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
Zapisz każdy wektor w składowych; dla siły podanej przez wartość i kąt użyj F·cos θ i F·sin θ.
Do długości i kierunków użyj długości √(x² + y² + z²) i wersora a/|a|.
Iloczyn skalarny stosuj do kątów, rzutów, prostopadłości i pracy: a·b = |a||b|cos θ.
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
Tam, gdzie to możliwe, zapisz funkcję podcałkową jako sumę prostych wyrazów.
Zastosuj wzór na całkę potęgi: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) oraz całki podstawowe dla ex, 1/x, sin i cos.
Użyj podstawienia, gdy widzisz razem funkcję i jej pochodną.
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
Przy pochodnej cząstkowej traktuj drugą zmienną jak stałą i używaj reguł dla jednej zmiennej.
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.
Dla ekstremów rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0, a potem sklasyfikuj każdy punkt przez D = fxx·fyy − fxy².
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
Rozpoznaj typ: arytmetyczny (stała różnica), geometryczny (stały iloraz), szereg standardowy, szereg potęgowy lub wielomian Taylora.
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.
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.
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
Naszkicuj oba sygnały i zaznacz, gdzie każdy z nich jest niezerowy.
Odwróć h i przesuwaj je: dla każdej chwili wyjścia znajdź zakres, w którym oba sygnały się nakładają.
Mnóż i dodawaj (dyskretnie) lub mnóż i całkuj (ciągle) tylko po tym nakładaniu.
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
Rozwiąż y″ + 6y′ + 8y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 4. Wyznacz y(1).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
2.Równania różniczkoweTrudny
Zbiornik zawiera 400 L wody, w której rozpuszczono 10 kg soli. Solanka zawierająca 0,2 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 105 min?
V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.
A = [−4 5 3; 2 −1 −1; 3 2 4]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
Wyznacz większą wartość własną λ pokazanej macierzy A.
A = [3 3; 3 3]
λ =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
Znajdź wartość k, dla której wektory a = (−2, 5, −3) i b = (−6, −1, k) są prostopadłe.
a = (−2, 5, −3)b = (−6, −1, k)
k =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
Znajdź objętość V równoległościanu, którego krawędzie wychodzące z jednego wierzchołka to a = (1, 3, 0), b = (−5, 0, −2) i c = (3, 5, −5).
a = (1, 3, 0)b = (−5, 0, −2)c = (3, 5, −5)
V =
7.CałkiŚredni
Oblicz I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.CałkiTrudny
Wyznacz pole A obszaru ograniczonego przez y = 2x2 i y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
Dla f(x, y) = 5xy + 5x² − y² znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (2, 2) w kierunku v = (3, 0).
f(x, y) = 5xy + 5x² − y²P = (2, 2)v = (3, 0)
Duf =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
Funkcja f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy ma punkt krytyczny w (0, 0). Oblicz tam wyróżnik D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xyP = (0, 0)
D =
11.Ciągi i szeregiŚredni
Dokładnie jeden z czterech szeregów jest zbieżny. Kliknij go.
A: Σ 1/k³B: Σ (4/3)ᵏC: Σ ln k / kD: Σ k/(k + 6)
1A: Σ 1/k³
2B: Σ (4/3)ᵏ
3C: Σ ln k / k
4D: Σ k/(k + 6)
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
F(s) = (5s + 7)/(s² + 7s + 12). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.
F(s) = (5s + 7)/(s² + 7s + 12)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
Układ opisuje równanie różniczkowe y″ + 9y′ + 18y = 2u′ + u, 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 = 0,5 s. Znajdź g(0,5).
y″ + 9y′ + 18y = 2u′ + ut = 0,5 s
g(0.5) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = 2 s a t = 3 s, a h(t) tylko między t = 1 s a t = 2 s. Wyznacz czas tstart, w którym zaczyna się y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 2 … 3 sh: 1 … 2 s
tstart = s
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
Układ spełnia równanie y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wyznacz próbkę h[5] jego odpowiedzi impulsowej.
y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3Roztwory
1.Równania różniczkowe
Odpowiedź: y(1) = 1,496
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.
