Matemática para Engenharia 2: pacote de revisão

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

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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
tyy(0) = 3y(2) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 9y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = -1. Encontre y(2).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 3y(1) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 8y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1); ângulos em radianos.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1) =
3.Matrizes e determinantesMédia
A =3234−11−31−2

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

A = [3 2 3; 4 −1 1; −3 1 −2]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
A =−46−1−4b =113

Resolva o sistema −4x + 6y = 11 e −x − 4y = 3. Calcule x.

−4x + 6y = 11−x − 4y = 3
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzab

Encontre o ângulo θ entre os vetores a = (0, −1, 3) e b = (−1, −5, 2), em graus.

a = (0, −1, 3)b = (−1, −5, 2)
θ = °
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzab

Para a = (6, 6, 0) e b = (4, 6, 6), encontre a componente y (a × b)y do produto vetorial a × b.

a = (6, 6, 0)b = (4, 6, 6)
(a × b)y =
7.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 2]
I =
8.IntegraisDifícil
xy0,5y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
xy−22P

O plano tangente a z = −xy − 2x³ − 5y³ no ponto onde (x, y) = (−2, 2) pode ser escrito como z = px + qy + c. Encontre c.

f(x, y) = −xy − 2x³ − 5y³(a, b) = (−2, 2)
c =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−50−4−202(0, 0)(−3, −3)

Encontre os pontos críticos de f(x, y) = x³ + y³ + 9xy, classifique-os e dê o valor fmax de f no seu máximo local.

f(x, y) = x³ + y³ + 9xy
fmax =
11.Sequências e sériesMédia
AΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞BΣ 1/k²k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.

A: Σ 1/(k(k + 1))B: Σ 1/k²C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ (4/3)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 1))
  2. 2B: Σ 1/k²
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ (4/3)ᵏ
12.Sequências e sériesDifícil

Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=0∞ (−2)ᵏ/k!.

ak = (−2)ᵏ/k!
S =
13.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm5

Encontre f(t) para F(s) = (5s + 3)/(s² + 4s + 40) completando o quadrado e calcule f(0,2).

F(s) = (5s + 3)/(s² + 4s + 40)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−212

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 4y′ + 8y = 2u, com entrada u(t) e saída y(t). Encontre sua função de transferência G(s) = Y(s)/U(s) (condições iniciais nulas) e calcule a resposta ao impulso g(t) em t = 0,75 s. Encontre g(0,75).

y″ + 4y′ + 8y = 2ut = 0,75 s
g(0.75) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t22h(t)t41

O pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com resposta ao impulso h(t) = 1 para 0 ≤ t < 4 s (zero fora disso). Encontre a saída y(2,5) em t = 2,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 2,5 s
y(2.5) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
δ[n]0,5+h[n]0,8·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[5] da sua resposta ao impulso.

y[n] = 0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 0,0471

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.

Raiz dupla

(r + 3)² = 0 → r = −3

Constantes

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 9 = 8

Calcular

y(2) = (3 + 8·2)·e−6 = 0,0471

Resposta

y(2) = 0,0471
2.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 0,2002

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.

Raízes complexas

r = −2 ± 2j

Constantes

A = 3, B = 2·3/2 = 3

Calcular

y(1) = e−2(3·cos 2 + 3·sin 2) = 0,2002

Resposta

y(1) = 0,2002
3.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = 16

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 = 1, M₁₂ = −5, M₁₃ = 1

Desenvolvimento por cofatores

det A = 3·1 − 2·(−5) + 3·1 = 16

Resposta

det A = 16
4.Matrizes e determinantes

Resposta: x = −2,818

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 = (−4)·(−4) − 6·(−1) = 22

Substituir a coluna de x

det Aₓ = 11·(−4) − 6·3 = −62
x = −62/22 = −2,818

Resposta

x = −2,818
y = −0,04545
5.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: θ = 50,57 °

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.

