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)53Ta​118 °C

Odkuwkę stalową o temperaturze 300 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 21 °C. Po 53 min jej temperatura wynosi 118 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wyznacz stałą k w min⁻¹.

T0 = 300 °CTa = 21 °CT(53) = 118 °C
k = min⁻¹
2.Równania różniczkoweTrudny
ty0,5y(0,5) = ?

Rozwiąż y′ + 2y = 6e−t z y(0) = 2. Wyznacz y(0,5).

y′ + 2y = 6e−ty(0) = 2
y(0.5) =
3.Macierze i wyznacznikiŚredni
A =−54330044−5

Wyznacz wyznacznik det A pokazanej macierzy 3×3 A.

A = [−5 4 3; 3 0 0; 4 4 −5]
det A =
4.Macierze i wyznacznikiTrudny
A =−52−54b =−11

Rozwiąż układ −5x + 2y = −1 i −5x + 4y = 1. Wyznacz x.

−5x + 2y = −1−5x + 4y = 1
x =
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź iloczyn skalarny a·b wektorów a = (−5, 0, −6) i b = (1, 2, −7).

a = (−5, 0, −6)b = (1, 2, −7)
a·b =
6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzabc

Znajdź objętość V równoległościanu, którego krawędzie wychodzące z jednego wierzchołka to a = (4, 1, −1), b = (−3, 0, −1) i c = (−3, 4, −2).

a = (4, 1, −1)b = (−3, 0, −1)c = (−3, 4, −2)
V =
7.CałkiŚredni
xy11,5y = x ln x

Oblicz I = ∫₁1,5 x·ln x dx.

∫₁1,5 x ln x dx
I =
8.CałkiTrudny
xy1,5y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−23P

Użyj płaszczyzny stycznej do f(x, y) = 4x²y³ − 2x² + 5y² + 3xy w punkcie (−2, 3), aby przybliżyć f(−2,2, 3,2). Podaj przybliżenie liniowe L.

f(x, y) = 4x²y³ − 2x² + 5y² + 3xy(a, b) = (−2, 3)(x, y) = (−2,2, 3,2)
L =
10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy−202−202ABC

Zaznaczone punkty to punkty krytyczne funkcji f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy. Kliknij punkt siodłowy.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
  1. 1A (0, 0)
  2. 2B (−1, −1)
  3. 3C (1, 1)
11.Ciągi i szeregiŚredni
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Zastosuj kryterium d’Alemberta do Σk=1∞ k!/kᵏ. Znajdź L = lim |ak+1/ak|.

ak = k!/kᵏ
L =
12.Ciągi i szeregiTrudny

Funkcję f(x) = eˣ przybliżono jej wielomianem Maclaurina stopnia 5 w punkcie x = 1,5. Użyj oszacowania Lagrange’a M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! z M = e1,5 = 4,482, aby znaleźć największy możliwy błąd |R₅|.

f(x) = eˣn = 5x = 1,5M = 4,482
|R₅| =
13.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (3s + 19)/(s² + 13s + 40). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (3s + 19)/(s² + 13s + 40)
A =
14.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Rozwiąż y″ + 6y′ + 5y = 0 dla y(0) = 2 i y′(0) = 6 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,8).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 2y′(0) = 6t = 0,8 s
y(0.8) =
15.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t13h(t)t33

Impuls x(t) = 3 dla 0 ≤ t < 1 s (poza tym zero) podano na układ o odpowiedzi impulsowej h(t) = 3 dla 0 ≤ t < 3 s (poza tym zero). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
16.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
u[n]3+y[n]0,4·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wejściem jest skok jednostkowy x[n] = u[n]. Wyznacz y[3].

y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: k = 0,01993 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−53k = 97/279

Wyznacz k

k = ln(279/97)/53 = 0,01993 min⁻¹

Odpowiedź

k = 0,01993 min⁻¹
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.5) = 2,168

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 = e2t
(e2ty)′ = 6et

Rozwiązanie ogólne

y = 6/1·e−t + C·e−2t = 6·e−t + C·e−2t

Warunek początkowy

2 = 6 + C → C = −4

Oblicz

y(0,5) = 6·0,6065 + (−4)·0,3679 = 2,168

Odpowiedź

y(0,5) = 2,168
3.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: det A = 96

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 = 0, M₁₂ = −15, M₁₃ = 12

Rozwinięcie Laplace'a

det A = (−5)·0 − 4·(−15) + 3·12 = 96

Odpowiedź

det A = 96
4.Macierze i wyznaczniki

Odpowiedź: x = 0,6

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.

