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
tyy(0) = 5y(2) = ?

Resolva y″ + 2y′ + y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 0. Encontre y(2).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
xy12(1, 3)y(2) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + 2y/x = 2x2 para x > 0, com y(1) = 3. Encontre y(2).

y′ + 2y/x = 2x2y(1) = 3
y(2) =
3.Matrizes e determinantesMédia
A =−3204B =−3633

Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c22 (linha 2, coluna 2).

A = [−3 2; 0 4]B = [−3 6; 3 3]
c22 =
4.Matrizes e determinantesDifícil
A =4551b =−8−11

Resolva o sistema 4x + 5y = −8 e 5x + y = −11. Calcule x.

4x + 5y = −85x + y = −11
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzab

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

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

Uma força F = (50, 10, 60) N atua no ponto A(−3, −4, 4). As coordenadas estão em metros. Encontre o módulo |M| do momento da força em relação a a origem O(0, 0, 0).

F = (50, 10, 60) NA(−3, −4, 4) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
8.IntegraisDifícil
xy1y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
xy−12∇fP

Para f(x, y) = 5x²y² − 2x³ − 5y² + 4xy, encontre a direção de maior crescimento em (−1, 2) como o ângulo θ a partir do eixo x positivo, em graus entre −180° e 180°.

f(x, y) = 5x²y² − 2x³ − 5y² + 4xyP = (−1, 2)
θ = °
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyx = 1y = x1

A integral I = ∫01 ∫y1 cos(x²) dx dy não pode ser calculada nesta ordem. Inverta a ordem de integração e calcule-a.

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
11.Sequências e sériesMédia
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Aplique o teste da razão a Σk=1∞ k³·3ᵏ/5ᵏ. Encontre L = lim |ak+1/ak|.

ak = k³·3ᵏ/5ᵏ
L =
12.Sequências e sériesDifícil

f(x) = cos x é aproximada em x = 1,5 pelo seu polinômio de Maclaurin de grau n. Com a cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 1, encontre o menor grau n que garante um erro abaixo de 0,0001.

f(x) = cos xx = 1,5M = 1ε = 0,0001
n =
13.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (4s + 1)/(s² + 6s + 5). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−t + B·e−5t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (4s + 1)/(s² + 6s + 5)
A =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Um sistema obedece a y″ + 7y′ + 6y = 15·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 2 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,5).

y″ + 7y′ + 6y = 15·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t22h(t)t1

O pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com h(t) = e−1tu(t). Encontre a saída y(3) em t = 3 s, depois que o pulso terminou.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)0,8245

Um trem de pulsos tem altura 5, largura de pulso 0,8 ms e período 2 ms. Encontre a amplitude c1 do harmônico de número 1, em 500 Hz.

A = 5τ = 0,8 msT = 2 ms
c1 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 2,03

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 + 1)² = 0 → r = −1

Constantes

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

Calcular

y(2) = (5 + 5·2)·e−2 = 2,03

Resposta

y(2) = 2,03
2.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 3,85

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.

Fator integrante

μ = e∫2/x dx = x2

Integrar

(x2y)′ = 2x4 → x2y = 2x5/5 + C

Condição inicial

3 = 2/5 + C → C = 2,6

Calcular

y(2) = (2·25/5 + 2,6)/22 = 3,85

Resposta

y(2) = 3,85
3.Matrizes e determinantes

Resposta: c22 = 12

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

c22 = 0·6 + 4·3 = 12

Resposta

c22 = 12
4.Matrizes e determinantes

Resposta: x = −2,238

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 = 4·1 − 5·5 = −21

Substituir a coluna de x

det Aₓ = (−8)·1 − 5·(−11) = 47
x = 47/(−21) = −2,238

Resposta

x = −2,238
y = 0,1905
5.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: θ = 116,8 °

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 = 1·(−2) + 5·(−3) + (−3)·(−2) = −11

Módulos

|a| = √(1² + 5² + (−3)²) = 5,916
|b| = √((−2)² + (−3)² + (−2)²) = 4,123

Ângulo

cos θ = −11/(5,916·4,123) = −0,451
θ = arccos(−0,451) = 116,8°

Resposta

θ = 116,8°
6.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: |M| = 501,7 N·m

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.

Vetor de posição de O a A

r = A − O = (−3, −4, 4) − (0, 0, 0) = (−3, −4, 4) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−4)·60 − 4·10 = −280 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 4·50 − (−3)·60 = 380 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−3)·10 − (−4)·50 = 170 N·m

Módulo

|M| = √((−280)² + 380² + 170²) = 501,7 N·m

Resposta

|M| = 501,7 N·m
7.Integrais

Resposta: I = 41,33

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.

Substituição

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

Integrar e avaliar

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33

Resposta

I = 41,33
8.Integrais

Resposta: I = 0,7183

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

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Resposta

I = 0,7183
9.Cálculo de várias variáveis

Resposta: θ = −174 °

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.

Derivadas parciais

fx = 10xy² − 6x² + 4y → fx(−1, 2) = −38
fy = 10x²y − 10y + 4x → fy(−1, 2) = −4

Direção

θ = atan2(−4, −38) = −174°

Resposta

θ = −174°
10.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 0,4207

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).

Região

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1

Ordem invertida

I = ∫01 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫01 x·cos(x²) dx

Substituição u = x²

I = [sin(x²)/2]01 = 0,4207

Resposta

I = 0,4207
11.Sequências e séries

Resposta: L = 0,6

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.

Razão entre termos consecutivos

|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)³·3/5 → 3/5

Conclusão

L = 0,6 < 1

Resposta

L = 0,6

L < 1, então a série converge.

12.Sequências e séries

Resposta: n = 9

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.

n(n + 1)!cota011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059936288001,589 × 10⁻⁵

Cotas para n crescente

n = 8: 0,0001059 ≥ 0,0001
n = 9: 1,589 × 10⁻⁵ < 0,0001

Menor grau

n = 9

Resposta

n = 9
13.Transformadas de Laplace

Resposta: A = −0,75

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).

Fatore o denominador

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 1) e faça s = −1: o termo em B desaparece.

A = (4s + 1)/(s + 5) |s = −1 = −3/4 = −0,75

Resposta

A = −0,75
(B = 4,75, então f(t) = −0,75·e−t + 4,75·e−5t)
14.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.5) = 1,411

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

Y(s) = 30/(s(s + 1)(s + 6))

Frações parciais

A = 30/(1·6) = 5
B = 30/((−1)·5) = −6
C = 30/((−6)·(−5)) = 1

Saídas

y(t) = 5 − 6·e−t + e−6t
y(0,5) = 1,411

Resposta

y(0,5) = 1,411
15.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(3) = 0,6362

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).

Saída no fim do pulso

y(2) = (2/1)(1 − e−2) = 1,729

Decaimento depois do pulso

y(3) = 1,729·e−1·1 = 0,6362

Resposta

y(3) = 0,6362
16.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c1 = 3,027

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)|.

Ciclo de trabalho

D = 0,8/2 = 0,4

Amplitude do harmônico

c1 = (2·5/(1π))·|sin(1π·0,4)| = 3,027

Resposta

c1 = 3,027

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