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″ + 6y′ + 5y = 0 โดย y(0) = 2 และ y′(0) = 6 จงหา y(2)

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 2y′(0) = 6

y(2) =

2.สมการเชิงอนุพันธ์ยาก

จงแก้ y″ + 2y′ + 17y = 0 โดย y(0) = 5 และ y′(0) = 0 (ปล่อยจากหยุดนิ่ง) จงหา y(0.75) มุมเป็นเรเดียน

y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 5y′(0) = 0

y(0.75) =

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ปานกลาง

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

A = [2 −1; −5 −6]B = [−1 5; 6 0]

c₁₁ =

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ยาก

แก้ระบบสมการ −2x + 6y = 0 และ −6x − 6y = 2 หา x

−2x + 6y = 0−6x − 6y = 2

x =

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ปานกลาง

จงหาค่าของ k ที่ทำให้เวกเตอร์ a = (1, 5, −3) และ b = (k, −2, −6) ตั้งฉากกัน

a = (1, 5, −3)b = (k, −2, −6)

k =

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ยาก

จงหาปริมาตร V ของทรงหกหน้าขนานที่มีขอบจากมุมหนึ่งเป็น a = (−2, −1, 3), b = (−3, 0, 1) และ c = (2, 1, −5)

a = (−2, −1, 3)b = (−3, 0, 1)c = (2, 1, −5)

V =

7.อินทิกรัลปานกลาง

คำนวณ I = ∫₀¹ 2x·(x² + 1)¹ dx

f(x) = 2x·(x² + 1)¹[0, 1]

I =

8.อินทิกรัลยาก

จงหาค่าของ I = ∫₀^0.5 x²·eˣ dx

∫₀^0.5 x²eˣ dx

I =

9.แคลคูลัสหลายตัวแปรปานกลาง

ระนาบสัมผัสของ z = xe^0.5y ที่จุดซึ่ง (x, y) = (2, −1) เขียนได้เป็น z = px + qy + c จงหา c

f(x, y) = xe^0.5y(a, b) = (2, −1)

c =

10.แคลคูลัสหลายตัวแปรยาก

จุดที่ทำเครื่องหมายคือจุดวิกฤตของ f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy ให้คลิกจุดอานม้า

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy

1A (0, 0)
2B (−2, −2)
3C (2, 2)

11.ลำดับและอนุกรมปานกลาง

อนุกรมกำลัง Σ_k=1^∞ (x + 1)ᵏ/(k·4ᵏ) ลู่เข้าบนช่วงรอบ x₀ = −1 จงหาปลายด้านซ้าย x ของช่วงนั้น

Σ (x + 1)ᵏ/(k·4ᵏ)x₀ = −1

x =

12.ลำดับและอนุกรมยาก

ใช้พหุนามแมคคลอรินดีกรี 5 ของ f(x) = sin(−x) เพื่อประมาณ f(2) ให้ P₅(2)

f(x) = sin(−x)n = 5x = 2

P₅(2) =

13.การแปลงลาปลาซปานกลาง

F(s) = (3s + 3)/(s² + 14s + 48) การแปลงผกผันของมันมีรูป f(t) = A·e^−6t + B·e^−8t จงหาสัมประสิทธิ์ A ด้วยเศษส่วนย่อย

F(s) = (3s + 3)/(s² + 14s + 48)

A =

14.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบอธิบายด้วยสมการเชิงอนุพันธ์ y″ + 4y′ + 3y = u′ + 11u โดยมีอินพุต u(t) และเอาต์พุต y(t) จงหาฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = Y(s)/U(s) (เงื่อนไขเริ่มต้นเป็นศูนย์) และหาผลตอบสนองอิมพัลส์ g(t) ที่ t = 1.2 s จงหา g(1.2)

y″ + 4y′ + 3y = u′ + 11ut = 1.2 s

g(1.2) =

15.คอนโวลูชันและระบบ LTIปานกลาง

ระบบมีการตอบสนองต่ออิมพัลส์ h(t) = e^−4tu(t) อินพุตเป็นขั้น x(t) = 5·u(t) จงหาเอาต์พุต y(0.25) ที่ t = 0.25 s

h(t) = e^−4tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 0.25 s

y(0.25) =

16.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

ระบบเป็นไปตาม y′(t) + 10·y(t) = 2·x(t) จงหาการตอบสนองต่ออิมพัลส์ที่ t = 0.2 s, h(0.2)

y′ + 10y = 2xt = 0.2 s

h(0.2) =

3สารละลาย

1.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(2) = 0.5413

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

รากลักษณะเฉพาะ

(r + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5

ค่าคงที่จากค่าเริ่มต้น

A + B = 2, −1A − 5B = 6

A = 4, B = −2

คำนวณค่า

y(2) = 4·e⁻² + (−2)·e⁻¹⁰ = 0.5413

คำตอบ

y(2) = 0.5413

2.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(0.75) = −2.255

รากเชิงซ้อน

r = −1 ± 4j

ค่าคงที่

A = 5, B = 1·5/4 = 1.25

คำนวณค่า

y(0.75) = e^−0.75(5·cos 3 + 1.25·sin 3) = −2.255

คำตอบ

y(0.75) = −2.255

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: c₁₁ = −8

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 = 2·(−1) + (−1)·6 = −8

คำตอบ

c₁₁ = −8

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: x = −0.25

ดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์สัมประสิทธิ์

det A = (−2)·(−6) − 6·(−6) = 48

แทนหลัก x

det Aₓ = 0·(−6) − 6·2 = −12

x = −12/48 = −0.25

คำตอบ

x = −0.25

y = −0.08333

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: k = −8

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 = 1·k + 5·(−2) + (−3)·(−6) = 0

