.Całki

Odpowiedź: A = 1,125

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 = 3x → x = 0, x = 1,5

Całkuj górną minus dolną

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Odpowiedź

A = 1,125
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: L = 8,2

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, 1) = 9
fx = 3x²y − 12x² − 3y → fx(−1, 1) = −12
fy = x³ + 6y − 3x → fy(−1, 1) = 8

Płaszczyzna styczna

z = 9 − 12(x + 1) + 8(y − 1)
z = −12x + 8y − 11

Przybliżenie liniowe

L = 9 + (−12)·0,2 + 8·0,2 = 8,2

Odpowiedź

L = 8,2

Dokładna wartość to f = 8,6336; płaszczyzna jest blisko, bo krok jest mały.

10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: fmin = −2

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 krytyczne

Rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0.

fx = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

Test drugiej pochodnej

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → punkt siodłowy
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → minimum lokalne
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → minimum lokalne

Wartość w ekstremum

f(−1, −1) = −2

Odpowiedź

fmin = −2
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: L = 0,75

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.

Iloraz kolejnych wyrazów

|ak+1/ak| = 3·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 3/4

Wniosek

L = 0,75 < 1

Odpowiedź

L = 0,75

L < 1, więc szereg jest zbieżny.

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 4,482

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 xᵏ/k! = eˣ

Podstaw

x = 1,5
S = e1,5 = 4,482

Odpowiedź

S = 4,482
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(1) = 4,995

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 + 1) + C/(s + 2)
A = 25/(1·2) = 12,5
B = 25/((−1)·1) = −25
C = 25/((−2)·(−1)) = 12,5

Transformata odwrotna

f(t) = 12,5 − 25·e−t + 12,5·e−2t

Oblicz

f(1) = 12,5 − 25·e−1 + 12,5·e−2·1 = 4,995

Odpowiedź

f(1) = 4,995
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(1.2) = 3,37

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 − 7s − 14 + 7(sY − 7) + 6Y = 0
Y(s) = (7s + 63)/((s + 1)(s + 6))

Ułamki proste

A = 56/5 = 11,2
B = 21/(−5) = −4,2

Wynik

y(t) = 11,2·e−t − 4,2·e−6t
y(1,2) = 3,37

Odpowiedź

y(1,2) = 3,37

Sprawdzenie: y(0) = A + B = 7.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 0,00145

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).

Całka splotu

y(t) = 5e−4t∫₀ᵗ e−(5 − 4)τ dτ = 5(e−4t − e−5t)/(1)

Oblicz

y(2) = 5·(0,0003355 − 4,54 × 10⁻⁵)/(1) = 0,00145

Odpowiedź

y(2) = 0,00145
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c3 = 0,1801

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 = 100 Hz → k = 3

Amplituda

c3 = 8·2/(π²·3²) = 0,1801

Odpowiedź

c3 = 0,1801

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