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(2) = ?

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(2) =
2.Równania różniczkoweTrudny
xy12(1, −1)y(2) = ?

Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + y/x = 6 dla x > 0, z y(1) = −1. Wyznacz y(2).

y′ + y/x = 6y(1) = −1
y(2) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =5−64−5B =−4−435

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

A = [5 −6; 4 −5]B = [−4 −4; 3 5]
c11 =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =6−221

Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.

A = [6 −2; 2 1]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź kąt θ między wektorami a = (6, 5, 2) i b = (5, −4, 2), w stopniach.

a = (6, 5, 2)b = (5, −4, 2)
θ = °
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Wersor n̂ jest prostopadły do wektorów a = (3, −2, 4) i b = (−5, 1, −4) i ma dodatnią składową z. Znajdź jego składową x, czyli n̂x.

a = (3, −2, 4)b = (−5, 1, −4)n̂z > 0
n̂x =
7.CałkiŚredni
xy14y = x ln x

Oblicz I = ∫₁4 x·ln x dx.

∫₁4 x ln x dx
I =
8.CałkiTrudny
xy2,5y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni

z = −4x²y³ − 4x² − 4y³ − 4xy, gdzie x = 3t − 2 i y = −t² + 2. Użyj reguły łańcuchowej, aby znaleźć dz/dt dla t = −1.

z = −4x²y³ − 4x² − 4y³ − 4xyx = 3t − 2y = −t² + 2t = −1
dz/dt =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy−505−202AB

Zaznaczone punkty to punkty krytyczne funkcji f(x, y) = −x³ + 27x − y². Kliknij punkt siodłowy.

f(x, y) = −x³ + 27x − y²
  1. 1A (3, 0)
  2. 2B (−3, 0)
11.Ciągi i szeregiŚredni
xx₀ = 2??R

Szereg potęgowy Σk=1∞ (2k)!·(x − 2)ᵏ/(k!)² jest zbieżny na przedziale wokół x₀ = 2. Znajdź prawy koniec x tego przedziału.

Σ (2k)!·(x − 2)ᵏ/(k!)²x₀ = 2
x =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Funkcję f(x) = cos x przybliżono w x = 1 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) = cos xx = 1M = 1ε = 0,0001
n =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−224

Znajdź f(t) dla F(s) = (5s + 15)/(s² + 4s + 20) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,3).

F(s) = (5s + 15)/(s² + 4s + 20)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Rozwiąż y″ + 3y′ + 2y = 0 dla y(0) = 3 i y′(0) = 3 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,6).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 3y′(0) = 3t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t10h(t)t0,251

Układ ma odpowiedź impulsową h(t) = e−4tu(t). Wejściem jest skok x(t) = 10·u(t). Wyznacz wyjście y(0,75) w t = 0,75 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,75 s
y(0.75) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ(t)y′ + 2y = 2xh(t)

Układ spełnia równanie y′(t) + 2·y(t) = 2·x(t). Wyznacz jego odpowiedź impulsową w t = 2 s, h(2).

y′ + 2y = 2xt = 2 s
h(2) =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(2) = 2,301

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 + 1)² = 0 → r = −1

Stałe

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 1A → B = 4 + 3 = 7

Oblicz

y(2) = (3 + 7·2)·e−2 = 2,301

Odpowiedź

y(2) = 2,301
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(2) = 4

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)′ = 6x → x1y = 6x2/2 + C

Warunek początkowy

−1 = 6/2 + C → C = −4

Oblicz

y(2) = (6·22/2 + (−4))/21 = 4

Odpowiedź

y(2) = 4
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: c11 = −38

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 = 5·(−4) + (−6)·3 = −38

Odpowiedź

c11 = −38
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: λ = 5

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 + (10) = 0

Rozwiąż

λ = (7 ± √(9))/2 → λ = 2, 5
λ = 5

Odpowiedź

λ = 5
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 75 °

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 = 6·5 + 5·(−4) + 2·2 = 14

Długości

|a| = √(6² + 5² + 2²) = 8,062
|b| = √(5² + (−4)² + 2²) = 6,708

Kąt

cos θ = 14/(8,062·6,708) = 0,2589
θ = arccos(0,2589) = 75°

Odpowiedź

θ = 75°
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: n̂x = −0,3522

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 = (−2)·(−4) − 4·1 = 4
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−5) − 3·(−4) = −8
(a × b)z = axby − aybx = 3·1 − (−2)·(−5) = −7

Normalizacja

Składowa z wektora a × b jest ujemna, więc użyj −(a × b).

|a × b| = √(4² + (−8)² + (−7)²) = 11,36
n̂ = −(4, −8, −7)/11,36 = (−0,3522, 0,7044, 0,6163)
n̂x = −0,3522

Odpowiedź

n̂x = −0,3522
7.Całki

Odpowiedź: I = 7,34

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

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34

Odpowiedź

I = 7,34
8.Całki

Odpowiedź: I = 37,59

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.

Pierwsza runda

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Druga runda

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Granice

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Odpowiedź

I = 37,59
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: dz/dt = −356

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(−1) = −5, y(−1) = 1
dx/dt = 3, dy/dt = −2t = 2

Pochodne cząstkowe

fx = −8xy³ − 8x − 4y = 76
fy = −12x²y² − 12y² − 4x = −292

Reguła łańcuchowa

dz/dt = 76·3 + (−292)·2 = −356

Odpowiedź

dz/dt = −356
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: B (−3, 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 = −(3x² − 27) = 0
fy = −(2y) = 0
(3, 0), (−3, 0)

Test drugiej pochodnej

(3, 0): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → maksimum lokalne
(−3, 0): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → punkt siodłowy

Punkt

B (−3, 0): punkt siodłowy

Odpowiedź

B (−3, 0)
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: x = 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.

Współczynniki

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, więc R = 1/4

Promień

R = 0,25

Przedział

1,75 < x < 2,25
x = 2,25

Odpowiedź

x = 2,25

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

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: n = 7

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)!oszacowanie011120,5260,16673240,0416741200,00833357200,001389650400,00019847403202,48 × 10⁻⁵

Oszacowania dla rosnących n

n = 6: 0,0001984 ≥ 0,0001
n = 7: 2,48 × 10⁻⁵ < 0,0001

Najmniejszy stopień

n = 7

Odpowiedź

n = 7
13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.3) = 1,634

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 + 4s + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²

Dopasuj licznik

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (5/4)·4/((s + 2)² + 4²)

Transformata odwrotna

f(t) = e−2t·(5·cos 4t + 1,25·sin 4t)
f(0,3) = e−2·0,3·(5·cos(4·0,3) + 1,25·sin(4·0,3)) = 1,634

Odpowiedź

f(0,3) = 1,634
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.6) = 3,132

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 − 3s − 3 + 3(sY − 3) + 2Y = 0
Y(s) = (3s + 12)/((s + 1)(s + 2))

Ułamki proste

A = 9/1 = 9
B = 6/(−1) = −6

Wynik

y(t) = 9·e−t − 6·e−2t
y(0,6) = 3,132

Odpowiedź

y(0,6) = 3,132

Sprawdzenie: y(0) = A + B = 3.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(0.75) = 2,376

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).

Splot ze skokiem

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

Oblicz

y(0,75) = 2,5·(1 − e−3) = 2,376

Odpowiedź

y(0,75) = 2,376
16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h(2) = 0,03663

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)|.

Transmitancja

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 2)

Odpowiedź impulsowa

h(t) = 2·e−2tu(t)
h(2) = 2·e−4 = 0,03663

Odpowiedź

h(2) = 0,03663

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