Matemática para Engenharia 2: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 16 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Equações diferenciais

Crescimento/decaimento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Meia-vida
k = ln 2 / t½
Lei de resfriamento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fator integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tanque de mistura
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matrizes e determinantes

determinante 2×2
det = ad − bc
Inversa 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produto
(AB)ij = Σk AikBkj
Valores próprios
det(A − λI) = 0
Regra de Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Vetores: produto escalar e vetorial

Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vetor unitário
û = a/|a|
Componentes a partir de um ângulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Produto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Projeção escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabalho
W = F·d
Produto vetorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triângulo ½|a × b|
Momento em relação a O
MO = r × F, r = A − O
Volume de um paralelepípedo
V = |a·(b × c)|

Método

  1. Escreva todo vetor em componentes; para uma força dada por um módulo e um ângulo, use F·cos θ e F·sin θ.
  2. Para comprimentos e direções use o módulo √(x² + y² + z²) e o vetor unitário a/|a|.
  3. Use o produto escalar para ângulos, projeções, perpendicularidade e trabalho: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Use o produto vetorial para vetores perpendiculares, áreas e momentos: escreva as três componentes com cuidado, mantendo a ordem a × b.

Integrais

Regra da potência
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrais comuns
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
  2. Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
  3. Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
  4. Para uma integral definida, calcule F(b) − F(a).

Cálculo de várias variáveis

Derivadas parciais
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiente
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Derivada direcional
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Plano tangente
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Regra da cadeia
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Teste da segunda derivada
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Integral dupla
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordenadas polares
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Método

  1. Para uma derivada parcial, trate a outra variável como constante e use as regras de uma variável.
  2. Para questões de gradiente calcule ∇f = (fx, fy) no ponto; use |∇f| para a maior inclinação e ∇f·u com um vetor unitário u para uma derivada direcional.
  3. Para extremos resolva fx = 0 e fy = 0 juntos e depois classifique cada ponto com D = fxx·fyy − fxy².
  4. Para uma integral dupla esboce a região, escolha a ordem (ou coordenadas polares para discos) de modo que os limites internos sejam as curvas de contorno, e integre primeiro por dentro.

Sequências e séries

Sequência aritmética
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Sequência geométrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Série geométrica infinita
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Série-p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Teste da razão
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Raio de convergência
R = lim |ck/ck+1|
Polinômio de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Série de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Cota de erro de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Método

  1. Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
  2. Para somas use Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), ou S = a₁/(1 − r) quando |r| < 1, com a₁ o primeiro termo da soma.
  3. Para a convergência: primeiro o teste do n-ésimo termo, depois compare com Σ1/kᵖ ou com uma série geométrica, e use o teste da razão ou da raiz para fatoriais e potências k-ésimas.
  4. Para polinômios de Taylor liste f(a), f′(a), f″(a), …, divida a k-ésima derivada por k! e limite o erro com M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Convolução e sistemas LIT

Convolução discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolução contínua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Comprimento e soma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Início, fim e área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Degrau em e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primeira ordem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursão de primeira ordem
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Senoide por h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes da série de Fourier
quadrada ±A: 4A/(kπ), k ímpar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k ímpar; trem de pulsos: A·D e (2A/(kπ))|sen kπD|

Método

  1. Esboce os dois sinais e marque onde cada um é não nulo.
  2. Inverta h e deslize-a: para cada instante de saída, encontre a faixa em que os dois sinais se sobrepõem.
  3. Multiplique e some (discreto) ou multiplique e integre (contínuo) somente sobre essa sobreposição.
  4. Confira o resultado: a saída começa na soma dos instantes iniciais, termina na soma dos instantes finais, e sua área ou soma é o produto das áreas ou somas das entradas.

2Exercícios

1.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)15Ta​348 °C

Uma peça de aço forjado a 400 °C é deixada esfriando em uma oficina a 26 °C. Após 15 min sua temperatura é 348 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.

T0 = 400 °CTa = 26 °CT(15) = 348 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 1y(0,25) = ?

Um sistema obedece a y″ + 3y′ + 6,25y = 6,25 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,25); ângulos em radianos.

y″ + 3y′ + 6,25y = 6,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matrizes e determinantesMédia
A =−1−4−2−10−4520

Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.

