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

น้ำอัดลมหนึ่งกระป๋องอุณหภูมิ 5 °C ถูกนำออกจากตู้เย็นมาไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 27 °C หลังผ่านไป 16 min อุณหภูมิเท่ากับ 17 °C เป็นไปตามกฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) จงหาค่าคงที่ k ในหน่วย min⁻¹

T₀ = 5 °CT_a = 27 °CT(16) = 17 °C

k = min⁻¹

2.สมการเชิงอนุพันธ์ยาก

จงแก้ปัญหาค่าเริ่มต้น y′ + 2y/x = 2 สำหรับ x > 0 โดย y(1) = 4 จงหา y(3)

y′ + 2y/x = 2y(1) = 4

y(3) =

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ปานกลาง

ให้ C = AB สำหรับเมทริกซ์ที่แสดง หาสมาชิก c₁₁ (แถว 1 หลัก 1)

A = [−3 −2; −1 −4]B = [−1 −3; −3 5]

c₁₁ =

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ยาก

หาค่าเฉพาะที่มากกว่า λ ของเมทริกซ์ A ที่แสดง

A = [0 −3; −3 0]

λ =

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ปานกลาง

จงหาค่าของ k ที่ทำให้เวกเตอร์ a = (2, −1, 2) และ b = (−4, 2, k) ตั้งฉากกัน

a = (2, −1, 2)b = (−4, 2, k)

k =

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ยาก

จงหาพื้นที่ A ของสามเหลี่ยมที่มีจุดยอด A(3, −1, −2), B(4, −2, −4) และ C(0, 3, 2) พิกัดมีหน่วยเป็นเมตร

A(3, −1, −2)B(4, −2, −4)C(0, 3, 2)

A = m²

7.อินทิกรัลปานกลาง

คำนวณ I = ∫₀¹ 2x·(x² + 1)¹ dx

f(x) = 2x·(x² + 1)¹[0, 1]

I =

8.อินทิกรัลยาก

หาพื้นที่ A ของบริเวณที่ล้อมรอบด้วย y = 0.5x² และ y = x

y = 0.5x²y = x

A =

9.แคลคูลัสหลายตัวแปรปานกลาง

สำหรับ f(x, y) = ln(x² + 4y²) จงหาอนุพันธ์ตามทิศทาง D_uf ที่ (0.5, −1) ในทิศทางของ v = (2, −3)

f(x, y) = ln(x² + 4y²)P = (0.5, −1)v = (2, −3)

D_uf =

10.แคลคูลัสหลายตัวแปรยาก

ใช้พิกัดเชิงขั้วเพื่อคำนวณ I = ∬_R √(x² + y²) dA เมื่อ R คือ ครึ่งบนของจานวงกลม x² + y² ≤ 9 (y ≥ 0)

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ π

I =

11.ลำดับและอนุกรมปานกลาง

มีเพียงหนึ่งในสี่อนุกรมเท่านั้นที่ลู่ออก ให้คลิกอนุกรมนั้น

A: Σ 5ᵏ/k!B: Σ (5/3)ᵏC: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ (1/3)ᵏ

1A: Σ 5ᵏ/k!
2B: Σ (5/3)ᵏ
3C: Σ (−1)ᵏ/k
4D: Σ (1/3)ᵏ

12.ลำดับและอนุกรมยาก

ใช้พหุนามแมคคลอรินดีกรี 2 ของ f(x) = cos(0.5x) เพื่อประมาณ f(2) ให้ P₂(2)

f(x) = cos(0.5x)n = 2x = 2

P₂(2) =

13.การแปลงลาปลาซปานกลาง

F(s) = (s + 26)/(s² + 7s + 10) การแปลงผกผันของมันมีรูป f(t) = A·e^−2t + B·e^−5t จงหาสัมประสิทธิ์ A ด้วยเศษส่วนย่อย

F(s) = (s + 26)/(s² + 7s + 10)

