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

กาแฟหนึ่งถ้วยอุณหภูมิ 82 °C วางไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 21 °C หลังผ่านไป 26 min อุณหภูมิเท่ากับ 31 °C เป็นไปตามกฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) จงหาค่าคงที่ k ในหน่วย min⁻¹

T₀ = 82 °CT_a = 21 °CT(26) = 31 °C

k = min⁻¹

2.สมการเชิงอนุพันธ์ยาก

ถังบรรจุน้ำ 100 L ซึ่งมีเกลือละลายอยู่ 20 kg น้ำเกลือที่มีเกลือ 0.05 kg ต่อลิตรไหลเข้าด้วยอัตรา 20 L/min และสารละลายที่ผสมเข้ากันดีไหลออกด้วยอัตราเท่ากัน ต้องใช้เวลากี่นาที t ในถังจึงมีเกลือ 10 kg

V = 100 Lm₀ = 20 kgc = 0.05 kg/Lr = 20 L/min

t = min

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ปานกลาง

หาดีเทอร์มินันต์ det A ของเมทริกซ์ 3×3 A ที่แสดง

A = [0 4 2; −3 1 −3; −1 4 −5]

det A =

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ยาก

หาค่าเฉพาะที่มากกว่า λ ของเมทริกซ์ A ที่แสดง

A = [−3 −4; −2 4]

λ =

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ปานกลาง

แรงคงที่ F = (20, 20, −5) N กระทำต่อวัตถุขณะที่มันเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจากจุด A(1, 5, 4) ไปยังจุด B(4, −3, −4) พิกัดมีหน่วยเป็นเมตร จงหางาน W ที่แรงทำ

F = (20, 20, −5) NA(1, 5, 4) mB(4, −3, −4) m

W = J

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ยาก

เวกเตอร์หนึ่งหน่วย n̂ ตั้งฉากกับทั้ง a = (−2, 3, 5) และ b = (2, 2, −2) และมีองค์ประกอบ z เป็นบวก จงหาองค์ประกอบ x ซึ่งคือ n̂_x ของมัน

a = (−2, 3, 5)b = (2, 2, −2)n̂_z > 0

n̂_x =

7.อินทิกรัลปานกลาง

คำนวณ I = ∫₀¹ 2x·(x² + 1)³ dx

f(x) = 2x·(x² + 1)³[0, 1]

I =

8.อินทิกรัลยาก

หาพื้นที่ A ของบริเวณระหว่างพาราโบลา y = 4 − x² กับแกน x

y = 4 − x²

A =

9.แคลคูลัสหลายตัวแปรปานกลาง

ใช้ระนาบสัมผัสของ f(x, y) = 3x³y − x³ − 2y² ที่ (−1, −1) เพื่อประมาณ f(−1.2, −0.9) ให้การประมาณเชิงเส้น L

f(x, y) = 3x³y − x³ − 2y²(a, b) = (−1, −1)(x, y) = (−1.2, −0.9)

L =

10.แคลคูลัสหลายตัวแปรยาก

ใช้พิกัดเชิงขั้วเพื่อคำนวณ I = ∬_R y dA เมื่อ R คือ ครึ่งบนของจานวงกลม x² + y² ≤ 2.25 (y ≥ 0)

f = y0 ≤ r ≤ 1.50 ≤ θ ≤ π

I =

11.ลำดับและอนุกรมปานกลาง

จงหาผลบวก S = Σ_k=1^∞ 2/(k(k + 1))

a_k = 2/(k(k + 1))

S =

12.ลำดับและอนุกรมยาก

จงจำอนุกรมและหาผลบวก: S = Σ_k=0^∞ (−1)ᵏ·2^2k/(2k)!

a_k = (−1)ᵏ·2^2k/(2k)!

S =

13.การแปลงลาปลาซปานกลาง

F(s) = (s + 4)/(s² + 9s + 14) การแปลงผกผันของมันมีรูป f(t) = A·e^−2t + B·e^−7t จงหาสัมประสิทธิ์ A ด้วยเศษส่วนย่อย

F(s) = (s + 4)/(s² + 9s + 14)

A =

14.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 7y′ + 10y = 40·u(t) โดย y(0) = 4 และ y′(0) = 0 ที่ t = 0 มีอินพุตฟังก์ชันขั้น u(t) = 1 ป้อนเข้า จงใช้การแปลงลาปลาซหา y(0.2)

y″ + 7y′ + 10y = 40·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.2 s

y(0.2) =

15.คอนโวลูชันและระบบ LTIปานกลาง

อินพุต x(t) = 1·e^−6tu(t) ถูกป้อนเข้าระบบที่มี h(t) = e^−2tu(t) จงหาเอาต์พุต y(0.25) ที่ t = 0.25 s

x(t) = 1·e^−6tu(t)h(t) = e^−2tu(t)t = 0.25 s

y(0.25) =

16.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

ระบบเป็นไปตาม y[n] = 0.9·y[n − 1] + 2·x[n] และเริ่มที่สภาวะพัก อินพุตเป็นขั้นหนึ่งหน่วย x[n] = u[n] จงหา y[5]

y[n] = 0.9y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]

y[5] =

3สารละลาย

1.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: k = 0.06955 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^−26k = 10/61

