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)26Ta​T = ?

Puszkę napoju o temperaturze 3 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 27 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,06 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 26 min.

T0 = 3 °CTa = 27 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 26 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 1y(1) = ?

Układ spełnia równanie y″ + y′ + 25,25y = 25,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(1); kąty w radianach.

y″ + y′ + 25,25y = 25,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =321−4134−45

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [3 2 1; −4 1 3; 4 −4 5]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−22−1−5

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [−2 2; −1 −5]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź kąt θ między wektorami a = (−6, 0, 4) i b = (−4, −6, −4), w stopniach.

a = (−6, 0, 4)b = (−4, −6, −4)
θ = °
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzrFOA

Siła F = (0, −20, 60) N działa w punkcie A(3, 2, 0). Współrzędne podano w metrach. Znajdź składową z, czyli Mz, momentu tej siły względem punkt O(2, 1, −1).

F = (0, −20, 60) NA(3, 2, 0) mO(2, 1, −1) m
Mz = N·m
7.CałkiŚredni
xy4y = x

Obszar pod krzywą y = x od x = 0 do x = 4 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (stożka).

y = x0 ≤ x ≤ 4
V =
8.CałkiTrudny
xy−22

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 4 − x² a osią x.

y = 4 − x²
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni

z = 2 ln(x² + y²), gdzie x = t − 1 i y = t². Użyj reguły łańcuchowej, aby znaleźć dz/dt dla t = 0.

z = 2 ln(x² + y²)x = t − 1y = t²t = 0
dz/dt =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy02−1012(1, 1)

Funkcja f(x, y) = −2x² + 3xy − y² + x − y − 1 ma punkt krytyczny w (1, 1). Oblicz tam wyróżnik D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −2x² + 3xy − y² + x − y − 1P = (1, 1)
D =
11.Ciągi i szeregiŚredni
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Zastosuj kryterium Cauchy’ego do Σk=1∞ ((1k + 3)/(5k + 1))ᵏ. Znajdź L = lim |ak|1/k.

ak = ((1k + 3)/(5k + 1))ᵏ
L =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Funkcję f(x) = eˣ przybliżono w x = 0,5 jej wielomianem Maclaurina stopnia n. Z oszacowaniem Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! i M = 2 znajdź najmniejszy stopień n, który gwarantuje błąd poniżej 0,0001.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,0001
n =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−1−2−3−4−51

Znajdź f(t) dla F(s) = (3s + 14)/(s² + 2s + 2) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,25).

F(s) = (3s + 14)/(s² + 2s + 2)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
ReIm−1−2−3−4−51

Układ opisuje równanie różniczkowe y″ + 8y′ + 15y = 4u′ + 19u, 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 = 0,1 s. Znajdź g(0,1).

y″ + 8y′ + 15y = 4u′ + 19ut = 0,1 s
g(0.1) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t10h(t)t1

Wejście x(t) = 10·e−6tu(t) podano na układ o h(t) = e−5tu(t). Wyznacz wyjście y(1) w t = 1 s.

x(t) = 10·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)0,5122−2

Fala trójkątna liniowo narasta i opada między −2 a +2 z okresem T = 1 ms. Wyznacz amplitudę c5 jej składowej Fouriera przy 5000 Hz.

±2T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: T = 21,96 °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) = 27 + (−24)·e−0,06t

Podstaw t

T(26) = 27 + (−24)·0,2101 = 21,96 °C

Odpowiedź

T = 21,96 °C
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1) = 0,8861

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 = 1, r = −0,5 ± 5j

Stałe z wartości początkowych

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

Oblicz

y(1) = 1·(1 − e−0,5(cos 5 + 0,1·sin 5)) = 0,8861

Odpowiedź

y(1) = 0,8861
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 127

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 = 17, M₁₂ = −32, M₁₃ = 12

Rozwinięcie Laplace'a

det A = 3·17 − 2·(−32) + 1·12 = 127

Odpowiedź

det A = 127
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = −3

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 − (−7)λ + (12) = 0

Rozwiąż

λ = (−7 ± √(1))/2 → λ = −4, −3
λ = −3

Odpowiedź

λ = −3
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 82,27 °

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)·(−4) + 0·(−6) + 4·(−4) = 8

Długości

|a| = √((−6)² + 0² + 4²) = 7,211
|b| = √((−4)² + (−6)² + (−4)²) = 8,246

Kąt

cos θ = 8/(7,211·8,246) = 0,1345
θ = arccos(0,1345) = 82,27°

Odpowiedź

θ = 82,27°
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: Mz = −20 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 = (3, 2, 0) − (2, 1, −1) = (1, 1, 1) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·60 − 1·(−20) = 80 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·0 − 1·60 = −60 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·(−20) − 1·0 = −20 N·m

Żądana składowa

Mz = −20 N·m

Odpowiedź

Mz = −20 N·m
7.Całki

Odpowiedź: V = 67,02

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.

Metoda dysków

V = π∫₀4 1x² dx

Całkuj

V = π·1·4³/3 = 67,02

Odpowiedź

V = 67,02

Sprawdzenie: stożek o promieniu 4 i wysokości 4 ma (1/3)πr²h = 67,02.

8.Całki

Odpowiedź: A = 10,67

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

4 − x² = 0 → x = ±2

Całkuj

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Odpowiedź

A = 10,67
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: dz/dt = −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.

Punkt i szybkości zmian

x(0) = −1, y(0) = 0
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 0

Pochodne cząstkowe

fx = 4x/(x² + y²) = −4
fy = 4y/(x² + y²) = 0

Reguła łańcuchowa

dz/dt = (−4)·1 + 0·0 = −4

Odpowiedź

dz/dt = −4
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: D = −1

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).

Pochodne drugiego rzędu

fxx = −4, fyy = −2, fxy = 3

Wyróżnik

D = (−4)·(−2) − 3² = −1
→ punkt siodłowy

Odpowiedź

D = −1
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: L = 0,2

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 = (1k + 3)/(5k + 1) → 1/5

Wniosek

L = 0,2 < 1

Odpowiedź

L = 0,2

L < 1, więc szereg jest zbieżny.

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: n = 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.

n(n + 1)!oszacowanie011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵

Oszacowania dla rosnących n

n = 4: 0,0005208 ≥ 0,0001
n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ < 0,0001

Najmniejszy stopień

n = 5

Odpowiedź

n = 5
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.25) = 4,383

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 + 2s + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

Dopasuj licznik

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (11/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Transformata odwrotna

f(t) = e−t·(3·cos 1t + 11·sin 1t)
f(0,25) = e−0,25·(3·cos(1·0,25) + 11·sin(1·0,25)) = 4,383

Odpowiedź

f(0,25) = 4,383
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: g(0.1) = 2,896

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) = (4s + 19)/(s² + 8s + 15)

Ułamki proste

s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
A = 3,5, B = 0,5

Odpowiedź impulsowa

g(t) = 3,5·e−3t + 0,5·e−5t
g(0,1) = 2,896

Odpowiedź

g(0,1) = 2,896
15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(1) = 0,04259

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−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 10(e−5t − e−6t)/(1)

Oblicz

y(1) = 10·(0,006738 − 0,002479)/(1) = 0,04259

Odpowiedź

y(1) = 0,04259
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c5 = 0,06485

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)|.

Numer harmonicznej

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 5

Amplituda

c5 = 8·2/(π²·5²) = 0,06485

Odpowiedź

c5 = 0,06485

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