Wyznacznik macierzy współczynników

det A = (−5)·4 − 2·(−5) = −10

Zastąp kolumnę x

det Aₓ = (−1)·4 − 2·1 = −6
x = −6/(−10) = 0,6

Odpowiedź

x = 0,6
y = 1
5.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = 37

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 = (−5)·1 + 0·2 + (−6)·(−7) = (−5) + 0 + 42 = 37

Odpowiedź

a·b = 37

Dodatni: kąt między wektorami jest mniejszy niż 90°.

6.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: V = 25

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·(−2) − (−1)·4 = 4
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·(−3) − (−3)·(−2) = −3
(b × c)z = bxcy − bycx = (−3)·4 − 0·(−3) = −12

Iloczyn skalarny z a

a·(b × c) = 4·4 + 1·(−3) + (−1)·(−12) = 25
V = |25| = 25

Odpowiedź

V = 25
7.Całki

Odpowiedź: I = 0,1436

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

(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436

Odpowiedź

I = 0,1436
8.Całki

Odpowiedź: I = 3,602

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

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Odpowiedź

I = 3,602
9.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: L = 625,2

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.

Wartość i nachylenia w punkcie

f(−2, 3) = 451
fx = 8xy³ − 4x + 3y → fx(−2, 3) = −415
fy = 12x²y² + 10y + 3x → fy(−2, 3) = 456

Płaszczyzna styczna

z = 451 − 415(x + 2) + 456(y − 3)
z = −415x + 456y − 1747

Przybliżenie liniowe

L = 451 + (−415)·(−0,2) + 456·0,2 = 625,2

Odpowiedź

L = 625,2

Dokładna wartość to f = 654,78848; płaszczyzna jest blisko, bo krok jest mały.

10.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: A (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 − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

Test drugiej pochodnej

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → punkt siodłowy
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → minimum lokalne
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → minimum lokalne

Punkt

A (0, 0): punkt siodłowy

Odpowiedź

A (0, 0)
11.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: L = 0,3679

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.

Iloraz kolejnych wyrazów

|ak+1/ak| = (k/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e

Wniosek

L = 0,3679 < 1

Odpowiedź

L = 0,3679

L < 1, więc szereg jest zbieżny.

12.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: |R₅| = 0,0709

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.

Ograniczenie pochodnej

M = e1,5 = 4,482

Oszacowanie Lagrange’a

|R₅| ≤ 4,482·1,5⁶/6! = 0,0709

Odpowiedź

|R₅| = 0,0709

Prawdziwy błąd jest mniejszy: |f(1,5) − P₅(1,5)| = 0,01997.

13.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 1,333

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 5) i podstaw s = −5: składnik z B znika.

A = (3s + 19)/(s + 8) |s = −5 = 4/3 = 1,333

Odpowiedź

A = 1,333
(B = 1,667, więc f(t) = 1,333·e−5t + 1,667·e−8t)
14.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.8) = 1,761

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 − 2s − 6 + 6(sY − 2) + 5Y = 0
Y(s) = (2s + 18)/((s + 1)(s + 5))

Ułamki proste

A = 16/4 = 4
B = 8/(−4) = −2

Wynik

y(t) = 4·e−t − 2·e−5t
y(0,8) = 1,761

Odpowiedź

y(0,8) = 1,761

Sprawdzenie: y(0) = A + B = 2.

15.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 9

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).

Nakładanie odwróconego impulsu

h(t − τ) to impuls h odwrócony i przesunięty tak, że kończy się w τ = t.

τ ∈ [0, 1] → długość 1 s

Całka

y(2) = 3·3·1 = 9

Odpowiedź

y(2) = 9

y(t) jest trapezem: rośnie od 0, utrzymuje się na 9 i spada z powrotem do 0 w t = 4 s.

16.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y[3] = 4,872

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

y[0] = 3
y[1] = 4,2
y[2] = 4,68
y[3] = 4,872

Wynik

y[3] = 3·(1 − (0,4)4)/(1 − 0,4) = 4,872

Odpowiedź

y[3] = 4,872

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