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
Filiżankę kawy o temperaturze 83 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 22 °C. Po 29 min jej temperatura wynosi 36 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 28 °C?
T0 = 83 °CTa = 22 °CT(29) = 36 °CT = 28 °C
t = min
2.Równania różniczkoweTrudny
Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 5x2 dla x > 0, z y(1) = 2. Wyznacz y(3).
y′ + y/x = 5x2y(1) = 2
y(3) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c11 (wiersz 1, kolumna 1).
A = [−3 2; −5 −6]B = [5 −4; −4 −1]
c11 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
Rozwiąż układ −2x + 4y = −5 i 5x − 2y = −8. Wyznacz x.
−2x + 4y = −55x − 2y = −8
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
Znajdź rzut skalarny compb a wektora a = (−3, 2, −3) na b = (−1, 5, 1), czyli składową a w kierunku b.
a = (−3, 2, −3)b = (−1, 5, 1)
compb a =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
Wersor n̂ jest prostopadły do wektorów a = (−1, −5, 0) i b = (−5, 2, 4) i ma dodatnią składową z. Znajdź jego składową x, czyli n̂x.
a = (−1, −5, 0)b = (−5, 2, 4)n̂z > 0
n̂x =
7.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.CałkiTrudny
Obszar między prostą y = 4x a parabolą y = 2x² obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły.
y = 4xy = 2x²
V =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
Dla f(x, y) = −x³y + 4x³ − 4y³ + 2xy znajdź największą szybkość zmiany f w punkcie (1, 3), czyli |∇f|.
f(x, y) = −x³y + 4x³ − 4y³ + 2xyP = (1, 3)
|∇f| =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
Znajdź punkty krytyczne funkcji f(x, y) = x³ − 12x + y² − 4y, sklasyfikuj je i podaj wartość fmin funkcji f w jej minimum lokalnym.
f(x, y) = x³ − 12x + y² − 4y
fmin =
11.Ciągi i szeregiŚredni
Znajdź sumę S = Σk=124 5/(k(k + 1)).
ak = 5/(k(k + 1))n = 24
S =
12.Ciągi i szeregiTrudny
Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 4 funkcji f(x) = 1/(1 − x), aby przybliżyć f(0,5). Podaj P₄(0,5).
f(x) = 1/(1 − x)n = 4x = 0,5
P₄(0.5) =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
Znajdź f(t) dla F(s) = 20/(s² + 6s + 10) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,3).
F(s) = 20/(s² + 6s + 10)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
Układ opisuje równanie różniczkowe y″ + 2y′ + 17y = 5u, z wejściem u(t) i wyjściem y(t). Znajdź jego transmitancję G(s) = Y(s)/U(s) (zerowe warunki początkowe) i oblicz odpowiedź impulsową g(t) dla t = 1,2 s. Znajdź g(1,2).
y″ + 2y′ + 17y = 5ut = 1,2 s
g(1.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
Impuls x(t) = 5 dla 0 ≤ t < 2 s (poza tym zero) podano na układ o h(t) = e−2tu(t). Wyznacz wyjście y(3,5) w t = 3,5 s, po zakończeniu impulsu.
x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
Układ spełnia równanie y[n] = 0,4·y[n − 1] + 4·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wejściem jest skok jednostkowy x[n] = u[n]. Wyznacz y[2].
y[n] = 0,4y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: t = 45,69 min
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.
Stała stygnięcia
k = ln(61/14)/29 = 0,05075 min⁻¹
Czas do osiągnięcia celu
t = ln(61/6)/0,05075 = 45,69 min
Odpowiedź
t = 45,69 min
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(3) = 34
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∫1/x dx = x1
Całkuj
(x1y)′ = 5x3 → x1y = 5x4/4 + C
Warunek początkowy
2 = 5/4 + C → C = 0,75
Oblicz
y(3) = (5·34/4 + 0,75)/31 = 34
Odpowiedź
y(3) = 34
3.Macierze i wyznaczniki
Odpowiedź: c11 = −23
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 = (−3)·5 + 2·(−4) = −23
Odpowiedź
c11 = −23
4.Macierze i wyznaczniki
Odpowiedź: x = −2,625
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 = (−2)·(−2) − 4·5 = −16
Zastąp kolumnę x
det Aₓ = (−5)·(−2) − 4·(−8) = 42
x = 42/(−16) = −2,625
Odpowiedź
x = −2,625
y = −2,563
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: compb a = 1,925
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 = (−3)·(−1) + 2·5 + (−3)·1 = 10
Długość b
|b| = √((−1)² + 5² + 1²) = 5,196
Rzut skalarny
compb a = a·b/|b| = 10/5,196 = 1,925
Odpowiedź
compb a = 1,925
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: n̂x = 0,5911
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 = (−5)·4 − 0·2 = −20
(a × b)y = azbx − axbz = 0·(−5) − (−1)·4 = 4
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·2 − (−5)·(−5) = −27
Normalizacja
Składowa z wektora a × b jest ujemna, więc użyj −(a × b).
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Funkcja pierwotna
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Granice
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Odpowiedź
I = 1,551
8.Całki
Odpowiedź: V = 53,62
Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.
Punkty przecięcia
4x = 2x² → x = 0, x = 2
Metoda pierścieni
V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx
Całkuj
V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62
Odpowiedź
V = 53,62
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: |∇f| = 107,4
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 = −3x²y + 12x² + 2y → fx(1, 3) = 9
fy = −x³ − 12y² + 2x → fy(1, 3) = −107
Długość gradientu
|∇f| = √(9² + (−107)²) = 107,4
Odpowiedź
|∇f| = 107,4
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: fmin = −20
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 − 12) = 0
fy = (2y − 4) = 0
(2, 2), (−2, 2)
Test drugiej pochodnej
(2, 2): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → minimum lokalne
(−2, 2): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → punkt siodłowy
Wartość w ekstremum
f(2, 2) = −20
Odpowiedź
fmin = −20
11.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: S = 4,8
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.
Ułamki proste
5/(k(k + 1)) = 5·(1/k − 1/(k + 1))
Anuluj
S = 5·(1 − 1/25) = 4,8
Odpowiedź
S = 4,8
12.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: P₄(0.5) = 1,938
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
P₄(x) = 1 + x + x² + x³ + x⁴
Podstaw
P₄(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938
Odpowiedź
P₄(0,5) = 1,938
Dokładna wartość to f(0,5) = 2; błąd 0,0625 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.
13.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: f(0.3) = 2,403
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).
Dopełnienie do kwadratu
s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²
Dopasuj licznik
F(s) = (20/1)·1/((s + 3)² + 1²)
Transformata odwrotna
f(t) = e−3t·(20·sin 1t)
f(0,3) = e−3·0,3·(20·sin(1·0,3)) = 2,403
Odpowiedź
f(0,3) = 2,403
14.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: g(1.2) = −0,375
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).
Transmitancja
G(s) = Y(s)/U(s) = 5/(s² + 2s + 17)
Ułamki proste
s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 4²
G(s) = (5/4)·4/((s + 1)² + 4²)
Odpowiedź impulsowa
g(t) = e−t·(1,25·sin 4t)
g(1,2) = −0,375
Odpowiedź
g(1,2) = −0,375
15.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: y(3.5) = 0,1222
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).
Wyjście na końcu impulsu
y(2) = (5/2)(1 − e−4) = 2,454
Zanik po impulsie
y(3,5) = 2,454·e−2·1,5 = 0,1222
Odpowiedź
y(3,5) = 0,1222
16.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: y[2] = 6,24
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)|.