A = [−1 −4 −2; −1 0 −4; 5 2 0]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
A =1253b =−55

Resolva o sistema x + 2y = −5 e 5x + 3y = 5. Calcule x.

x + 2y = −55x + 3y = 5
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzdFAB

Uma força constante F = (25, −10, 10) N atua sobre um objeto enquanto ele se move em linha reta do ponto A(−2, 1, 4) ao ponto B(−5, −4, 0). As coordenadas estão em metros. Encontre o trabalho W realizado pela força.

F = (25, −10, 10) NA(−2, 1, 4) mB(−5, −4, 0) m
W = J
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzab

Para a = (6, −5, −5) e b = (2, 5, 0), encontre a componente x (a × b)x do produto vetorial a × b.

a = (6, −5, −5)b = (2, 5, 0)
(a × b)x =
7.IntegraisMédia
xyπ/2y = x·sin x

Calcule I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x em radianos).

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
8.IntegraisDifícil
xyy = 2x2​y = 4x

Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
xy024024vP

Para f(x, y) = −x²y³ + 5x³ + 4y³ + xy, encontre a derivada direcional Duf em (2, 2) na direção de v = (−1, 3).

f(x, y) = −x²y³ + 5x³ + 4y³ + xyP = (2, 2)v = (−1, 3)
Duf =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy tem um ponto crítico em (−2, −2). Calcule ali o discriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xyP = (−2, −2)
D =
11.Sequências e sériesMédia
AΣ 1/(k(k + 2))k = 1 … ∞BΣ 1/kk = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ k/(k + 4)k = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ 1/(k(k + 2))B: Σ 1/kC: Σ (5/4)ᵏD: Σ k/(k + 4)
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 2))
  2. 2B: Σ 1/k
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ k/(k + 4)
12.Sequências e sériesDifícil

Encontre o coeficiente c₂ de (x − 5)² na série de Taylor de f(x) = 1/x em torno de a = 5.

f(x) = 1/xa = 5k = 2
c₂ =
13.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4)) por frações parciais e calcule f(0,1).

F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Resolva y″ + 11y′ + 30y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 0 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 5y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t1h(t)t0,251

Um sistema tem resposta ao impulso h(t) = e−4tu(t). A entrada é um degrau x(t) = 1·u(t). Encontre a saída y(0,5) em t = 0,5 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
δ[n]0,5+h[n]−0,5·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = −0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[5] da sua resposta ao impulso.

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

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: k = 0,00998 min⁻¹

Equações diferenciais de primeira ordem: dy/dt = k·y tem a solução y = y₀·ekt (crescimento para k > 0, decaimento para k < 0); uma meia-vida T dá k = ln 2/T. A lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dá T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Uma equação linear y′ + p(x)·y = q(x) é resolvida com o fator integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, então μy = ∫μq dx + C.

Razão das diferenças de temperatura

e−15k = 322/374

Resolver para k

k = ln(374/322)/15 = 0,00998 min⁻¹

Resposta

k = 0,00998 min⁻¹
2.Equações diferenciais

Resposta: y(0.25) = 0,1497

Equações lineares de segunda ordem: para y″ + b·y′ + c·y = 0, tente y = ert: isso dá a equação característica r² + b·r + c = 0. Duas raízes reais r₁ ≠ r₂ dão y = A·er₁t + B·er₂t (superamortecido); uma raiz dupla r dá y = (A + Bt)·ert (amortecimento crítico); raízes complexas −α ± jω dão y = e−αt(A cos ωt + B sen ωt) (subamortecido, oscilante). Os valores iniciais y(0) e y′(0) determinam A e B. Escrita como y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn é a frequência natural e ζ o coeficiente de amortecimento: ζ < 1 oscila. Com uma entrada constante, y″ + by′ + cy = c·K, a solução é o valor estacionário K mais a resposta livre.

