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)6Ta​13 °C

Puszkę napoju o temperaturze 6 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 28 °C. Po 6 min jej temperatura wynosi 13 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 6 °CTa = 28 °CT(6) = 13 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
xy13(1, 0)y(3) = ?

Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 5x2 dla x > 0, z y(1) = 0. Wyznacz y(3).

y′ + y/x = 5x2y(1) = 0
y(3) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−6302B =−4−162

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

A = [−6 3; 0 2]B = [−4 −1; 6 2]
c11 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =0165

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [0 1; 6 5]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź iloczyn skalarny a·b wektorów a = (7, 2, 6) i b = (−2, −4, −3).

a = (7, 2, 6)b = (−2, −4, −3)
a·b =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzABC

Znajdź pole A trójkąta o wierzchołkach A(1, 4, 4), B(−3, −3, 4) i C(4, 0, 2). Współrzędne podano w metrach.

A(1, 4, 4)B(−3, −3, 4)C(4, 0, 2)
A = m²
7.CałkiŚredni
xy3y = x

Obszar pod krzywą y = x od x = 0 do x = 3 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (stożka).

y = x0 ≤ x ≤ 3
V =
8.CałkiTrudny
xyy = 2x2​y = 3x

Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 2x2 i y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−3−2−10102vP

Dla f(x, y) = 3x³e−y znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (−1, 1) w kierunku v = (0, −2).

f(x, y) = 3x³e−yP = (−1, 1)v = (0, −2)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy−202−202ABC

Zaznaczone punkty to punkty krytyczne funkcji f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy. Kliknij punkt siodłowy.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
  1. 1A (2, 2)
  2. 2B (0, 0)
  3. 3C (−2, −2)
11.Ciągi i szeregiŚredni
xx₀ = 0??R

Znajdź promień zbieżności R szeregu potęgowego Σk=1∞ k!·xᵏ/kᵏ.

Σ k!·xᵏ/kᵏx₀ = 0
R =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Rozpoznaj szereg i znajdź jego sumę: S = Σk=1∞ k·(1/3)ᵏ.

ak = k·(1/3)ᵏ
S =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (3s + 29)/(s² + 11s + 28). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−4t + B·e−7t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (3s + 29)/(s² + 11s + 28)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t), przy y(0) = 1 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 4. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,3).

y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t−21h(t)t37

Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = −2 s a t = 1 s, a h(t) tylko między t = 3 s a t = 7 s. Wyznacz czas trwania D sygnału y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −2 … 1 sh: 3 … 7 s
D = s
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ[n]3+h[n]0,6·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wyznacz próbkę h[5] jego odpowiedzi impulsowej.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,06383 min⁻¹

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.

Stosunek różnic temperatur

e−6k = -15/-22

Wyznacz k

k = ln(-22/-15)/6 = 0,06383 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,06383 min⁻¹
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(3) = 33,33

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

0 = 5/4 + C → C = −1,25

Oblicz

y(3) = (5·34/4 + (−1,25))/31 = 33,33

Odpowiedź

y(3) = 33,33
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c11 = 42

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 = (−6)·(−4) + 3·6 = 42

Odpowiedź

c11 = 42
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 6

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 − (5)λ + (−6) = 0

Rozwiąż

λ = (5 ± √(49))/2 → λ = −1, 6
λ = 6

Odpowiedź

λ = 6
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = −40

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 = 7·(−2) + 2·(−4) + 6·(−3) = (−14) + (−8) + (−18) = −40

Odpowiedź

a·b = −40

Ujemny: kąt między wektorami jest większy niż 90°.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 20,18 m²

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.

Wektory krawędzi

AB = B − A = (−4, −7, 0)
AC = C − A = (3, −4, −2)

Iloczyn wektorowy

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−7)·(−2) − 0·(−4) = 14
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 0·3 − (−4)·(−2) = −8
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−4)·(−4) − (−7)·3 = 37
|AB × AC| = √(14² + (−8)² + 37²) = 40,36

Pole trójkąta

A = ½·40,36 = 20,18 m²

Odpowiedź

A = 20,18 m²
7.Całki

Odpowiedź: V = 28,27

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∫₀3 1x² dx

Całkuj

V = π·1·3³/3 = 28,27

Odpowiedź

V = 28,27

Sprawdzenie: stożek o promieniu 3 i wysokości 3 ma (1/3)πr²h = 28,27.

8.Całki

Odpowiedź: A = 1,125

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

2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5

Całkuj górną minus dolną

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Odpowiedź

A = 1,125
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = −1,104

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.

Gradient w punkcie

fx = 9x²e−y → fx(−1, 1) = 3,311
fy = −3x³e−y → fy(−1, 1) = 1,104

Wersor

|v| = √(0² + (−2)²) = 2
u = (0, −1)

Iloczyn skalarny

Duf = 3,311·0 + 1,104·(−1) = −1,104

Odpowiedź

Duf = −1,104
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: B (0, 0)

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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Test drugiej pochodnej

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → punkt siodłowy
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimum lokalne
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimum lokalne

Punkt

B (0, 0): punkt siodłowy

Odpowiedź

B (0, 0)
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: R = 2,718

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.

Współczynniki

ck/ck+1 = (1 + 1/k)ᵏ → e

Promień

R = 2,718

Odpowiedź

R = 2,718

Kryterium d’Alemberta nic nie mówi w obu punktach końcowych; trzeba je sprawdzić osobno.

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: S = 0,75

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 = 1/3
S = 0,3333/(1 − 0,3333)² = 0,75

Odpowiedź

S = 0,75
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 5,667

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 + 11s + 28 = (s + 4)(s + 7)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 7)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 4) i podstaw s = −4: składnik z B znika.

A = (3s + 29)/(s + 7) |s = −4 = 17/3 = 5,667

Odpowiedź

A = 5,667
(B = −2,667, więc f(t) = 5,667·e−4t − 2,667·e−7t)
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.3) = 3,239

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

(s² + 6s + 8)·Y(s) = 1s + 6 + 96/s
Y(s) = (s² + 6s + 96)/(s(s + 2)(s + 4))

Ułamki proste

A = 96/(2·4) = 12
B = 88/((−2)·2) = −22
C = 88/((−4)·(−2)) = 11

Wynik

y(t) = 12 − 22·e−2t + 11·e−4t
y(0,3) = 3,239

Odpowiedź

y(0,3) = 3,239

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 1.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: D = 7 s

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).

Początek i koniec

tstart = −2 + 3 = 1 s
tend = 1 + 7 = 8 s

Odpowiedź

D = 7 s

Odpowiedź

D = 7 s
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h[5] = 0,2333

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

h[0] = 3
h[1] = 1,8
h[2] = 1,08
h[3] = 0,648
h[4] = 0,3888
h[5] = 0,2333

Wynik

h[5] = 3·(0,6)5 = 0,2333

Odpowiedź

h[5] = 0,2333

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