คณิตศาสตร์วิศวกรรม 2: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 16 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

สมการเชิงอนุพันธ์

การเติบโต/การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
ครึ่งชีวิต: k = ln 2 / t_½
กฎการเย็นตัวของนิวตัน: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
ตัวประกอบอินทิเกรต: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
ถังผสม: dm/dt = r·c − (r/V)·m

เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

ดีเทอร์มินันต์ 2×2: det = ad − bc
อินเวอร์สของ 2×2: A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
ผลิตภัณฑ์: (AB)_ij = Σ_k A_ikB_kj
ค่าเฉพาะ: det(A − λI) = 0
กฎของคราเมอร์: x_i = det(A_i)/det(A)

เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

ขนาด: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
เวกเตอร์หนึ่งหน่วย: û = a/|a|
องค์ประกอบจากมุม: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
ผลคูณจุด: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
โพรเจกชันสเกลาร์ของ a บน b: a·b/|b|
งาน: W = F·d
ผลคูณไขว้: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
พื้นที่: สี่เหลี่ยมด้านขนาน |a × b|, สามเหลี่ยม ½|a × b|
โมเมนต์รอบ O: M_O = r × F, r = A − O
ปริมาตรของทรงหกหน้าขนาน: V = |a·(b × c)|

วิธีการ

เขียนทุกเวกเตอร์เป็นองค์ประกอบ สำหรับแรงที่ให้ด้วยขนาดและมุม ใช้ F·cos θ และ F·sin θ
สำหรับความยาวและทิศทาง ใช้ขนาด √(x² + y² + z²) และเวกเตอร์หนึ่งหน่วย a/|a|
ใช้ผลคูณจุดสำหรับมุม โพรเจกชัน การตั้งฉาก และงาน: a·b = |a||b|cos θ
ใช้ผลคูณไขว้สำหรับเวกเตอร์ตั้งฉาก พื้นที่ และโมเมนต์: เขียนทั้งสามองค์ประกอบอย่างระมัดระวัง โดยคงลำดับ a × b

อินทิกรัล

กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
อินทิกรัลจำกัดเขต: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
อินทิกรัลที่พบบ่อย: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
พื้นที่ระหว่างเส้นโค้ง: ∫_a^b (f − g) dx

วิธีการ

เขียนฟังก์ชันที่อินทิเกรตใหม่เป็นผลบวกของพจน์ง่าย ๆ เมื่อเป็นไปได้
ใช้กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) และอินทิกรัลมาตรฐานของ e^x, 1/x, sin และ cos
ใช้การแทนค่าเมื่อเห็นฟังก์ชันและอนุพันธ์ของมันอยู่ด้วยกัน
สำหรับอินทิกรัลจำกัดเขต คำนวณ F(b) − F(a)

แคลคูลัสหลายตัวแปร

อนุพันธ์ย่อย: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
เกรเดียนต์: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
อนุพันธ์ตามทิศทาง: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
ระนาบสัมผัส: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
กฎลูกโซ่: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
การทดสอบอนุพันธ์อันดับสอง: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
อินทิกรัลสองชั้น: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_g(x)^h(x) f dy dx
พิกัดเชิงขั้ว: x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

วิธีการ

สำหรับอนุพันธ์ย่อย ให้ถือตัวแปรอีกตัวเป็นค่าคงที่และใช้กฎของตัวแปรเดียว
สำหรับโจทย์เกรเดียนต์ ให้คำนวณ ∇f = (f_x, f_y) ที่จุดนั้น ใช้ |∇f| สำหรับความชันสูงสุด และ ∇f·u ด้วยเวกเตอร์หนึ่งหน่วย u สำหรับอนุพันธ์ตามทิศทาง
สำหรับค่าสุดขีด ให้แก้ f_x = 0 และ f_y = 0 พร้อมกัน แล้วจัดประเภททุกจุดด้วย D = f_xx·f_yy − f_xy²
สำหรับอินทิกรัลสองชั้น ให้ร่างบริเวณ เลือกลำดับ (หรือพิกัดเชิงขั้วสำหรับจานวงกลม) เพื่อให้ขอบเขตชั้นในเป็นเส้นโค้งที่ล้อมบริเวณ และอินทิเกรตชั้นในก่อน