Valor estacionário e raízes

yss = 1, r = −1,5 ± 2j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −0,75

Calcular

y(0,25) = 1·(1 − e−0,375(cos 0,5 + 0,75·sin 0,5)) = 0,1497

Resposta

y(0,25) = 0,1497
3.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = 76

Matrizes: o determinante de uma matriz 2×2 é ad − bc. Numa 3×3, desenvolva por uma linha: cada elemento vezes o determinante da 2×2 que resta ao tirar a sua linha e coluna, com sinais alternados + − +. Os valores próprios λ resolvem det(A − λI) = 0; numa 2×2 é λ² − (traço)·λ + det = 0.

Menores 2×2 da primeira linha

M₁₁ = 8, M₁₂ = 20, M₁₃ = −2

Desenvolvimento por cofatores

det A = (−1)·8 − (−4)·20 + (−2)·(−2) = 76

Resposta

det A = 76
4.Matrizes e determinantes

Resposta: x = 3,571

Matrizes: o determinante de uma matriz 2×2 é ad − bc. Numa 3×3, desenvolva por uma linha: cada elemento vezes o determinante da 2×2 que resta ao tirar a sua linha e coluna, com sinais alternados + − +. Os valores próprios λ resolvem det(A − λI) = 0; numa 2×2 é λ² − (traço)·λ + det = 0.

Determinante da matriz dos coeficientes

det A = 1·3 − 2·5 = −7

Substituir a coluna de x

det Aₓ = (−5)·3 − 2·5 = −25
x = −25/(−7) = 3,571

Resposta

x = 3,571
y = −4,286
5.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: W = −65 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.

Deslocamento

d = B − A = (−5, −4, 0) − (−2, 1, 4) = (−3, −5, −4) m

Trabalho

W = F·d = 25·(−3) + (−10)·(−5) + 10·(−4) = −65 J

Resposta

W = −65 J

Trabalho negativo: a força atua principalmente contra o movimento.

6.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: (a × b)x = 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.

Produto vetorial, componente por componente

(a × b)x = aybz − azby = (−5)·0 − (−5)·5 = 25
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·2 − 6·0 = −10
(a × b)z = axby − aybx = 6·5 − (−5)·2 = 40

Componente pedida

(a × b)x = 25

Resposta

(a × b)x = 25

Verificação: a × b é perpendicular aos dois vetores, então o seu produto escalar com a e com b é zero.

7.Integrais

Resposta: I = 1

Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.

Escolha u e dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Primitiva

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Limites

(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

Resposta

I = 1
8.Integrais

Resposta: A = 2,667

Integrais definidos: ∫ₐᵇ f(x) dx é a área com sinal entre o gráfico e o eixo x de a a b. Encontre uma primitiva F (com F′ = f) e calcule F(b) − F(a). Regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). A área entre duas curvas é ∫(superior − inferior) dx.

Pontos de interseção

2x2 = 4x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Resposta

A = 2,667
9.Cálculo de várias variáveis

Resposta: Duf = −7,589

Gradiente: ∇f = (fx, fy) aponta na direção de maior crescimento, e |∇f| é a maior taxa de variação. A derivada direcional ao longo de uma direção v é Duf = ∇f·u com o vetor unitário u = v/|v|. O plano tangente em (a, b) é z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); ele dá a aproximação linear de f perto desse ponto. Regra da cadeia: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Gradiente no ponto

fx = −2xy³ + 15x² + y → fx(2, 2) = 30
fy = −3x²y² + 12y² + x → fy(2, 2) = 2

Vetor unitário

|v| = √((−1)² + 3²) = 3,162
u = (−0,3162, 0,9487)

Produto escalar

Duf = 30·(−0,3162) + 2·0,9487 = −7,589

Resposta

Duf = −7,589
10.Cálculo de várias variáveis

Resposta: D = 2048

Pontos críticos e integrais duplas: um ponto crítico tem fx = fy = 0. Teste da segunda derivada com D = fxxfyy − fxy²: D > 0 e fxx > 0 é um mínimo local, D > 0 e fxx < 0 um máximo local, D < 0 um ponto de sela, e D = 0 não decide nada. Para uma integral dupla sobre uma região geral, faça dos limites internos as curvas que delimitam a região; para discos e setores use coordenadas polares, x = r cos θ, y = r sin θ e dA = r dr dθ (não esqueça o fator r).

