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)29Ta​24 °C26 °C

Uma lata de refrigerante a 5 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 28 °C. Após 29 min sua temperatura é 24 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 26 °C?

T0 = 5 °CTa = 28 °CT(29) = 24 °CT = 26 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 2y(1) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 20y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1); ângulos em radianos.

y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
3.Matrizes e determinantesMédia
A =0−46−6B =−2−3−52

Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c21 (linha 2, coluna 1).

A = [0 −4; 6 −6]B = [−2 −3; −5 2]
c21 =
4.Matrizes e determinantesDifícil
A =−312−5b =−107

Resolva o sistema −3x + y = −10 e 2x − 5y = 7. Calcule x.

−3x + y = −102x − 5y = 7
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzab

Encontre o valor de k para o qual os vetores a = (4, 5, 4) e b = (5, 1, k) são perpendiculares.

a = (4, 5, 4)b = (5, 1, k)
k =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzab

Para a = (4, 6, 5) e b = (0, −6, −1), encontre a componente x (a × b)x do produto vetorial a × b.

a = (4, 6, 5)b = (0, −6, −1)
(a × b)x =
7.IntegraisMédia
xy1y = x

A região sob y = x, de x = 0 até x = 1, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um cone).

y = x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegraisDifícil
xy−11

Calcule a área A da região entre a parábola y = 1 − x² e o eixo x.

y = 1 − x²
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
xy−13P

O plano tangente a z = 3x³y³ + 3x³ − 3y² + 3xy no ponto onde (x, y) = (−1, 3) pode ser escrito como z = px + qy + c. Encontre c.

f(x, y) = 3x³y³ + 3x³ − 3y² + 3xy(a, b) = (−1, 3)
c =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

Encontre os pontos críticos de f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy, classifique-os e dê o valor fmin de f no seu mínimo local.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
11.Sequências e sériesMédia
AΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ k/(k + 9)k = 1 … ∞CΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(5k + 5)k = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ 3ᵏ/k!B: Σ k/(k + 9)C: Σ (3/2)ᵏD: Σ 1/(5k + 5)
  1. 1A: Σ 3ᵏ/k!
  2. 2B: Σ k/(k + 9)
  3. 3C: Σ (3/2)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(5k + 5)
12.Sequências e sériesDifícil

f(x) = cos x é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 3 em x = 0,5. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = 1 para encontrar o maior erro possível |R₃|.

f(x) = cos xn = 3x = 0,5M = 1
|R₃| =
13.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−5−10−15−20−25−30−35−40

Encontre f(t) para F(s) = (s + 36)/(s² + 6s + 13) completando o quadrado e calcule f(0,1).

F(s) = (s + 36)/(s² + 6s + 13)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Um sistema obedece a y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t), com y(0) = 6 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 2. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,25).

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t03h(t)t34

O sinal x(t) é não nulo apenas entre t = 0 s e t = 3 s, e h(t) apenas entre t = 3 s e t = 4 s. Encontre o instante tend em que y(t) = x(t) ∗ h(t) termina.

x: 0 … 3 sh: 3 … 4 s
tend = s
16.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)510203−3

Uma onda triangular sobe e desce linearmente entre −3 e +3 com período T = 10 ms. Encontre a amplitude c5 da sua componente de Fourier em 500 Hz.

±3T = 10 msf = 500 Hz
c5 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: t = 40,49 min

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.

Constante de resfriamento

k = ln(-23/-4)/29 = 0,06032 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(-23/(−2))/0,06032 = 40,49 min

Resposta

t = 40,49 min
2.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = −0,2793

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 ± 4j

Constantes

A = 2, B = 2·2/4 = 1

Calcular

y(1) = e−2(2·cos 4 + 1·sin 4) = −0,2793

Resposta

y(1) = −0,2793
3.Matrizes e determinantes

Resposta: c21 = 18

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.