ลำดับและอนุกรม

ลำดับเลขคณิต: aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
ลำดับเรขาคณิต: aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
อนุกรมเรขาคณิตอนันต์: S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-อนุกรม: Σ1/kᵖ converges only for p > 1
การทดสอบอัตราส่วน: L = lim |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
รัศมีการลู่เข้า: R = lim |c_k/c_k+1|
พหุนามเทย์เลอร์: Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
อนุกรมแมคคลอริน: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
ขอบเขตความคลาดเคลื่อนของลากรองจ์: |Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

วิธีการ

ระบุชนิด: เลขคณิต (ผลต่างคงที่) เรขาคณิต (อัตราส่วนคงที่) อนุกรมมาตรฐาน อนุกรมกำลัง หรือพหุนามเทย์เลอร์
สำหรับผลบวกใช้ Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) หรือ S = a₁/(1 − r) เมื่อ |r| < 1 โดย a₁ คือพจน์แรกของผลบวก
สำหรับการลู่เข้า: การทดสอบพจน์ที่ n ก่อน แล้วเปรียบเทียบกับ Σ1/kᵖ หรืออนุกรมเรขาคณิต และใช้การทดสอบอัตราส่วนหรือรากสำหรับแฟกทอเรียลและเลขยกกำลัง k
สำหรับพหุนามเทย์เลอร์ ให้เขียนรายการ f(a), f′(a), f″(a), … หารอนุพันธ์อันดับ k ด้วย k! และหาขอบเขตความคลาดเคลื่อนด้วย M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

คอนโวลูชันและระบบ LTI

คอนโวลูชันไม่ต่อเนื่อง: y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
คอนโวลูชันต่อเนื่อง: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
ความยาวและผลรวม: L_y = L_x + L_h − 1, Σy = Σx·Σh
จุดเริ่มต้น จุดสิ้นสุด และพื้นที่: t₁ + t₃ … t₂ + t₄, ∫y = ∫x·∫h
ขั้นเข้าสู่ e^(−at)u(t): y(t) = (A/a)(1 − e^−at)
ระบบอันดับหนึ่ง: y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e^−atu(t)
สมการเวียนเกิดอันดับหนึ่ง: y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
ไซน์ผ่าน h(t): |H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
แอมพลิจูดของอนุกรมฟูริเยร์: สี่เหลี่ยม ±A: 4A/(kπ), k คี่; สามเหลี่ยม ±A: 8A/(π²k²), k คี่; ขบวนพัลส์: A·D และ (2A/(kπ))|sin kπD|

วิธีการ

ร่างสัญญาณทั้งสองและทำเครื่องหมายช่วงที่แต่ละสัญญาณไม่เป็นศูนย์
กลับ h แล้วเลื่อน: สำหรับแต่ละเวลาของเอาต์พุต หาช่วงที่สัญญาณทั้งสองซ้อนทับกัน
คูณแล้วบวก (ไม่ต่อเนื่อง) หรือคูณแล้วอินทิเกรต (ต่อเนื่อง) เฉพาะบริเวณที่ซ้อนทับ
ตรวจสอบผลลัพธ์: เอาต์พุตเริ่มที่ผลรวมของเวลาเริ่มต้น สิ้นสุดที่ผลรวมของเวลาสิ้นสุด และพื้นที่หรือผลรวมของมันคือผลคูณของพื้นที่หรือผลรวมของอินพุต

2โจทย์ฝึก

1.สมการเชิงอนุพันธ์ปานกลาง

จงแก้ y″ + 2y′ + y = 0 โดย y(0) = 3 และ y′(0) = -1 จงหา y(2)

