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
Zapisz każdy wektor w składowych; dla siły podanej przez wartość i kąt użyj F·cos θ i F·sin θ.
Do długości i kierunków użyj długości √(x² + y² + z²) i wersora a/|a|.
Iloczyn skalarny stosuj do kątów, rzutów, prostopadłości i pracy: a·b = |a||b|cos θ.
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
Tam, gdzie to możliwe, zapisz funkcję podcałkową jako sumę prostych wyrazów.
Zastosuj wzór na całkę potęgi: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) oraz całki podstawowe dla ex, 1/x, sin i cos.
Użyj podstawienia, gdy widzisz razem funkcję i jej pochodną.
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
Przy pochodnej cząstkowej traktuj drugą zmienną jak stałą i używaj reguł dla jednej zmiennej.
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.
Dla ekstremów rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0, a potem sklasyfikuj każdy punkt przez D = fxx·fyy − fxy².
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
Rozpoznaj typ: arytmetyczny (stała różnica), geometryczny (stały iloraz), szereg standardowy, szereg potęgowy lub wielomian Taylora.
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.
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.
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
Naszkicuj oba sygnały i zaznacz, gdzie każdy z nich jest niezerowy.
Odwróć h i przesuwaj je: dla każdej chwili wyjścia znajdź zakres, w którym oba sygnały się nakładają.
Mnóż i dodawaj (dyskretnie) lub mnóż i całkuj (ciągle) tylko po tym nakładaniu.
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
Rozwiąż y″ + 7y′ + 12y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = 1. Wyznacz y(2).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(2) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Układ spełnia równanie y″ + 4y′ + 29y = 145 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.
y″ + 4y′ + 29y = 145y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c11 (wiersz 1, kolumna 1).
A = [5 3; −3 4]B = [−4 −5; −3 6]
c11 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.
A = [0 2; −1 3]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
Znajdź kąt θ między wektorami a = (6, −3, −1) i b = (5, −4, 1), w stopniach.
a = (6, −3, −1)b = (5, −4, 1)
θ = °
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
Dla a = (2, 0, 6) i b = (6, −2, 0) znajdź składową y, czyli (a × b)y, iloczynu wektorowego a × b.
a = (2, 0, 6)b = (6, −2, 0)
(a × b)y =
7.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₀2 x·cos x dx (x w radianach).
∫₀2 x·cos x dx
I =
8.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 9 − x² a osią x.
y = 9 − x²
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
Użyj płaszczyzny stycznej do f(x, y) = −y·e2xy w punkcie (2, 1), aby przybliżyć f(1,8, 1,2). Podaj przybliżenie liniowe L.
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
Zaznaczone punkty to punkty krytyczne funkcji f(x, y) = x³ − 3x + y² + 4y. Kliknij punkt siodłowy.
f(x, y) = x³ − 3x + y² + 4y
1A (1, −2)
2B (−1, −2)
11.Ciągi i szeregiŚredni
Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.
A: Σ 1/k³B: Σ 1/(3ᵏ + k)C: Σ (5/3)ᵏD: Σ k³/3ᵏ
1A: Σ 1/k³
2B: Σ 1/(3ᵏ + k)
3C: Σ (5/3)ᵏ
4D: Σ k³/3ᵏ
12.Ciągi i szeregiTrudny
Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=1∞ k·0,25ᵏ.
ak = k·0,25ᵏ
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
F(s) = (5s + 29)/(s² + 9s + 14). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−2t + B·e−7t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.
F(s) = (5s + 29)/(s² + 9s + 14)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
Rozwiąż y″ + 5y′ + 4y = 0 dla y(0) = 6 i y′(0) = −12 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 6y′(0) = −12t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
Wejście x(t) = 1·e−5tu(t) podano na układ o h(t) = e−2tu(t). Wyznacz wyjście y(0,25) w t = 0,25 s.
x(t) = 1·e−5tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
Wejście x(t) = 2·cos(4t) podano na układ o h(t) = 2·e−2tu(t). Wyznacz fazę φ wyjścia w stanie ustalonym względem wejścia, w stopniach.