Derivadas segundas

fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16

Discriminante

D = 48·48 − (−16)² = 2048
→ mínimo local

Resposta

D = 2048
11.Sequências e séries

Resposta: A: Σ 1/(k(k + 2))

Convergência: se os termos não tendem a 0, a série diverge (teste do n-ésimo termo). Σ1/kᵖ converge somente para p > 1, e Σrᵏ somente para |r| < 1. Compare uma série com uma dessas quando seus termos se comportam como elas para k grande. Teste da razão: L = lim |ak+1/ak|; teste da raiz: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 não decide nada. Uma série de potências Σck(x − x₀)ᵏ converge para |x − x₀| < R com R = lim |ck/ck+1|; uma série alternada com termos decrescentes a 0 converge.

Teste cada série

A: Σ 1/(k(k + 2)) → Menor que 1/k²: converge por comparação.
B: Σ 1/k → Um múltiplo da série harmônica (p = 1): diverge.
C: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica com r = 5/4 > 1: os termos crescem, então diverge.
D: Σ k/(k + 4) → Os termos tendem a 1, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.

A resposta

A: Σ 1/(k(k + 2))

Resposta

A: Σ 1/(k(k + 2))
12.Sequências e séries

Resposta: c₂ = 0,008

Polinômios de Taylor: perto de x = a, uma função suave é aproximada por Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; para a = 0 este é o polinômio de Maclaurin. Séries padrão: 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. Cota de erro de Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, em que M é o maior valor de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a e x.

Derivada f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 2/x³

Coeficiente

c₂ = 2/(5³·2) = 0,008
c₂ = 0,008

Resposta

c₂ = 0,008
13.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.1) = 0,2384

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 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), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Frações parciais

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 4)
A = 60/(3·4) = 5
B = 60/((−3)·1) = −20
C = 60/((−4)·(−1)) = 15

Transformada inversa

f(t) = 5 − 20·e−3t + 15·e−4t

Calcular

f(0,1) = 5 − 20·e−3·0,1 + 15·e−4·0,1 = 0,2384

Resposta

f(0,1) = 0,2384
14.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.1) = 4,476

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 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), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transforme a equação

s²Y − 5s − 0 + 11(sY − 5) + 30Y = 0
Y(s) = (5s + 55)/((s + 5)(s + 6))

Frações parciais

A = 30/1 = 30
B = 25/(−1) = −25

Resultado

y(t) = 30·e−5t − 25·e−6t
y(0,1) = 4,476

Resposta

y(0,1) = 4,476

Verificação: y(0) = A + B = 5.

15.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(0.5) = 0,2162

Convolução contínua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Inverta h, deslize-a até a posição t e integre o produto das partes sobrepostas. Para sinais causais a integral vai de 0 a t. Resultados úteis: a área de y é a área de x vezes a área de h; se x dura de t₁ a t₂ e h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) e um degrau de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Convolução com um degrau

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

Calcular

y(0,5) = 0,25·(1 − e−2) = 0,2162

Resposta

y(0,5) = 0,2162
16.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h[5] = −0,01563

Resposta ao impulso e série de Fourier: a resposta ao impulso h(t) descreve completamente um sistema LIT: para y′ + a·y = b·x ela é h(t) = b·e−atu(t), e para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ela é h[n] = b·aⁿu[n]. Uma senoide cos ωt passa com ganho |H(jω)| e fase ∠H(jω), onde H é a transformada de Fourier de h. Um sinal periódico é uma soma de harmônicos em k/T: uma onda quadrada de ±A tem apenas harmônicos ímpares com amplitudes 4A/(kπ), uma onda triangular de pico A tem 8A/(π²k²), e um trem de pulsos de altura A e ciclo de trabalho D tem a média A·D e os harmônicos (2A/(kπ))·|sen(kπD)|.

Itere

h[0] = 0,5
h[1] = −0,25
h[2] = 0,125
h[3] = −0,0625
h[4] = 0,03125
h[5] = −0,01563

Resultado

h[5] = 0,5·(−0,5)5 = −0,01563

Resposta

h[5] = −0,01563

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