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = -1

y(2) =

2.สมการเชิงอนุพันธ์ยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 4y′ + 20y = 200 สำหรับ t ≥ 0 เริ่มจากหยุดนิ่ง: y(0) = 0, y′(0) = 0 จงหา y(1) มุมเป็นเรเดียน

y″ + 4y′ + 20y = 200y(0) = 0y′(0) = 0

y(1) =

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ปานกลาง

หาดีเทอร์มินันต์ det A ของเมทริกซ์ 3×3 A ที่แสดง

A = [3 1 4; 3 4 −5; 3 −4 −1]

det A =

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ยาก

แก้ระบบสมการ −5x + 6y = 2 และ −3x − 5y = −4 หา x

−5x + 6y = 2−3x − 5y = −4

x =

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ปานกลาง

จงหาผลคูณจุด a·b ของ a = (7, 6, 3) และ b = (2, −7, −2)

a = (7, 6, 3)b = (2, −7, −2)

a·b =

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ยาก

แรง F = (−30, −50, −30) N กระทำที่จุด A(0, 2, −4) พิกัดมีหน่วยเป็นเมตร จงหาองค์ประกอบ x ซึ่งคือ M_x ของโมเมนต์ของแรงรอบ จุดกำเนิด O(0, 0, 0)

F = (−30, −50, −30) NA(0, 2, −4) mO(0, 0, 0) m

M_x = N·m

7.อินทิกรัลปานกลาง

จงหาค่าของ I = ∫₁² x·ln x dx

∫₁² x ln x dx

I =

8.อินทิกรัลยาก

จงหาค่าของ I = ∫₀^1.5 x²·eˣ dx

∫₀^1.5 x²eˣ dx

I =

9.แคลคูลัสหลายตัวแปรปานกลาง

z = ln(x² + 3y²) โดย x = −3t − 2 และ y = 2t² − 2 ใช้กฎลูกโซ่เพื่อหา dz/dt ที่ t = −1

z = ln(x² + 3y²)x = −3t − 2y = 2t² − 2t = −1

dz/dt =

10.แคลคูลัสหลายตัวแปรยาก

ใช้พิกัดเชิงขั้วเพื่อคำนวณ I = ∬_R √(x² + y²) dA เมื่อ R คือ ครึ่งบนของจานวงกลม x² + y² ≤ 1 (y ≥ 0)

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ π

I =

11.ลำดับและอนุกรมปานกลาง

อนุกรมกำลัง Σ_k=1^∞ k!·(x − 3)ᵏ/kᵏ ลู่เข้าบนช่วงรอบ x₀ = 3 จงหาปลายด้านซ้าย x ของช่วงนั้น

Σ k!·(x − 3)ᵏ/kᵏx₀ = 3

x =

12.ลำดับและอนุกรมยาก

จงหาสัมประสิทธิ์ c₂ ของ (x − 1)² ในอนุกรมเทย์เลอร์ของ f(x) = ∛x รอบ a = 1

f(x) = ∛xa = 1k = 2

c₂ =

13.การแปลงลาปลาซปานกลาง

จงหา f(t) สำหรับ F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 3)) ด้วยเศษส่วนย่อย และหาค่า f(0.3)

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 3))t = 0.3 s

f(0.3) =

14.การแปลงลาปลาซยาก

จงแก้ y″ + 9y′ + 18y = 0 โดย y(0) = −10 และ y′(0) = 7 ด้วยการแปลงลาปลาซ และหา y(0.1)

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −10y′(0) = 7t = 0.1 s

y(0.1) =

15.คอนโวลูชันและระบบ LTIปานกลาง

สัญญาณ x(t) ไม่เป็นศูนย์เฉพาะระหว่าง t = 0 s และ t = 2 s และ h(t) เฉพาะระหว่าง t = 1 s และ t = 2 s จงหาเวลา t_end ที่ y(t) = x(t) ∗ h(t) สิ้นสุด

x: 0 … 2 sh: 1 … 2 s

t_end = s

16.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

ขบวนพัลส์มีความสูง 4 ความกว้างพัลส์ 0.8 ms และคาบ 4 ms จงหาแอมพลิจูด c₁ ของฮาร์มอนิกลำดับที่ 1 ที่ 250 Hz