แก้หา k

k = ln(61/10)/26 = 0.06955 min⁻¹

คำตอบ

k = 0.06955 min⁻¹

2.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: t = 5.493 min

ผลลัพธ์

m(t) = 5 + 15·e^−t/5

แก้หา t

e^−t/5 = (5 − 10)/(5 − 20) = 0.3333

t = 5·ln(3) = 5.493 min

คำตอบ

t = 5.493 min

3.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: det A = −70

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 = 7, M₁₂ = 12, M₁₃ = −11

การกระจายโคแฟกเตอร์

det A = 0·7 − 4·12 + 2·(−11) = −70

คำตอบ

det A = −70

4.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: λ = 5

สมการลักษณะเฉพาะ

λ² − (1)λ + (−20) = 0

แก้สมการ

λ = (1 ± √(81))/2 → λ = −4, 5

λ = 5

คำตอบ

λ = 5

5.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: W = −60 J

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

การกระจัด

d = B − A = (4, −3, −4) − (1, 5, 4) = (3, −8, −8) m

งาน

W = F·d = 20·3 + 20·(−8) + (−5)·(−8) = −60 J

คำตอบ

W = −60 J

งานเป็นลบ: แรงส่วนใหญ่กระทำสวนทางกับการเคลื่อนที่

6.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: n̂_x = 0.8081

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

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 3·(−2) − 5·2 = −16

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = 5·2 − (−2)·(−2) = 6

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−2)·2 − 3·2 = −10

ทำให้เป็นหนึ่งหน่วย

องค์ประกอบ z ของ a × b เป็นลบ จึงใช้ −(a × b)

|a × b| = √((−16)² + 6² + (−10)²) = 19.8

n̂ = −(−16, 6, −10)/19.8 = (0.8081, −0.303, 0.5051)

n̂_x = 0.8081

คำตอบ

n̂_x = 0.8081

7.อินทิกรัล

คำตอบ: I = 3.75

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 u³ du

อินทิเกรตและคำนวณค่า

I = [u⁴/4]₁² = (16 − 1)/4 = 3.75

คำตอบ

I = 3.75

8.อินทิกรัล

คำตอบ: A = 10.67

ค่าศูนย์

4 − x² = 0 → x = ±2

อินทิเกรต

A = [4x − x³/3]₋₂² = 5.333 − (−5.333) = 10.67

คำตอบ

A = 10.67

9.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: L = 4.5

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(−1, −1) = 2

f_x = 9x²y − 3x² → f_x(−1, −1) = −12

f_y = 3x³ − 4y → f_y(−1, −1) = 1

ระนาบสัมผัส

z = 2 − 12(x + 1) + 1(y + 1)

z = −12x + y − 9

การประมาณเชิงเส้น

L = 2 + (−12)·(−0.2) + 1·0.1 = 4.5

คำตอบ

L = 4.5

ค่าที่แท้จริงคือ f = 4.7736; ระนาบใกล้เคียงเพราะขั้นมีขนาดเล็ก

10.แคลคูลัสหลายตัวแปร

คำตอบ: I = 2.25

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 ∫₀^1.5 r sin θ·r dr dθ

อินทิเกรต

∫ r²dr·∫ sin θ dθ

I = 2.25

คำตอบ

I = 2.25

11.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: S = 2

เศษส่วนย่อย

2/(k(k + 1)) = 2·(1/k − 1/(k + 1))

ยกเลิก

S = 2·1 = 2

คำตอบ

S = 2

12.ลำดับและอนุกรม

คำตอบ: S = −0.4161

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

อนุกรมมาตรฐาน

Σ (−1)ᵏx^2k/(2k)! = cos x

แทนค่า

x = 2

S = cos 2 = −0.4161

คำตอบ

S = −0.4161

13.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: A = 0.4

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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)

F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

กฎปิดบัง

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

A = (s + 4)/(s + 7) |_{s = −2} = 2/5 = 0.4

คำตอบ

A = 0.4

(B = 0.6 ดังนั้น f(t) = 0.4·e^−2t + 0.6·e^−7t)

14.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.2) = 4

แปลงสมการ

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 4s + 28 + 40/s

Y(s) = (4s² + 28s + 40)/(s(s + 2)(s + 5))

เศษส่วนย่อย

A = 40/(2·5) = 4

B = 0/((−2)·3) = 0

C = 0/((−5)·(−3)) = 0

ผลลัพธ์

y(t) = 4

y(0.2) = 4

คำตอบ

y(0.2) = 4

ตรวจสอบ: y(0) = A + B + C = 4

15.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y(0.25) = 0.09585

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) = 1e^−2t∫₀ᵗ e^{−(6 − 2)τ} dτ = 1(e^−2t − e^−6t)/(4)

คำนวณค่า

y(0.25) = 1·(0.6065 − 0.2231)/(4) = 0.09585

คำตอบ

y(0.25) = 0.09585

16.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y[5] = 9.371

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

y[0] = 2

y[1] = 3.8

y[2] = 5.42

y[3] = 6.878

y[4] = 8.19

y[5] = 9.371

ผลลัพธ์

y[5] = 2·(1 − (0.9)⁶)/(1 − 0.9) = 9.371

คำตอบ

y[5] = 9.371

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