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
t (min)T (°C)13Ta​T = ?

Filiżankę kawy o temperaturze 89 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 22 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,04 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 13 min.

T0 = 89 °CTa = 22 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 13 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
tyy(0) = 5y(0,75) = ?

Rozwiąż y″ + 4y′ + 20y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 0 (start ze spoczynku). Wyznacz y(0,75); kąty w radianach.

y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =460−6B =245−1

Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c11 (wiersz 1, kolumna 1).

A = [4 6; 0 −6]B = [2 4; 5 −1]
c11 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =03−58

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [0 3; −5 8]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź iloczyn skalarny a·b wektorów a = (2, 7, −7) i b = (5, −5, −6).

a = (2, 7, −7)b = (5, −5, −6)
a·b =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzabc

Znajdź objętość V równoległościanu, którego krawędzie wychodzące z jednego wierzchołka to a = (−3, 2, 0), b = (−2, −1, 3) i c = (−4, −5, −5).

a = (−3, 2, 0)b = (−2, −1, 3)c = (−4, −5, −5)
V =
7.CałkiŚredni
xy03

Oblicz I = ∫03 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 3]
I =
8.CałkiTrudny
xyy = x2​y = 2x

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

y = x2y = 2x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy2−1P

Użyj płaszczyzny stycznej do f(x, y) = −3xy³ − 3x³ + 3y² + 4xy w punkcie (2, −1), aby przybliżyć f(1,8, −0,9). Podaj przybliżenie liniowe L.

f(x, y) = −3xy³ − 3x³ + 3y² + 4xy(a, b) = (2, −1)(x, y) = (1,8, −0,9)
L =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = xy = x²11

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

y = x²y = xf = 1
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Zastosuj kryterium Cauchy’ego do Σk=1∞ ((5k + 5)/(2k + 5))ᵏ. Znajdź L = lim |ak|1/k.

ak = ((5k + 5)/(2k + 5))ᵏ
L =
12.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₂−1

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 2 funkcji f(x) = e−x, aby przybliżyć f(−1). Podaj P₂(−1).

f(x) = e−xn = 2x = −1
P₂(−1) =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = (4s + 25)/(s² + 10s + 25) i oblicz f(0,1).

F(s) = (4s + 25)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t). Startuje ze stanu spoczynku (y(0) = 0, y′(0) = 0), a wejściem jest skok u(t) = 10 dla t ≥ 0. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź wyjście y(0,3).

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t4h(t)t1

Wejście x(t) = 4·e−5tu(t) podano na układ o h(t) = e−0,5tu(t). Wyznacz wyjście y(0,5) w t = 0,5 s.

x(t) = 4·e−5tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
2cos(5t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

Wejście x(t) = 2·cos(5t) podano na układ o h(t) = 10·e−5tu(t). Wyznacz fazę φ wyjścia w stanie ustalonym względem wejścia, w stopniach.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 2cos(5t)
φ = °

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: T = 61,83 °C

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.

Rozwiązanie prawa stygnięcia

T(t) = 22 + 67·e−0,04t

Podstaw t

T(13) = 22 + 67·0,5945 = 61,83 °C

Odpowiedź

T = 61,83 °C
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.75) = −1,026

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 ± 4j

Stałe

A = 5, B = 2·5/4 = 2,5

Oblicz

y(0,75) = e−1,5(5·cos 3 + 2,5·sin 3) = −1,026

Odpowiedź

y(0,75) = −1,026
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c11 = 38

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 = 4·2 + 6·5 = 38

Odpowiedź

c11 = 38
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 − (8)λ + (15) = 0

Rozwiąż

λ = (8 ± √(4))/2 → λ = 3, 5
λ = 5

Odpowiedź

λ = 5
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = 17

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.

Pomnóż odpowiadające sobie składowe i dodaj

a·b = 2·5 + 7·(−5) + (−7)·(−6) = 10 + (−35) + 42 = 17

Odpowiedź

a·b = 17

Dodatni: kąt między wektorami jest mniejszy niż 90°.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: V = 104

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−1)·(−5) − 3·(−5) = 20
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·(−4) − (−2)·(−5) = −22
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·(−5) − (−1)·(−4) = 6

Iloczyn skalarny z a

a·(b × c) = (−3)·20 + 2·(−22) + 0·6 = −104
V = |−104| = 104

Odpowiedź

V = 104
7.Całki

Odpowiedź: I = 201,2

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) = e2x/2

Podstaw granice

I = (e6 − 1)/2 = (403,4 − 1)/2 = 201,2

Odpowiedź

I = 201,2
8.Całki

Odpowiedź: A = 1,333

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 = 2x → x = 0, x = 2

Całkuj górną minus dolną

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Odpowiedź

A = 1,333
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: L = −17,2

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(2, −1) = −23
fx = −3y³ − 9x² + 4y → fx(2, −1) = −37
fy = −9xy² + 6y + 4x → fy(2, −1) = −16

Płaszczyzna styczna

z = −23 − 37(x − 2) − 16(y + 1)
z = −37x − 16y + 35

Przybliżenie liniowe

L = −23 + (−37)·(−0,2) + (−16)·0,1 = −17,2

Odpowiedź

L = −17,2

Dokładna wartość to f = −17,6094; płaszczyzna jest blisko, bo krok jest mały.

10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 0,1667

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 = x → x = 0, x = 1

Całka wewnętrzna

∫x²x 1 dy = x − x²

Całka zewnętrzna

I = ∫01 (x − x²) dx = 0,1667

Odpowiedź

I = 0,1667
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: L = 2,5

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.

Pierwiastek z wyrazów

|ak|1/k = (5k + 5)/(2k + 5) → 5/2

Wniosek

L = 2,5 > 1

Odpowiedź

L = 2,5

L > 1, więc szereg jest rozbieżny.

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₂(−1) = 2,5

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.

Wielomian Maclaurina

P₂(x) = 1 − x + 0,5x²

Podstaw

P₂(−1) = 1 + 1 + 0,5 = 2,5

Odpowiedź

P₂(−1) = 2,5

Dokładna wartość to f(−1) = 2,718282; błąd 0,218282 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.1) = 2,729

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Ułamki proste

4s + 25 = 4(s + 5) + 5
F(s) = 4/(s + 5) + 5/(s + 5)²

Transformata odwrotna

f(t) = 4·e−5t + 5·t·e−5t
f(0,1) = (4 + 5·0,1)·e−5·0,1 = 2,729

Odpowiedź

f(0,1) = 2,729
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.3) = 5,189

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) = 240/(s(s + 2)(s + 6))

Ułamki proste

A = 240/(2·6) = 20
B = 240/((−2)·4) = −30
C = 240/((−6)·(−4)) = 10

Wydalone

y(t) = 20 − 30·e−2t + 10·e−6t
y(0,3) = 5,189

Odpowiedź

y(0,3) = 5,189
15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(0.5) = 0,6193

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

Oblicz

y(0,5) = 4·(0,7788 − 0,08208)/(4,5) = 0,6193

Odpowiedź

y(0,5) = 0,6193
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: φ = −45 °

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)|.

Charakterystyka częstotliwościowa

H(jω) = 10/(5 + jω)

Faza przy częstotliwości wejścia

φ = −atan(5/5) = −45°

Odpowiedź

φ = −45°

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