h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
φ = °
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(2) = 0,02887
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 = 3, −3A − 4B = 1
A = 13, B = −10
Oblicz
y(2) = 13·e−6 + (−10)·e−8 = 0,02887
Odpowiedź
y(2) = 0,02887
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: ymax = 6,423
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 = 5, r = −2 ± 5j
Stałe z wartości początkowych
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −2
Szczyt
t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−2·π/5) = 6,423
Odpowiedź
ymax = 6,423
3.Macierze i wyznaczniki
Odpowiedź: c11 = −29
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
c11 = 5·(−4) + 3·(−3) = −29
Odpowiedź
c11 = −29
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 − (3)λ + (2) = 0
Rozwiąż
λ = (3 ± √(1))/2 → λ = 1, 2
λ = 2
Odpowiedź
λ = 2
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: θ = 21,13 °
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 = 6·5 + (−3)·(−4) + (−1)·1 = 41
Długości
|a| = √(6² + (−3)² + (−1)²) = 6,782
|b| = √(5² + (−4)² + 1²) = 6,481
Kąt
cos θ = 41/(6,782·6,481) = 0,9328
θ = arccos(0,9328) = 21,13°
Odpowiedź
θ = 21,13°
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: (a × b)y = 36
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, składowa po składowej
(a × b)x = aybz − azby = 0·0 − 6·(−2) = 12
(a × b)y = azbx − axbz = 6·6 − 2·0 = 36
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−2) − 0·6 = −4
Żądana składowa
(a × b)y = 36
Odpowiedź
(a × b)y = 36
Sprawdzenie: a × b jest prostopadły do obu wektorów, więc jego iloczyn skalarny z a i z b jest równy zero.
7.Całki
Odpowiedź: I = 0,4024
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.
Wybierz u i dv
u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Funkcja pierwotna
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Granice
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Odpowiedź
I = 0,4024
8.Całki
Odpowiedź: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Całkuj
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Odpowiedź
A = 36
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: L = −87,36
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(2, 1) = −54,6
fx = −2y²e2xy → fx(2, 1) = −109,2
fy = −e2xy(1 + 2xy) → fy(2, 1) = −273
Płaszczyzna styczna
z = −54,6 − 109,2(x − 2) − 273(y − 1)
z = −109,2x − 273y + 436,8
Przybliżenie liniowe
L = −54,6 + (−109,2)·(−0,2) + (−273)·0,2 = −87,36
Odpowiedź
L = −87,36
Dokładna wartość to f = −90,226354; płaszczyzna jest blisko, bo krok jest mały.
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: B (−1, −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 = (3x² − 3) = 0
fy = (2y + 4) = 0
(1, −2), (−1, −2)
Test drugiej pochodnej
(1, −2): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → minimum lokalne
(−1, −2): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → punkt siodłowy
Punkt
B (−1, −2): punkt siodłowy
Odpowiedź
B (−1, −2)
11.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: C: 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 1/k³ → Szereg p z p = 3 > 1: zbieżny.
B: Σ 1/(3ᵏ + k) → Mniejszy niż (1/3)ᵏ, zbieżny szereg geometryczny: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
C: Σ (5/3)ᵏ → Geometryczny z r = 5/3 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.
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 k·xᵏ = x/(1 − x)²
Podstaw
x = 0,25
S = 0,25/(1 − 0,25)² = 0,4444
Odpowiedź
S = 0,4444
13.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: A = 3,8
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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)
Metoda zakrywania
Pomnóż przez (s + 2) i podstaw s = −2: składnik z B znika.
A = (5s + 29)/(s + 7) |s = −2 = 19/5 = 3,8
Odpowiedź
A = 3,8
(B = 1,2, więc f(t) = 3,8·e−2t + 1,2·e−7t)
14.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: y(0.5) = 2,697
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 − 6s − (−12) + 5(sY − 6) + 4Y = 0
Y(s) = (6s + 18)/((s + 1)(s + 4))
Ułamki proste
A = 12/3 = 4
B = −6/(−3) = 2
Wynik
y(t) = 4·e−t + 2·e−4t
y(0,5) = 2,697
Odpowiedź
y(0,5) = 2,697
Sprawdzenie: y(0) = A + B = 6.
15.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: y(0.25) = 0,1067
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).
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)|.