Linha vezes coluna

c21 = 6·(−2) + (−6)·(−5) = 18

Resposta

c21 = 18
4.Matrizes e determinantes

Resposta: x = 3,308

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 = (−3)·(−5) − 1·2 = 13

Substituir a coluna de x

det Aₓ = (−10)·(−5) − 1·7 = 43
x = 43/13 = 3,308

Resposta

x = 3,308
y = −0,07692
5.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: k = −6,25

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 igual a zero

a·b = 4·5 + 5·1 + 4·k = 0
25 + 4·k = 0

Resolver para k

k = −25/4 = −6,25

Resposta

k = −6,25
6.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: (a × b)x = 24

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·(−1) − 5·(−6) = 24
(a × b)y = azbx − axbz = 5·0 − 4·(−1) = 4
(a × b)z = axby − aybx = 4·(−6) − 6·0 = −24

Componente pedida

(a × b)x = 24

Resposta

(a × b)x = 24

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

7.Integrais

Resposta: V = 1,047

Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.

Método dos discos

V = π∫₀1 1x² dx

Integrar

V = π·1·1³/3 = 1,047

Resposta

V = 1,047

Verificação: um cone de raio 1 e altura 1 tem (1/3)πr²h = 1,047.

8.Integrais

Resposta: A = 1,333

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.

Zeros

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrar

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Resposta

A = 1,333
9.Cálculo de várias variáveis

Resposta: c = 447

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(−1, 3) = −120
fx = 9x²y³ + 9x² + 3y → fx(−1, 3) = 261
fy = 9x³y² − 6y + 3x → fy(−1, 3) = −102

Plano tangente

z = −120 + 261(x + 1) − 102(y − 3)
z = 261x − 102y + 447

Termo constante

c = 447

Resposta

c = 447
10.Cálculo de várias variáveis

Resposta: fmin = −32

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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Teste da segunda derivada

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → ponto de sela
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → mínimo local
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → mínimo local

Valor no extremo

f(2, 2) = −32

Resposta

fmin = −32
11.Sequências e séries

Resposta: A: Σ 3ᵏ/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 3ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, converge.
B: Σ k/(k + 9) → Os termos tendem a 1, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
C: Σ (3/2)ᵏ → Geométrica com r = 3/2 > 1: os termos crescem, então diverge.
D: Σ 1/(5k + 5) → Comporta-se como 1/(5k) para k grande; comparada com a série harmônica, diverge.

A resposta

A: Σ 3ᵏ/k!

Resposta

A: Σ 3ᵏ/k!
12.Sequências e séries

Resposta: |R₃| = 0,002604

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.

Cota para a derivada

M = 1

Cota de Lagrange

|R₃| ≤ 1·0,5⁴/4! = 0,002604

Resposta

|R₃| = 0,002604

O erro verdadeiro é menor: |f(0,5) − P₃(0,5)| = 0,002583.

13.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.1) = 3,154

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 + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

Associe o numerador

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (33/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(cos 2t + 16,5·sin 2t)
f(0,1) = e−3·0,1·(cos(2·0,1) + 16,5·sin(2·0,1)) = 3,154

Resposta

f(0,1) = 3,154
14.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.25) = 5,78

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

(s² + 7s + 6)·Y(s) = 6s + 42 + 24/s
Y(s) = (6s² + 42s + 24)/(s(s + 1)(s + 6))

Frações parciais

A = 24/(1·6) = 4
B = −12/((−1)·5) = 2,4
C = −12/((−6)·(−5)) = −0,4

Resultado

y(t) = 4 + 2,4·e−t − 0,4·e−6t
y(0,25) = 5,78

Resposta

y(0,25) = 5,78

Verificação: y(0) = A + B + C = 6.

15.Convolução e sistemas LIT

Resposta: tend = 7 s

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).

Início e fim

tstart = 0 + 3 = 3 s
tend = 3 + 4 = 7 s

Resposta

tend = 7 s

Resposta

tend = 7 s
16.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c5 = 0,09727

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)|.

Número do harmônico

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 5

Amplitude

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Resposta

c5 = 0,09727

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