A =

14.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 6y′ + 8y = 20·u(t) เริ่มจากหยุดนิ่ง (y(0) = 0, y′(0) = 0) และอินพุตเป็นฟังก์ชันขั้น u(t) = 5 สำหรับ t ≥ 0 จงใช้การแปลงลาปลาซหาเอาต์พุต y(0.4)

y″ + 6y′ + 8y = 20·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.4 s

y(0.4) =

15.คอนโวลูชันและระบบ LTIปานกลาง

อินพุต x(t) = 5·e^−6tu(t) ถูกป้อนเข้าระบบที่มี h(t) = e^−0.5tu(t) จงหาเอาต์พุต y(2) ที่ t = 2 s

x(t) = 5·e^−6tu(t)h(t) = e^−0.5tu(t)t = 2 s

y(2) =

16.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

ระบบเป็นไปตาม y[n] = 0.5·y[n − 1] + 0.5·x[n] และเริ่มที่สภาวะพัก จงหาตัวอย่างการตอบสนองต่ออิมพัลส์ h[2]

y[n] = 0.5y[n − 1] + 0.5x[n]x[n] = δ[n]

h[2] =

3สารละลาย

1.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: k = 0.04928 min⁻¹

สมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่ง: dy/dt = k·y มีคำตอบ y = y₀·e^kt (เติบโตเมื่อ k > 0 สลายตัวเมื่อ k < 0) ครึ่งชีวิต T ให้ k = ln 2/T กฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) ให้ T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt สมการเชิงเส้น y′ + p(x)·y = q(x) แก้ด้วยตัวคูณอินทิเกรต μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq ดังนั้น μy = ∫μq dx + C

อัตราส่วนของผลต่างอุณหภูมิ

e^−16k = -10/-22

แก้หา k

k = ln(-22/-10)/16 = 0.04928 min⁻¹

คำตอบ

k = 0.04928 min⁻¹

2.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(3) = 2.37

ตัวประกอบอินทิเกรต

μ = e^{∫2/x dx} = x²

อินทิเกรต

(x²y)′ = 2x² → x²y = 2x³/3 + C

เงื่อนไขเริ่มต้น

4 = 2/3 + C → C = 3.333

คำนวณค่า

y(3) = (2·3³/3 + 3.333)/3² = 2.37

คำตอบ

y(3) = 2.37

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: c₁₁ = 9

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

แถวคูณหลัก

c₁₁ = (−3)·(−1) + (−2)·(−3) = 9

คำตอบ

c₁₁ = 9

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: λ = 3

สมการลักษณะเฉพาะ

λ² − (0)λ + (−9) = 0

แก้สมการ

λ = (0 ± √(36))/2 → λ = −3, 3

λ = 3

คำตอบ

λ = 3

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: k = 5

ผลคูณจุด: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a|·|b|·cos θ เป็นสเกลาร์ มันให้มุมระหว่างเวกเตอร์สองตัว cos θ = a·b/(|a|·|b|) และเป็นศูนย์เมื่อตั้งฉากกัน โพรเจกชันสเกลาร์ของ a บน b คือ a·b/|b| และแรงคงที่ F ที่เคลื่อนผ่านการกระจัด d ทำงาน W = F·d

ผลคูณจุดเท่ากับศูนย์

a·b = 2·(−4) + (−1)·2 + 2·k = 0

−10 + 2·k = 0

แก้หา k

k = −(−10)/2 = 5

คำตอบ

k = 5

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: A = 2.291 m²

ผลคูณไขว้: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) ตั้งฉากกับเวกเตอร์ทั้งสอง และ |a × b| = |a|·|b|·sin θ คือพื้นที่ของสี่เหลี่ยมด้านขนานที่เวกเตอร์ทั้งสองขึง (สามเหลี่ยมมีครึ่งหนึ่งของมัน) ลำดับมีผล: b × a = −(a × b) โมเมนต์ของแรง F ที่กระทำที่จุด A รอบจุด O คือ M_O = r × F โดย r = A − O

เวกเตอร์ขอบ

AB = B − A = (1, −1, −2)

AC = C − A = (−3, 4, 4)

ผลคูณไขว้

(AB × AC)_x = AB_yAC_z − AB_zAC_y = (−1)·4 − (−2)·4 = 4

(AB × AC)_y = AB_zAC_x − AB_xAC_z = (−2)·(−3) − 1·4 = 2

(AB × AC)_z = AB_xAC_y − AB_yAC_x = 1·4 − (−1)·(−3) = 1

|AB × AC| = √(4² + 2² + 1²) = 4.583

พื้นที่ของสามเหลี่ยม

A = ½·4.583 = 2.291 m²

คำตอบ

A = 2.291 m²

7.อินทิกรัล

คำตอบ: I = 1.5

อินทิกรัลจำกัดเขต: ∫ₐᵇ f(x) dx คือพื้นที่แบบมีเครื่องหมายระหว่างกราฟกับแกน x จาก a ถึง b หาปฏิยานุพันธ์ F (โดย F′ = f) แล้วคำนวณ F(b) − F(a) กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) พื้นที่ระหว่างเส้นโค้งสองเส้นคือ ∫(บน − ล่าง) dx