A = 4τ = 0.8 msT = 4 ms

c₁ =

3สารละลาย

1.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(2) = 0.9473

สมการเชิงเส้นอันดับสอง: สำหรับ y″ + b·y′ + c·y = 0 ลองใช้ y = e^rt: ได้สมการลักษณะเฉพาะ r² + b·r + c = 0 รากจริงสองค่า r₁ ≠ r₂ ให้ y = A·e^r₁t + B·e^r₂t (หน่วงเกิน) รากซ้ำ r ให้ y = (A + Bt)·e^rt (หน่วงวิกฤต) รากเชิงซ้อน −α ± jω ให้ y = e^−αt(A cos ωt + B sin ωt) (หน่วงน้อย สั่น) ค่าเริ่มต้น y(0) และ y′(0) กำหนด A และ B เมื่อเขียนเป็น y″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0 โดย ω_n คือความถี่ธรรมชาติและ ζ คืออัตราส่วนการหน่วง: ζ < 1 จะสั่น เมื่อมีอินพุตคงที่ y″ + by′ + cy = c·K คำตอบคือค่าคงตัว K บวกการตอบสนองอิสระ

รากซ้ำ

(r + 1)² = 0 → r = −1

ค่าคงที่

A = y(0) = 3

y′(0) = B − 1A → B = -1 + 3 = 2

คำนวณค่า

y(2) = (3 + 2·2)·e⁻² = 0.9473

คำตอบ

y(2) = 0.9473

2.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(1) = 11.4

ค่าคงตัวและราก

y_ss = 10, r = −2 ± 4j

ค่าคงที่จากค่าเริ่มต้น

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10

y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −5

คำนวณค่า

y(1) = 10·(1 − e⁻²(cos 4 + 0.5·sin 4)) = 11.4

คำตอบ

y(1) = 11.4

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: det A = −180

เมทริกซ์: ดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์ 2×2 คือ ad − bc สำหรับ 3×3 ให้กระจายตามแถว: แต่ละสมาชิกคูณดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์ 2×2 ที่เหลือหลังตัดแถวและหลักของมันออก โดยเครื่องหมายสลับ + − + ค่าเฉพาะ λ เป็นคำตอบของ det(A − λI) = 0 สำหรับ 2×2 คือ λ² − (trace)·λ + det = 0

ไมเนอร์ 2×2 ของแถวแรก

M₁₁ = −24, M₁₂ = 12, M₁₃ = −24

การกระจายโคแฟกเตอร์

det A = 3·(−24) − 1·12 + 4·(−24) = −180

คำตอบ

det A = −180

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: x = 0.3256

ดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์สัมประสิทธิ์

det A = (−5)·(−5) − 6·(−3) = 43

แทนหลัก x

det Aₓ = 2·(−5) − 6·(−4) = 14

x = 14/43 = 0.3256

คำตอบ

x = 0.3256

y = 0.6047

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: a·b = −34

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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.

คูณองค์ประกอบที่ตรงกันแล้วบวก

a·b = 7·2 + 6·(−7) + 3·(−2) = 14 + (−42) + (−6) = −34

คำตอบ

a·b = −34

เป็นลบ: มุมระหว่างเวกเตอร์มากกว่า 90°

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: M_x = −260 N·m

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

เวกเตอร์ตำแหน่งจาก O ไป A

r = A − O = (0, 2, −4) − (0, 0, 0) = (0, 2, −4) m

โมเมนต์ M = r × F

(r × F)_x = r_yF_z − r_zF_y = 2·(−30) − (−4)·(−50) = −260 N·m

(r × F)_y = r_zF_x − r_xF_z = (−4)·(−30) − 0·(−30) = 120 N·m

(r × F)_z = r_xF_y − r_yF_x = 0·(−50) − 2·(−30) = 60 N·m

องค์ประกอบที่ถาม

M_x = −260 N·m

คำตอบ

M_x = −260 N·m

7.อินทิกรัล

คำตอบ: I = 0.6363

การอินทิเกรตทีละส่วน: ∫u·dv = u·v − ∫v·du มาจากกฎผลคูณ เลือก u เป็นตัวประกอบที่ง่ายขึ้นเมื่อหาอนุพันธ์ (กำลังของ x หรือ ln x) และ dv เป็นตัวประกอบที่อินทิเกรตได้ (eˣ, sin x, cos x หรือ x เมื่อ u = ln x) สำหรับอินทิกรัลจำกัดเขต ให้คำนวณ u·v ที่ทั้งสองขอบเขต: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du ตัวประกอบ x² ต้องทำสองรอบ

