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​189 °C106 °C

Uma peça de aço forjado a 320 °C é deixada esfriando em uma oficina a 22 °C. Após 29 min sua temperatura é 189 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 106 °C?

T0 = 320 °CTa = 22 °CT(29) = 189 °CT = 106 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 1y(0,25) = ?

Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 8y = 8 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,25); ângulos em radianos.

y″ + 4y′ + 8y = 8y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matrizes e determinantesMédia
A =22−4−434−3−4−2

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

A = [2 2 −4; −4 3 4; −3 −4 −2]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
A =−24−24

Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.

A = [−2 4; −2 4]
λ =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzab

Encontre o valor de k para o qual os vetores a = (−6, 4, −6) e b = (0, k, −2) são perpendiculares.

a = (−6, 4, −6)b = (0, k, −2)
k =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzab

O vetor unitário n̂ é perpendicular a a = (5, 3, −2) e a b = (4, 2, −2) e tem componente z positiva. Encontre sua componente x n̂x.

a = (5, 3, −2)b = (4, 2, −2)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 2]
I =
8.IntegraisDifícil
xyy = 0,5x2​y = 2x

Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
xy23∇fP

Para f(x, y) = −2x²y² − x² + 4y³ − 2xy, encontre a direção de maior crescimento em (2, 3) como o ângulo θ a partir do eixo x positivo, em graus entre −180° e 180°.

f(x, y) = −2x²y² − x² + 4y³ − 2xyP = (2, 3)
θ = °
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyy = 0,8y = x0,80,8

A integral I = ∫00,8 ∫x0,8 sin(y²) dy dx não pode ser calculada nesta ordem. Inverta a ordem de integração e calcule-a.

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Sequências e sériesMédia
xx₀ = −2??R

A série de potências Σk=1∞ k!·(x + 2)ᵏ/kᵏ converge num intervalo em torno de x₀ = −2. Encontre a extremidade esquerda x desse intervalo.

Σ k!·(x + 2)ᵏ/kᵏx₀ = −2
x =
12.Sequências e sériesDifícil

Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ/k!.

ak = (−1)ᵏ/k!
S =
13.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Encontre f(t) para F(s) = (4s + 16)/(s² + 2s + 2) completando o quadrado e calcule f(0,4).

F(s) = (4s + 16)/(s² + 2s + 2)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Um sistema obedece a y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t), com y(0) = 2 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 4. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,2).

y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t10h(t)t1

A entrada x(t) = 10·e−3tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−0,5tu(t). Encontre a saída y(1,5) em t = 1,5 s.

x(t) = 10·e−3tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
δ[n]2+h[n]0,9·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,9·y[n − 1] + 2·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[3] da sua resposta ao impulso.

y[n] = 0,9y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: t = 63,41 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(298/167)/29 = 0,01997 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(298/84)/0,01997 = 63,41 min

Resposta

t = 63,41 min
2.Equações diferenciais

Resposta: y(0.25) = 0,1769

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 = −2 ± 2j

Constantes a partir dos valores iniciais

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

Calcular

y(0,25) = 1·(1 − e−0,5(cos 0,5 + 1·sin 0,5)) = 0,1769

Resposta

y(0,25) = 0,1769
3.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = −120

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 = 10, M₁₂ = 20, M₁₃ = 25

Desenvolvimento por cofatores

det A = 2·10 − 2·20 + (−4)·25 = −120

Resposta

det A = −120
4.Matrizes e determinantes

Resposta: λ = 2

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.

Equação característica

λ² − (2)λ + (0) = 0

Resolva

λ = (2 ± √(4))/2 → λ = 0, 2
λ = 2

Resposta

λ = 2
5.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: k = −3

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 = (−6)·0 + 4·k + (−6)·(−2) = 0
12 + 4·k = 0

Resolver para k

k = −12/4 = −3

Resposta

k = −3
6.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: n̂x = 0,5774

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

(a × b)x = aybz − azby = 3·(−2) − (−2)·2 = −2
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·4 − 5·(−2) = 2
(a × b)z = axby − aybx = 5·2 − 3·4 = −2

Normalize

A componente z de a × b é negativa, então use −(a × b).

|a × b| = √((−2)² + 2² + (−2)²) = 3,464
n̂ = −(−2, 2, −2)/3,464 = (0,5774, −0,5774, 0,5774)
n̂x = 0,5774

Resposta

n̂x = 0,5774
7.Integrais

Resposta: I = 0,8647

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) = e−x/(−1)

Avaliar nos limites

I = (e−2 − 1)/(−1) = (0,1353 − 1)/(−1) = 0,8647

Resposta

I = 0,8647
8.Integrais

Resposta: A = 5,333

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.

Pontos de interseção

0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Resposta

A = 5,333
9.Cálculo de várias variáveis

Resposta: θ = 145,7 °

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 = −4xy² − 2x − 2y → fx(2, 3) = −82
fy = −4x²y + 12y² − 2x → fy(2, 3) = 56

Direção

θ = atan2(56, −82) = 145,7°

Resposta

θ = 145,7°
10.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 0,09895

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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 0,8

Ordem invertida

I = ∫00,8 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫00,8 y·sin(y²) dy

Substituição u = y²

I = [−cos(y²)/2]00,8 = 0,09895

Resposta

I = 0,09895
11.Sequências e séries

Resposta: x = −4,718

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.

Coeficientes

ck/ck+1 = (1 + 1/k)ᵏ → e

Raio

R = 2,718

Intervalo

−4,718 < x < 0,7183
x = −4,718

Resposta

x = −4,718

O teste da razão nada diz nos dois extremos; eles precisam ser verificados separadamente.

12.Sequências e séries

Resposta: S = 0,3679

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 = −1
S = e−1 = 0,3679

Resposta

S = 0,3679
13.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.4) = 5,602

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 + 2s + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

Associe o numerador

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (12/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Transformada inversa

f(t) = e−t·(4·cos 1t + 12·sin 1t)
f(0,4) = e−0,4·(4·cos(1·0,4) + 12·sin(1·0,4)) = 5,602

Resposta

f(0,4) = 5,602
14.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.2) = 4,138

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 + 12)·Y(s) = 2s + 14 + 192/s
Y(s) = (2s² + 14s + 192)/(s(s + 3)(s + 4))

Frações parciais

A = 192/(3·4) = 16
B = 168/((−3)·1) = −56
C = 168/((−4)·(−1)) = 42

Resultado

y(t) = 16 − 56·e−3t + 42·e−4t
y(0,2) = 4,138

Resposta

y(0,2) = 4,138

Verificação: y(0) = A + B + C = 2.

15.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(1.5) = 1,845

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).

Integral de convolução

y(t) = 10e−0,5t∫₀ᵗ e−(3 − 0,5)τ dτ = 10(e−0,5t − e−3t)/(2,5)

Calcular

y(1,5) = 10·(0,4724 − 0,01111)/(2,5) = 1,845

Resposta

y(1,5) = 1,845
16.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h[3] = 1,458

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] = 2
h[1] = 1,8
h[2] = 1,62
h[3] = 1,458

Resultado

h[3] = 2·(0,9)3 = 1,458

Resposta

h[3] = 1,458

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