การแทนค่า

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁² u¹ du

อินทิเกรตและคำนวณค่า

I = [u²/2]₁² = (4 − 1)/2 = 1.5

คำตอบ

I = 1.5

8.อินทิกรัล

คำตอบ: A = 0.6667

จุดตัด

0.5x² = x → x = 0, x = 2

อินทิเกรตบนลบล่าง

A = [0.5x² − 0.1667x³]₀² = 0.6667

คำตอบ

A = 0.6667

9.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: D_uf = 1.697

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

เกรเดียนต์ที่จุดนั้น

f_x = 2x/(x² + 4y²) → f_x(0.5, −1) = 0.2353

f_y = 8y/(x² + 4y²) → f_y(0.5, −1) = −1.882

เวกเตอร์หนึ่งหน่วย

|v| = √(2² + (−3)²) = 3.606

u = (0.5547, −0.8321)

ผลคูณจุด

D_uf = 0.2353·0.5547 + (−1.882)·(−0.8321) = 1.697

คำตอบ

D_uf = 1.697

10.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: I = 28.27

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 ∫₀³ r·r dr dθ

อินทิเกรต

∫ r·r dr = [r³/3]

I = 28.27

คำตอบ

I = 28.27

11.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: B: Σ (5/3)ᵏ

ทดสอบแต่ละอนุกรม

A: Σ 5ᵏ/k! → การทดสอบอัตราส่วน: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1 ลู่เข้า

B: Σ (5/3)ᵏ → อนุกรมเรขาคณิตที่ r = 5/3 > 1: พจน์เพิ่มขึ้น ดังนั้นลู่ออก

C: Σ (−1)ᵏ/k → อนุกรมสลับ โดย 1/k ลดลงสู่ 0: ลู่เข้า (แบบมีเงื่อนไข)

D: Σ (1/3)ᵏ → อนุกรมเรขาคณิตที่ r = 1/3, |r| < 1: ลู่เข้า

คำตอบ

B: Σ (5/3)ᵏ

คำตอบ

B: Σ (5/3)ᵏ

12.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: P₂(2) = 0.5

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

พหุนามแมคคลอริน

P₂(x) = 1 − 0.125x²

แทนค่า

P₂(2) = 1 − 0.5 = 0.5

คำตอบ

P₂(2) = 0.5

ค่าที่แท้จริงคือ f(2) = 0.540302; ความคลาดเคลื่อน 0.0403023 ลดลงเมื่อใช้พจน์มากขึ้นหรือจุดที่ใกล้ 0 มากขึ้น

13.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: A = 8

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)

แยกตัวประกอบส่วน

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)

F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)

กฎปิดบัง

คูณด้วย (s + 2) และตั้ง s = −2: พจน์ B หายไป

A = (s + 26)/(s + 5) |_{s = −2} = 24/3 = 8

คำตอบ

A = 8

(B = −7 ดังนั้น f(t) = 8·e^−2t − 7·e^−5t)

14.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.4) = 3.79

แปลงสมการ

Y(s) = 100/(s(s + 2)(s + 4))

เศษส่วนย่อย

A = 100/(2·4) = 12.5

B = 100/((−2)·2) = −25

C = 100/((−4)·(−2)) = 12.5

สารน้ำออก

y(t) = 12.5 − 25·e^−2t + 12.5·e^−4t

y(0.4) = 3.79

คำตอบ

y(0.4) = 3.79

15.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y(2) = 0.3344

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)

อินทิกรัลคอนโวลูชัน

y(t) = 5e^−0.5t∫₀ᵗ e^{−(6 − 0.5)τ} dτ = 5(e^−0.5t − e^−6t)/(5.5)

คำนวณค่า

y(2) = 5·(0.3679 − 6.144 × 10⁻⁶)/(5.5) = 0.3344

คำตอบ

y(2) = 0.3344

16.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: h[2] = 0.125

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)|

วนซ้ำ

h[0] = 0.5

h[1] = 0.25

h[2] = 0.125

ผลลัพธ์

h[2] = 0.5·(0.5)² = 0.125

คำตอบ

h[2] = 0.125

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