เลือก u และ dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

ปฏิยานุพันธ์

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

ลิมิต

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0.25) = 0.6363

คำตอบ

I = 0.6363

8.อินทิกรัล

คำตอบ: I = 3.602

รอบแรก

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

รอบที่สอง

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ

∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

ลิมิต

4.482·(1.25) − 1·2 = 3.602

คำตอบ

I = 3.602

9.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: dz/dt = −6

เกรเดียนต์: ∇f = (f_x, f_y) ชี้ไปในทิศที่ชันที่สุดขึ้น และ |∇f| คืออัตราการเปลี่ยนแปลงที่มากที่สุด อนุพันธ์ตามทิศทาง v คือ D_uf = ∇f·u โดยเวกเตอร์หนึ่งหน่วย u = v/|v| ระนาบสัมผัสที่ (a, b) คือ z = f(a, b) + f_x(a, b)(x − a) + f_y(a, b)(y − b) ซึ่งให้การประมาณเชิงเส้นของ f ใกล้จุดนั้น กฎลูกโซ่: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt

จุดและอัตราการเปลี่ยนแปลง

x(−1) = 1, y(−1) = 0

dx/dt = −3, dy/dt = 4t = −4

อนุพันธ์ย่อย

f_x = 2x/(x² + 3y²) = 2

f_y = 6y/(x² + 3y²) = 0

กฎลูกโซ่

dz/dt = 2·(−3) + 0·(−4) = −6

คำตอบ

dz/dt = −6

10.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: I = 1.047

จุดวิกฤตและอินทิกรัลสองชั้น: จุดวิกฤตมี f_x = f_y = 0 การทดสอบอนุพันธ์อันดับสองด้วย D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0 และ f_xx > 0 คือค่าต่ำสุดสัมพัทธ์ D > 0 และ f_xx < 0 คือค่าสูงสุดสัมพัทธ์ D < 0 คือจุดอานม้า และ D = 0 ตัดสินไม่ได้ สำหรับอินทิกรัลสองชั้นบนบริเวณทั่วไป ให้ขอบเขตชั้นในเป็นเส้นโค้งที่ล้อมบริเวณ สำหรับวงกลมและเซกเตอร์ให้ใช้พิกัดเชิงขั้ว x = r cos θ, y = r sin θ และ dA = r dr dθ (อย่าลืมตัวประกอบ r)

รูปเชิงขั้ว

I = ∫₀^π ∫₀¹ r·r dr dθ

อินทิเกรต

∫ r·r dr = [r³/3]

I = 1.047

คำตอบ

I = 1.047

11.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: x = 0.2817

สัมประสิทธิ์

c_k/c_k+1 = (1 + 1/k)ᵏ → e

รัศมี

R = 2.718

ช่วง

0.2817 < x < 5.718

x = 0.2817

คำตอบ

x = 0.2817

การทดสอบอัตราส่วนไม่บอกอะไรที่จุดปลายทั้งสอง ต้องตรวจแยกต่างหาก

12.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: c₂ = −0.1111

พหุนามเทย์เลอร์: ใกล้ x = a ฟังก์ชันเรียบประมาณได้ด้วย Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; สำหรับ a = 0 นี่คือพหุนามแมคคลอริน อนุกรมมาตรฐาน: 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 ขอบเขตความคลาดเคลื่อนของลากรองจ์: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! โดย M คือค่าที่มากที่สุดของ |f⁽ⁿ⁺¹⁾| ระหว่าง a และ x

อนุพันธ์ f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0.2222·x^{1/3 − 2}