8 + 1·k = 0

แก้หา k

k = −8/1 = −8

คำตอบ

k = −8

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: V = 6

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

ผลคูณไขว้ b × c

(b × c)_x = b_yc_z − b_zc_y = 0·(−5) − 1·1 = −1

(b × c)_y = b_zc_x − b_xc_z = 1·2 − (−3)·(−5) = −13

(b × c)_z = b_xc_y − b_yc_x = (−3)·1 − 0·2 = −3

ผลคูณจุดกับ a

a·(b × c) = (−2)·(−1) + (−1)·(−13) + 3·(−3) = 6

V = |6| = 6

คำตอบ

V = 6

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: I = 0.0609

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

รอบแรก

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

รอบที่สอง

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ

∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

ลิมิต

1.649·(1.25) − 1·2 = 0.0609

คำตอบ

I = 0.0609

9.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: c = 0.6065

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

ค่าและความชันที่จุดนั้น

f(2, −1) = 1.213

f_x = 1·e^0.5y → f_x(2, −1) = 0.6065

f_y = 0.5xe^0.5y → f_y(2, −1) = 0.6065

ระนาบสัมผัส

z = 1.213 + 0.6065(x − 2) + 0.6065(y + 1)

z = 0.6065x + 0.6065y + 0.6065

พจน์คงที่

c = 0.6065

คำตอบ

c = 0.6065

10.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: A (0, 0)

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)

จุดวิกฤต

แก้ f_x = 0 และ f_y = 0 พร้อมกัน

f_x = 4x³ − 16y = 0

f_y = 4y³ − 16x = 0

(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

การทดสอบอนุพันธ์อันดับสอง

(0, 0): f_xx = 0, f_yy = 0, f_xy = −16, D = −256 → จุดอานม้า

(2, 2): f_xx = 48, f_yy = 48, f_xy = −16, D = 2048 → ค่าต่ำสุดสัมพัทธ์

(−2, −2): f_xx = 48, f_yy = 48, f_xy = −16, D = 2048 → ค่าต่ำสุดสัมพัทธ์

จุด

A (0, 0): จุดอานม้า

คำตอบ

A (0, 0)

11.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: x = −5

สัมประสิทธิ์

c_k/c_k+1 = 4·((k + 1)/k) → 4

รัศมี

R = 4

ช่วง

−5 < x < 3

x = −5

คำตอบ

x = −5

การทดสอบอัตราส่วนไม่บอกอะไรที่จุดปลายทั้งสอง ต้องตรวจแยกต่างหาก

12.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: P₅(2) = −0.9333

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

P₅(x) = −x + 0.1667x³ − 0.008333x⁵

แทนค่า

P₅(2) = −2 + 1.333333 − 0.266667 = −0.9333

คำตอบ

P₅(2) = −0.9333

ค่าที่แท้จริงคือ f(2) = −0.909297; ความคลาดเคลื่อน 0.0240359 ลดลงเมื่อใช้พจน์มากขึ้นหรือจุดที่ใกล้ 0 มากขึ้น

13.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: A = −7.5

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 + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)

F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)

กฎปิดบัง

คูณด้วย (s + 6) และตั้ง s = −6: พจน์ B หายไป

A = (3s + 3)/(s + 8) |_{s = −6} = −15/2 = −7.5

คำตอบ

A = −7.5

(B = 10.5 ดังนั้น f(t) = −7.5·e^−6t + 10.5·e^−8t)

14.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: g(1.2) = 1.397

ฟังก์ชันถ่ายโอน

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 11)/(s² + 4s + 3)

เศษส่วนย่อย

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)

A = 5, B = −4

ผลตอบสนองอิมพัลส์

g(t) = 5·e^−t − 4·e^−3t

g(1.2) = 1.397

คำตอบ

g(1.2) = 1.397

15.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y(0.25) = 0.7902

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)

คอนโวลูชันกับขั้น

y(t) = 5·∫₀ᵗ e^−4τ dτ = (5/4)·(1 − e^−4t)

คำนวณค่า

y(0.25) = 1.25·(1 − e⁻¹) = 0.7902

คำตอบ

y(0.25) = 0.7902

16.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: h(0.2) = 0.2707

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)|

ฟังก์ชันถ่ายโอน

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 10)

ผลตอบสนองอิมพัลส์

h(t) = 2·e^−10tu(t)

h(0.2) = 2·e⁻² = 0.2707

คำตอบ

h(0.2) = 0.2707

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