Pierwiastki charakterystyczne
(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Stałe z wartości początkowych
A + B = 5, −2A − 4B = 4
A = 12, B = −7
Oblicz
y(1) = 12·e−2 + (−7)·e−4 = 1,496
Odpowiedź
y(1) = 1,496
2.Równania różniczkowe
Odpowiedź: m = 61,16 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 = 5·0,2 − (5/400)·m = 1 − 0,0125·m
Rozwiąż
Czynnik całkujący to ert/V; rozwiązanie dąży do stanu równowagi c·V.
m(t) = 80 + (−70)·e−t/80
Podstaw t
m(105) = 80 + (−70)·0,2691 = 61,16 kg
Odpowiedź
m = 61,16 kg
3.Macierze i wyznaczniki
Odpowiedź: det A = −26
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 = −2, M₁₂ = 11, M₁₃ = 7
Rozwinięcie Laplace'a
det A = (−4)·(−2) − 5·11 + 3·7 = −26
Odpowiedź
det A = −26
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 − (6)λ + (0) = 0
Rozwiąż
λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6
Odpowiedź
λ = 6
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: k = 2,333
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 równa się zero
a·b = (−2)·(−6) + 5·(−1) + (−3)·k = 0
7 + (−3)·k = 0
Wyznacz k
k = −7/(−3) = 2,333
Odpowiedź
k = 2,333
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy
Odpowiedź: V = 83
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−5) − (−2)·5 = 10
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−2)·3 − (−5)·(−5) = −31
(b × c)z = bxcy − bycx = (−5)·5 − 0·3 = −25
Iloczyn skalarny z a
a·(b × c) = 1·10 + 3·(−31) + 0·(−25) = −83
V = |−83| = 83
Odpowiedź
V = 83
7.Całki
Odpowiedź: I = 3,75
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.
Podstawienie
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du
Scałkuj i podstaw granice
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Odpowiedź
I = 3,75
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 = 30
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 = 5y + 10x → fx(2, 2) = 30
fy = 5x − 2y → fy(2, 2) = 6
Wersor
|v| = √(3² + 0²) = 3
u = (1, 0)
Iloczyn skalarny
Duf = 30·1 + 6·0 = 30
Odpowiedź
Duf = 30
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych
Odpowiedź: D = −16
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 = 0, fyy = 0, fxy = −4
Wyróżnik
D = 0·0 − (−4)² = −16
→ punkt siodłowy
Odpowiedź
D = −16
11.Ciągi i szeregi
Odpowiedź: A: Σ 1/k³
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 1/k³ → Szereg p z p = 3 > 1: zbieżny.
B: Σ (4/3)ᵏ → Geometryczny z r = 4/3 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.
C: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.
D: Σ k/(k + 6) → Wyrazy dążą do 1, a nie do 0: rozbieżny na mocy warunku koniecznego.
Odpowiedź
A: Σ 1/k³
Odpowiedź
A: Σ 1/k³
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 = −8
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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)
Metoda zakrywania
Pomnóż przez (s + 3) i podstaw s = −3: składnik z B znika.
A = (5s + 7)/(s + 4) |s = −3 = −8/1 = −8
Odpowiedź
A = −8
(B = 13, więc f(t) = −8·e−3t + 13·e−4t)
14.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: g(0.5) = −0,1893
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) = (2s + 1)/(s² + 9s + 18)
Ułamki proste
s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = −1,667, B = 3,667
Odpowiedź impulsowa
g(t) = −1,667·e−3t + 3,667·e−6t
g(0,5) = −0,1893
Odpowiedź
g(0,5) = −0,1893
15.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: tstart = 3 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 + 1 = 3 s
tend = 3 + 2 = 5 s
Odpowiedź
tstart = 3 s
Odpowiedź
tstart = 3 s
16.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: h[5] = 0,125
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)|.