สัมประสิทธิ์

c₂ = −0.2222·1^{1/3 − 2}/2! = −0.1111

c₂ = −0.1111

คำตอบ

c₂ = −0.1111

13.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: f(0.3) = 1.074

การแปลงลาปลาซ: F(s) = ∫₀^∞ f(t)·e^−st dt เปลี่ยนอนุพันธ์เป็นการคูณด้วย s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0) คู่มาตรฐาน: 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) และการเลื่อน s → s + σ คูณฟังก์ชันเวลาด้วย e^−σt การแปลงผกผัน F(s) ที่เป็นเศษส่วนตรรกยะ ให้แยกเป็นเศษส่วนย่อย: ส่วนตกค้างของโพลเดี่ยว p คือ A = [(s − p)·F(s)] ที่ s = p ทฤษฎีบทค่าสุดท้าย: f(∞) = lim_s→0 s·F(s) ใช้ได้เฉพาะเมื่อโพลทั้งหมดของ s·F(s) อยู่ในระนาบครึ่งซ้าย ทฤษฎีบทค่าเริ่มต้น: f(0⁺) = lim_s→∞ s·F(s)

เศษส่วนย่อย

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)

A = 35/(1·3) = 11.67

B = 35/((−1)·2) = −17.5

C = 35/((−3)·(−2)) = 5.833

การแปลงผกผัน

f(t) = 11.67 − 17.5·e^−t + 5.833·e^−3t

คำนวณค่า

f(0.3) = 11.67 − 17.5·e^−0.3 + 5.833·e^−3·0.3 = 1.074

คำตอบ

f(0.3) = 1.074

14.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.1) = −8.88

แปลงสมการ

s²Y − (−10)s − 7 + 9(sY − (−10)) + 18Y = 0

Y(s) = (−10s − 83)/((s + 3)(s + 6))

เศษส่วนย่อย

A = −53/3 = −17.67

B = −23/(−3) = 7.667

ผลลัพธ์

y(t) = −17.67·e^−3t + 7.667·e^−6t

y(0.1) = −8.88

คำตอบ

y(0.1) = −8.88

ตรวจสอบ: y(0) = A + B = −10

15.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: t_end = 4 s

คอนโวลูชันต่อเนื่อง: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ กลับ h เลื่อนไปที่ตำแหน่ง t และอินทิเกรตผลคูณของส่วนที่ซ้อนทับ สำหรับสัญญาณเชิงเหตุผล อินทิกรัลไปจาก 0 ถึง t ผลที่มีประโยชน์: พื้นที่ของ y เท่ากับพื้นที่ของ x คูณพื้นที่ของ h ถ้า x ยาวจาก t₁ ถึง t₂ และ h จาก t₃ ถึง t₄ แล้ว y ยาวจาก t₁ + t₃ ถึง t₂ + t₄ สำหรับ h(t) = e^−atu(t) และขั้นสูง A, y(t) = (A/a)(1 − e^−at)

เริ่มต้นและสิ้นสุด

t_start = 0 + 1 = 1 s

t_end = 2 + 2 = 4 s

คำตอบ

t_end = 4 s

คำตอบ

t_end = 4 s

16.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: c₁ = 1.497

การตอบสนองต่ออิมพัลส์และอนุกรมฟูริเยร์: การตอบสนองต่ออิมพัลส์ h(t) อธิบายระบบ LTI อย่างสมบูรณ์: สำหรับ y′ + a·y = b·x คือ h(t) = b·e^−atu(t) และสำหรับ y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] คือ h[n] = b·aⁿu[n] ไซน์ cos ωt ผ่านด้วยอัตราขยาย |H(jω)| และเฟส ∠H(jω) โดย H คือการแปลงฟูริเยร์ของ h สัญญาณคาบคือผลรวมของฮาร์มอนิกที่ k/T: คลื่นสี่เหลี่ยม ±A มีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่ที่มีแอมพลิจูด 4A/(kπ) คลื่นสามเหลี่ยมที่มียอด A มี 8A/(π²k²) และขบวนพัลส์สูง A ที่มีวัฏจักรหน้าที่ D มีค่าเฉลี่ย A·D และฮาร์มอนิก (2A/(kπ))·|sin(kπD)|

วัฏจักรหน้าที่

D = 0.8/4 = 0.2

แอมพลิจูดของฮาร์มอนิก

c₁ = (2·4/(1π))·|sin(1π·0.2)| = 1.497

คำตอบ

c₁ = 1.497

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