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)17Ta​T = ?

Odkuwkę stalową o temperaturze 340 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 25 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,05 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 17 min.

T0 = 340 °CTa = 25 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 17 min
T = °C
2.Równania różniczkoweTrudny
t (min)m (kg)20 minm = ?

Zbiornik zawiera 100 L czystej wody. Solanka zawierająca 0,1 kg soli na litr wpływa z natężeniem 5 L/min, a dobrze wymieszany roztwór wypływa z tym samym natężeniem. Ile soli m jest w zbiorniku po 20 min?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−6−6−12B =340−2

Niech C = AB dla pokazanych macierzy. Wyznacz element c22 (wiersz 2, kolumna 2).

A = [−6 −6; −1 2]B = [3 4; 0 −2]
c22 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−21−87

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [−2 1; −8 7]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzdFAB

Stała siła F = (0, 20, −30) N działa na ciało, które porusza się po linii prostej od punktu A(−2, −1, 3) do punktu B(−4, −2, 3). Współrzędne podano w metrach. Znajdź pracę W wykonaną przez siłę.

F = (0, 20, −30) NA(−2, −1, 3) mB(−4, −2, 3) m
W = J
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (−2, −3, 4) i b = (2, −1, −5).

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

Oblicz I = ∫03 ex dx.

f(x) = ex[0, 3]
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
xy−3−2−101−4−20vP

Dla f(x, y) = −2x²y² + 2x² + 3y³ − xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (−1, −1) w kierunku v = (0, −3).

f(x, y) = −2x²y² + 2x² + 3y³ − xyP = (−1, −1)v = (0, −3)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyx = 2y = 0,5x21

Oblicz I = ∬T (x + 4y) dA po trójkącie T ograniczonym przez y = 0, x = 2 i y = 0,5x.

f = x + 4y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ 0,5x
I =
11.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞BΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ k!/3ᵏB: Σ (1/3)ᵏC: Σ 2ᵏ/k!D: Σ (−1)ᵏ/k
  1. 1A: Σ k!/3ᵏ
  2. 2B: Σ (1/3)ᵏ
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k!
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/k
12.Ciągi i szeregiTrudny

Znajdź współczynnik c₄ przy (x − 2)⁴ w szeregu Taylora funkcji f(x) = e−x w punkcie a = 2.

f(x) = e−xa = 2k = 4
c₄ =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 1,2f(1,2) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 3)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(1,2).

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 3))t = 1,2 s
f(1.2) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t). Startuje ze stanu spoczynku (y(0) = 0, y′(0) = 0), a wejściem jest skok u(t) = 1 dla t ≥ 0. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź wyjście y(1,2).

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1,2 s
y(1.2) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t21h(t)t41

Impuls x(t) = 1 dla 0 ≤ t < 2 s jest splatany z impulsem h(t) = 1 dla 0 ≤ t < 4 s. Wyznacz pole Ay pod y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
10cos(15t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

Wejście x(t) = 10·cos(15t) podano na układ o h(t) = 10·e−10tu(t). Wyznacz fazę φ wyjścia w stanie ustalonym względem wejścia, w stopniach.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(15t)
φ = °

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: T = 159,6 °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) = 25 + 315·e−0,05t

Podstaw t

T(17) = 25 + 315·0,4274 = 159,6 °C

Odpowiedź

T = 159,6 °C
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: m = 6,321 kg

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.

Ułóż równanie

dm/dt = 5·0,1 − (5/100)·m = 0,5 − 0,05·m

Rozwiąż

Czynnik całkujący to ert/V; rozwiązanie dąży do stanu równowagi c·V.

m(t) = 10 + (−10)·e−t/20

Podstaw t

m(20) = 10 + (−10)·0,3679 = 6,321 kg

Odpowiedź

m = 6,321 kg
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c22 = −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.

Wiersz razy kolumna

c22 = (−1)·4 + 2·(−2) = −8

Odpowiedź

c22 = −8
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: W = −20 J

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.

Przemieszczenie

d = B − A = (−4, −2, 3) − (−2, −1, 3) = (−2, −1, 0) m

Praca

W = F·d = 0·(−2) + 20·(−1) + (−30)·0 = −20 J

Odpowiedź

W = −20 J

Praca ujemna: siła działa głównie przeciwnie do ruchu.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 20,71

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 = (−3)·(−5) − 4·(−1) = 19
(a × b)y = azbx − axbz = 4·2 − (−2)·(−5) = −2
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·(−1) − (−3)·2 = 8

Powierzchnia

A = |a × b| = √(19² + (−2)² + 8²) = 20,71

Odpowiedź

A = 20,71
7.Całki

Odpowiedź: I = 19,09

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 = (e3 − 1)/1 = (20,09 − 1)/1 = 19,09

Odpowiedź

I = 19,09
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: Duf = −14

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 = −4xy² + 4x − y → fx(−1, −1) = 1
fy = −4x²y + 9y² − x → fy(−1, −1) = 14

Wersor

|v| = √(0² + (−3)²) = 3
u = (0, −1)

Iloczyn skalarny

Duf = 1·0 + 14·(−1) = −14

Odpowiedź

Duf = −14
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 2,667

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).

Granice

0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 0,5x

Całka wewnętrzna

∫00,5x (x + 4y) dy = x·0,5x + 4·(0,5x)²/2 = x²

Całka zewnętrzna

I = 1·2³/3 = 2,667

Odpowiedź

I = 2,667
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: A: Σ k!/3ᵏ

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.

Zbadaj każdy szereg

A: Σ k!/3ᵏ → Kryterium d’Alemberta: L = lim (k + 1)/3 = ∞, rozbieżny.
B: Σ (1/3)ᵏ → Geometryczny z r = 1/3, |r| < 1: zbieżny.
C: Σ 2ᵏ/k! → Kryterium d’Alemberta: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, zbieżny.
D: Σ (−1)ᵏ/k → Naprzemienny, 1/k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).

Odpowiedź

A: Σ k!/3ᵏ

Odpowiedź

A: Σ k!/3ᵏ
12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: c₄ = 0,005639

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.

Pochodna f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = (−1)⁴·e−x

Współczynnik

c₄ = (−1)⁴·e−2/4! = 0,005639
c₄ = 0,005639

Odpowiedź

c₄ = 0,005639
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(1.2) = 6,555

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 + 1) + C/(s + 3)
A = 35/(1·3) = 11,67
B = 35/((−1)·2) = −17,5
C = 35/((−3)·(−2)) = 5,833

Transformata odwrotna

f(t) = 11,67 − 17,5·e−t + 5,833·e−3t

Oblicz

f(1,2) = 11,67 − 17,5·e−1,2 + 5,833·e−3·1,2 = 6,555

Odpowiedź

f(1,2) = 6,555
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(1.2) = 2,247

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) = 12/(s(s + 1)(s + 3))

Ułamki proste

A = 12/(1·3) = 4
B = 12/((−1)·2) = −6
C = 12/((−3)·(−2)) = 2

Wydalone

y(t) = 4 − 6·e−t + 2·e−3t
y(1,2) = 2,247

Odpowiedź

y(1,2) = 2,247
15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: Ay = 8

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).

Pola wejść

∫x dt = 1·2 = 2
∫h dt = 1·4 = 4

Pole wyjścia

Ay = 2·4 = 8

Odpowiedź

Ay = 8
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: φ = −56,31 °

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/(10 + jω)

Faza przy częstotliwości wejścia

φ = −atan(15/10) = −56,31°

Odpowiedź

φ = −56,31°

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