Produto escalar

a·b = 0·(−1) + (−1)·(−5) + 3·2 = 11

Módulos

|a| = √(0² + (−1)² + 3²) = 3,162
|b| = √((−1)² + (−5)² + 2²) = 5,477

Ângulo

cos θ = 11/(3,162·5,477) = 0,6351
θ = arccos(0,6351) = 50,57°

Resposta

θ = 50,57°
6.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: (a × b)y = −36

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 = 6·6 − 0·6 = 36
(a × b)y = azbx − axbz = 0·4 − 6·6 = −36
(a × b)z = axby − aybx = 6·6 − 6·4 = 12

Componente pedida

(a × b)y = −36

Resposta

(a × b)y = −36

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

7.Integrais

Resposta: I = 26,8

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.

Primitiva

F(x) = e2x/2

Avaliar nos limites

I = (e4 − 1)/2 = (54,6 − 1)/2 = 26,8

Resposta

I = 26,8
8.Integrais

Resposta: I = 0,0609

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.

Primeira rodada

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Segunda rodada

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

Limites

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Resposta

I = 0,0609
9.Cálculo de várias variáveis

Resposta: c = 44

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.

Valor e inclinações no ponto

f(−2, 2) = −20
fx = −y − 6x² → fx(−2, 2) = −26
fy = −x − 15y² → fy(−2, 2) = −58

Plano tangente

z = −20 − 26(x + 2) − 58(y − 2)
z = −26x − 58y + 44

Termo constante

c = 44

Resposta

c = 44
10.Cálculo de várias variáveis

Resposta: fmax = 27

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).

Pontos críticos

Resolva fx = 0 e fy = 0 juntos.

fx = 3x² + 9y = 0
fy = 3y² + 9x = 0
(0, 0), (−3, −3)

Teste da segunda derivada

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 9, D = −81 → ponto de sela
(−3, −3): fxx = −18, fyy = −18, fxy = 9, D = 243 → máximo local

Valor no extremo

f(−3, −3) = 27

Resposta

fmax = 27
11.Sequências e séries

Resposta: D: Σ (4/3)ᵏ

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 + 1)) → Menor que 1/k²: converge por comparação.
B: Σ 1/k² → Série-p com p = 2 > 1: converge.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternada, com 1/k decrescendo a 0: converge (condicionalmente).
D: Σ (4/3)ᵏ → Geométrica com r = 4/3 > 1: os termos crescem, então diverge.

A resposta

D: Σ (4/3)ᵏ

Resposta

D: Σ (4/3)ᵏ
12.Sequências e séries

Resposta: S = 0,1353

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.

Séries padrão

Σ xᵏ/k! = eˣ

Substituir

x = −2
S = e−2 = 0,1353

Resposta

S = 0,1353
13.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.2) = 0,4856

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).

Complete o quadrado

s² + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Associe o numerador

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (−7/6)·6/((s + 2)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(5·cos 6t − 1,167·sin 6t)
f(0,2) = e−2·0,2·(5·cos(6·0,2) − 1,167·sin(6·0,2)) = 0,4856

Resposta

f(0,2) = 0,4856
14.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.75) = 0,2226

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).

Função de transferência

G(s) = Y(s)/U(s) = 2/(s² + 4s + 8)

Frações parciais

s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2²
G(s) = (2/2)·2/((s + 2)² + 2²)

Resposta ao impulso

g(t) = e−2t·(sin 2t)
g(0,75) = 0,2226

Resposta

g(0,75) = 0,2226
15.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(2.5) = 4

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).

Sobreposição do pulso invertido

h(t − τ) é o pulso de h invertido e deslocado de modo que termine em τ = t.

τ ∈ [0, 2] → comprimento 2 s

Integral

y(2,5) = 2·1·2 = 4

Resposta

y(2,5) = 4

y(t) é um trapézio: sobe a partir de 0, fica em 4 e volta a 0 em t = 6 s.

16.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h[5] = 0,1638

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] = 0,4
h[2] = 0,32
h[3] = 0,256
h[4] = 0,2048
h[5] = 0,1638

Resultado

h[5] = 0,5·(0,8)5 = 0,1638

Resposta

h[5] = 0,1638

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