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) = 4y(0,5) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 3y = 0 com y(0) = 4 e y′(0) = 2. Encontre y(0,5).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
xy12(1, −2)y(2) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + 3y/x = 4x para x > 0, com y(1) = −2. Encontre y(2).

y′ + 3y/x = 4xy(1) = −2
y(2) =
3.Matrizes e determinantesMédia
A =03−124−51−4−5

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

A = [0 3 −1; 2 4 −5; 1 −4 −5]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
A =−1−413b =56

Resolva o sistema −x − 4y = 5 e x + 3y = 6. Calcule x.

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

Encontre o valor de k para o qual os vetores a = (−1, 6, 5) e b = (2, 4, k) são perpendiculares.

a = (−1, 6, 5)b = (2, 4, k)
k =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzrFOA

Uma força F = (−60, 30, −30) N atua no ponto A(1, 3, −4). As coordenadas estão em metros. Encontre a componente y My do momento da força em relação a o ponto O(−3, −3, −2).

F = (−60, 30, −30) NA(1, 3, −4) mO(−3, −3, −2) m
My = N·m
7.IntegraisMédia
xy12

Calcule I = ∫12 4/x dx.

f(x) = 4/x[1, 2]
I =
8.IntegraisDifícil
xy2,5y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
xy050246PQ

Para f(x, y) = 3xy² + 4x³ + 4y² − 4xy, encontre a derivada direcional Duf em P(2, 3) na direção de Q(−1, 6).

f(x, y) = 3xy² + 4x³ + 4y² − 4xyP = (2, 3)Q = (−1, 6)
Duf =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−101−2−101(0, −1)

Encontre os pontos críticos de f(x, y) = 3x² − 3xy + 3y² − 3x + 6y − 2, classifique-os e dê o valor fmin de f no seu mínimo local.

f(x, y) = 3x² − 3xy + 3y² − 3x + 6y − 2
fmin =
11.Sequências e sériesMédia
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Aplique o teste da razão a Σk=1∞ k!/kᵏ. Encontre L = lim |ak+1/ak|.

ak = k!/kᵏ
L =
12.Sequências e sériesDifícil
xyfP₂2

Use o polinômio de Maclaurin de grau 2 de f(x) = cos(0,5x) para aproximar f(2). Dê P₂(2).

f(x) = cos(0,5x)n = 2x = 2
P₂(2) =
13.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−55

Encontre f(t) para F(s) = (5s + 40)/(s² + 4s + 29) completando o quadrado e calcule f(0,6).

F(s) = (5s + 40)/(s² + 4s + 29)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−0,5−10,51

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 2y′ + 2y = 15u, 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 = 0,4 s. Encontre g(0,4).

y″ + 2y′ + 2y = 15ut = 0,4 s
g(0.4) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t10h(t)t21

Um sistema tem resposta ao impulso h(t) = e−0,5tu(t). A entrada é um degrau x(t) = 10·u(t). Encontre a saída y(6) em t = 6 s.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 6 s
y(6) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
δ[n]3+h[n]0,6·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[3] da sua resposta ao impulso.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 3,576

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 características

(r + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Constantes a partir dos valores iniciais

A + B = 4, −1A − 3B = 2
A = 7, B = −3

Calcular

y(0,5) = 7·e−0,5 + (−3)·e−1,5 = 3,576

Resposta

y(0,5) = 3,576
2.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 2,85

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∫3/x dx = x3

Integrar

(x3y)′ = 4x4 → x3y = 4x5/5 + C

Condição inicial

−2 = 4/5 + C → C = −2,8

Calcular

y(2) = (4·25/5 + (−2,8))/23 = 2,85

Resposta

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

Resposta: det A = 27

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 = −40, M₁₂ = −5, M₁₃ = −12

Desenvolvimento por cofatores

det A = 0·(−40) − 3·(−5) + (−1)·(−12) = 27

Resposta

det A = 27
4.Matrizes e determinantes

Resposta: x = 39

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 − (−4)·1 = 1

Substituir a coluna de x

det Aₓ = 5·3 − (−4)·6 = 39
x = 39/1 = 39

Resposta

x = 39
y = −11
5.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: k = −4,4

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 = (−1)·2 + 6·4 + 5·k = 0
22 + 5·k = 0

Resolver para k

k = −22/5 = −4,4

Resposta

k = −4,4
6.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: My = 240 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 = (1, 3, −4) − (−3, −3, −2) = (4, 6, −2) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 6·(−30) − (−2)·30 = −120 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·(−60) − 4·(−30) = 240 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 4·30 − 6·(−60) = 480 N·m

Componente pedida

My = 240 N·m

Resposta

My = 240 N·m
7.Integrais

Resposta: I = 2,773

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) = 4·ln x

Avaliar nos limites

I = 4·(ln 2 − ln 1) = 4·ln 2 = 2,773

Resposta

I = 2,773
8.Integrais

Resposta: I = 37,59

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

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Resposta

I = 37,59
9.Cálculo de várias variáveis

Resposta: Duf = −7,778

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 = 3y² + 12x² − 4y → fx(2, 3) = 63
fy = 6xy + 8y − 4x → fy(2, 3) = 52

Vetor unitário

|v| = √((−3)² + 3²) = 4,243
u = (−0,7071, 0,7071)

Produto escalar

Duf = 63·(−0,7071) + 52·0,7071 = −7,778

Resposta

Duf = −7,778
10.Cálculo de várias variáveis

Resposta: fmin = −5

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 = 6x − 3y − 3 = 0
fy = −3x + 6y + 6 = 0
(0, −1)

Teste da segunda derivada

(0, −1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → mínimo local

Valor no extremo

f(0, −1) = −5

Resposta

fmin = −5
11.Sequências e séries

Resposta: L = 0,3679

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/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e

Conclusão

L = 0,3679 < 1

Resposta

L = 0,3679

L < 1, então a série converge.

12.Sequências e séries

Resposta: P₂(2) = 0,5

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.

Polinômio de Maclaurin

P₂(x) = 1 − 0,125x²

Substituir

P₂(2) = 1 − 0,5 = 0,5

Resposta

P₂(2) = 0,5

O valor exato é f(2) = 0,540302; o erro 0,0403023 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.

13.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.6) = −1,236

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 + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

Associe o numerador

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (30/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(5·cos 5t + 6·sin 5t)
f(0,6) = e−2·0,6·(5·cos(5·0,6) + 6·sin(5·0,6)) = −1,236

Resposta

f(0,6) = −1,236
14.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.4) = 3,916

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) = 15/(s² + 2s + 2)

Frações parciais

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = (15/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Resposta ao impulso

g(t) = e−t·(15·sin 1t)
g(0,4) = 3,916

Resposta

g(0,4) = 3,916
15.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(6) = 19

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) = 10·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (10/0,5)·(1 − e−0,5t)

Calcular

y(6) = 20·(1 − e−3) = 19

Resposta

y(6) = 19
16.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h[3] = 0,648

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] = 3
h[1] = 1,8
h[2] = 1,08
h[3] = 0,648

Resultado

h[3] = 3·(0,6)3 = 0,648

Resposta

h[3] = 0,648

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