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(1,5) = ?

Rozwiąż y″ + 3y′ + 2y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 1. Wyznacz y(1,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(1.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 10ymax​ = ?

Układ spełnia równanie y″ + y′ + 16,25y = 162,5 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.

y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =2−45−52−1−11−3

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [2 −4 5; −5 2 −1; −1 1 −3]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−444−6b =−7−1

Rozwiąż układ −4x + 4y = −7 i 4x − 6y = −1. Wyznacz x.

−4x + 4y = −74x − 6y = −1
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź wartość k, dla której wektory a = (−3, 5, 4) i b = (−2, 4, k) są prostopadłe.

a = (−3, 5, 4)b = (−2, 4, k)
k =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (5, −4, 2) i b = (−2, −4, −6).

a = (5, −4, 2)b = (−2, −4, −6)
A =
7.CałkiŚredni
xy01

Oblicz I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
8.CałkiTrudny
xy1,5y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy0,5−1∇fP

Dla f(x, y) = y·e−xy znajdź kierunek najszybszego wzrostu w punkcie (0,5, −1) jako kąt θ od dodatniej osi x, w stopniach między −180° a 180°.

f(x, y) = y·e−xyP = (0,5, −1)
θ = °
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy1

Użyj współrzędnych biegunowych, aby obliczyć I = ∬R √(x² + y²) dA, gdzie R to: ćwiartka koła x² + y² ≤ 1 w pierwszej ćwiartce układu.

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ k/3ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞CΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ k/3ᵏB: Σ 1/(k(k + 4))C: Σ (3/4)ᵏD: Σ (5/3)ᵏ
  1. 1A: Σ k/3ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 4))
  3. 3C: Σ (3/4)ᵏ
  4. 4D: Σ (5/3)ᵏ
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,25ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0,25ᵏ/k
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 10/(s(s + 4)(s + 6)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,1).

F(s) = 10/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t), przy y(0) = 6 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 4. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,3).

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t−12h(t)t−13

Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = −1 s a t = 2 s, a h(t) tylko między t = −1 s a t = 3 s. Wyznacz czas tend, w którym kończy się y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −1 … 2 sh: −1 … 3 s
tend = s
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)0,6245

Ciąg impulsów ma wysokość 5, szerokość impulsu 0,6 ms i okres 2 ms. Wyznacz amplitudę c3 harmonicznej numer 3, przy 1500 Hz.

A = 5τ = 0,6 msT = 2 ms
c3 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 2,156

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 + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Stałe z wartości początkowych

A + B = 5, −1A − 2B = 1
A = 11, B = −6

Oblicz

y(1,5) = 11·e−1,5 + (−6)·e−3 = 2,156

Odpowiedź

y(1,5) = 2,156
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: ymax = 16,75

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.

Wartość ustalona i pierwiastki

yss = 10, r = −0,5 ± 4j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25

Szczyt

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/4) = 16,75

Odpowiedź

ymax = 16,75
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 31

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 = 14, M₁₃ = −3

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 2·(−5) − (−4)·14 + 5·(−3) = 31

Odpowiedź

det A = 31
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 5,75

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 = (−4)·(−6) − 4·4 = 8

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = (−7)·(−6) − 4·(−1) = 46
x = 46/8 = 5,75

Odpowiedź

x = 5,75
y = 4
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: k = −6,5

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 równa się zero

a·b = (−3)·(−2) + 5·4 + 4·k = 0
26 + 4·k = 0

Wyznacz k

k = −26/4 = −6,5

Odpowiedź

k = −6,5
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 49,84

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 = (−4)·(−6) − 2·(−4) = 32
(a × b)y = azbx − axbz = 2·(−2) − 5·(−6) = 26
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−4) − (−4)·(−2) = −28

Powierzchnia

A = |a × b| = √(32² + 26² + (−28)²) = 49,84

Odpowiedź

A = 49,84
7.Całki

Odpowiedź: I = 1,5

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 = ∫12 u1 du

Scałkuj i podstaw granice

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5

Odpowiedź

I = 1,5
8.Całki

Odpowiedź: I = 3,602

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

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Odpowiedź

I = 3,602
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: θ = 123,7 °

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.

Pochodne cząstkowe

fx = −y²e−xy → fx(0,5, −1) = −1,649
fy = e−xy(1 − xy) → fy(0,5, −1) = 2,473

Kierunek

θ = atan2(2,473, −1,649) = 123,7°

Odpowiedź

θ = 123,7°
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,5236

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/2 ∫01 r·r dr dθ

Całkuj

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 0,5236

Odpowiedź

I = 0,5236
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ (5/3)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 k/3ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = 1/3 < 1, zbieżny.
B: Σ 1/(k(k + 4)) → Mniejszy niż 1/k²: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
C: Σ (3/4)ᵏ → Geometryczny z r = 3/4, |r| < 1: zbieżny.
D: Σ (5/3)ᵏ → Geometryczny z r = 5/3 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.

Odpowiedź

D: Σ (5/3)ᵏ

Odpowiedź

D: Σ (5/3)ᵏ
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 0,2231

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)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Podstaw

x = 0,25
S = ln 1,25 = 0,2231

Odpowiedź

S = 0,2231
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.1) = 0,03611

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 + 4) + C/(s + 6)
A = 10/(4·6) = 0,4167
B = 10/((−4)·2) = −1,25
C = 10/((−6)·(−2)) = 0,8333

Transformata odwrotna

f(t) = 0,4167 − 1,25·e−4t + 0,8333·e−6t

Oblicz

f(0,1) = 0,4167 − 1,25·e−4·0,1 + 0,8333·e−6·0,1 = 0,03611

Odpowiedź

f(0,1) = 0,03611
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.3) = 8,562

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 + 10s + 24)·Y(s) = 6s + 60 + 288/s
Y(s) = (6s² + 60s + 288)/(s(s + 4)(s + 6))

Ułamki proste

A = 288/(4·6) = 12
B = 144/((−4)·2) = −18
C = 144/((−6)·(−2)) = 12

Wynik

y(t) = 12 − 18·e−4t + 12·e−6t
y(0,3) = 8,562

Odpowiedź

y(0,3) = 8,562

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

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: tend = 5 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 = −1 + (−1) = −2 s
tend = 2 + 3 = 5 s

Odpowiedź

tend = 5 s

Odpowiedź

tend = 5 s
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c3 = 0,3279

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)|.

Współczynnik wypełnienia

D = 0,6/2 = 0,3

Amplituda harmonicznej

c3 = (2·5/(3π))·|sin(3π·0,3)| = 0,3279

Odpowiedź

c3 = 0,3279

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