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) = 3y(1,5) = ?

Rozwiąż y″ + 4y′ + 4y = 0 z y(0) = 3 i y′(0) = 2. Wyznacz y(1,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
ty0,5y(0,5) = ?

Rozwiąż y′ + 0,5y = 9e−2t z y(0) = 0. Wyznacz y(0,5).

y′ + 0,5y = 9e−2ty(0) = 0
y(0.5) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =0−42−1−41−44−2

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [0 −4 2; −1 −4 1; −4 4 −2]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =1−32−3b =311

Rozwiąż układ x − 3y = 3 i 2x − 3y = 11. Wyznacz x.

x − 3y = 32x − 3y = 11
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź rzut skalarny compb a wektora a = (−5, −6, −4) na b = (3, −3, −6), czyli składową a w kierunku b.

a = (−5, −6, −4)b = (3, −3, −6)
compb a =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzrFOA

Siła F = (10, 0, 20) N działa w punkcie A(0, −3, 3). Współrzędne podano w metrach. Znajdź składową z, czyli Mz, momentu tej siły względem początek układu O(0, 0, 0).

F = (10, 0, 20) NA(0, −3, 3) mO(0, 0, 0) m
Mz = N·m
7.CałkiŚredni
xy01

Oblicz I = ∫01 ex dx.

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

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

y = x2y = x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy1−1∇fP

Dla f(x, y) = 3y·e2xy znajdź największą szybkość zmiany f w punkcie (1, −1), czyli |∇f|.

f(x, y) = 3y·e2xyP = (1, −1)
|∇f| =
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
kSn​12345678910S = ?

Znajdź sumę S = Σk=1∞ 3/(k(k + 2)).

ak = 3/(k(k + 2))
S =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Funkcję f(x) = sin x przybliżono w x = 1,5 jej wielomianem Maclaurina stopnia n. Z oszacowaniem Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! i M = 1 znajdź najmniejszy stopień n, który gwarantuje błąd poniżej 0,0001.

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 0,0001
n =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 4)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,5).

F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Rozwiąż y″ + 7y′ + 10y = 0 dla y(0) = −8 i y′(0) = −10 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,1).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −8y′(0) = −10t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t10h(t)t1

Wejście x(t) = 10·e−5tu(t) podano na układ o h(t) = e−1tu(t). Wyznacz wyjście y(1) w t = 1 s.

x(t) = 10·e−5tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
u[n]3+y[n]0,4·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wejściem jest skok jednostkowy x[n] = u[n]. Wyznacz y[2].

y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 0,7468

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.

Pierwiastek podwójny

(r + 2)² = 0 → r = −2

Stałe

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 6 = 8

Oblicz

y(1,5) = (3 + 8·1,5)·e−3 = 0,7468

Odpowiedź

y(1,5) = 0,7468
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.5) = 2,466

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 9e−1,5t

Rozwiązanie ogólne

y = 9/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −6·e−2t + C·e−0,5t

Warunek początkowy

0 = −6 + C → C = 6

Oblicz

y(0,5) = −6·0,3679 + 6·0,7788 = 2,466

Odpowiedź

y(0,5) = 2,466
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = −16

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 = 4, M₁₂ = 6, M₁₃ = −20

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 0·4 − (−4)·6 + 2·(−20) = −16

Odpowiedź

det A = −16
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 8

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 = 1·(−3) − (−3)·2 = 3

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = 3·(−3) − (−3)·11 = 24
x = 24/3 = 8

Odpowiedź

x = 8
y = 1,667
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: compb a = 3,674

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 = (−5)·3 + (−6)·(−3) + (−4)·(−6) = 27

Długość b

|b| = √(3² + (−3)² + (−6)²) = 7,348

Rzut skalarny

compb a = a·b/|b| = 27/7,348 = 3,674

Odpowiedź

compb a = 3,674
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: Mz = 30 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 = (0, −3, 3) − (0, 0, 0) = (0, −3, 3) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·20 − 3·0 = −60 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 3·10 − 0·20 = 30 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 0·0 − (−3)·10 = 30 N·m

Żądana składowa

Mz = 30 N·m

Odpowiedź

Mz = 30 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 = 0,1667

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 = x → x = 0, x = 1

Całkuj górną minus dolną

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

Odpowiedź

A = 0,1667
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: |∇f| = 0,9079

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 = 6y²e2xy → fx(1, −1) = 0,812
fy = 3e2xy(1 + 2xy) → fy(1, −1) = −0,406

Długość gradientu

|∇f| = √(0,812² + (−0,406)²) = 0,9079

Odpowiedź

|∇f| = 0,9079
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: S = 2,25

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

3/(k(k + 2)) = (3/2)·(1/k − 1/(k + 2))

Anuluj

S = (3/2)·(1 + 1/2) = 2,25

Odpowiedź

S = 2,25
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: n = 9

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.

n(n + 1)!oszacowanie011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059936288001,589 × 10⁻⁵

Oszacowania dla rosnących n

n = 8: 0,0001059 ≥ 0,0001
n = 9: 1,589 × 10⁻⁵ < 0,0001

Najmniejszy stopień

n = 9

Odpowiedź

n = 9
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.5) = 2,747

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 55/(2·4) = 6,875
B = 55/((−2)·2) = −13,75
C = 55/((−4)·(−2)) = 6,875

Transformata odwrotna

f(t) = 6,875 − 13,75·e−2t + 6,875·e−4t

Oblicz

f(0,5) = 6,875 − 13,75·e−2·0,5 + 6,875·e−4·0,5 = 2,747

Odpowiedź

f(0,5) = 2,747
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.1) = −8,389

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 − (−8)s − (−10) + 7(sY − (−8)) + 10Y = 0
Y(s) = (−8s − 66)/((s + 2)(s + 5))

Ułamki proste

A = −50/3 = −16,67
B = −26/(−3) = 8,667

Wynik

y(t) = −16,67·e−2t + 8,667·e−5t
y(0,1) = −8,389

Odpowiedź

y(0,1) = −8,389

Sprawdzenie: y(0) = A + B = −8.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(1) = 0,9029

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) = 10e−1t∫₀ᵗ e−(5 − 1)τ dτ = 10(e−1t − e−5t)/(4)

Oblicz

y(1) = 10·(0,3679 − 0,006738)/(4) = 0,9029

Odpowiedź

y(1) = 0,9029
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y[2] = 4,68

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)|.

Iteruj

y[0] = 3
y[1] = 4,2
y[2] = 4,68

Wynik

y[2] = 3·(1 − (0,4)3)/(1 − 0,4) = 4,68

Odpowiedź

y[2] = 4,68

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