Toán kỹ thuật 2: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 16 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phương trình vi phân

Tăng trưởng/suy giảm theo hàm mũ
dy/dt = ky → y = y0ekt
Chu kỳ bán rã
k = ln 2 / t½
Định luật làm nguội Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Thừa số tích phân
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Bể trộn
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Ma trận và định thức

định thức 2×2
det = ad − bc
Ma trận nghịch đảo 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Sản phẩm
(AB)ij = Σk AikBkj
Giá trị riêng
det(A − λI) = 0
Quy tắc Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Độ lớn
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vectơ đơn vị
û = a/|a|
Các thành phần từ một góc
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Tích vô hướng
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Hình chiếu vô hướng của a lên b
a·b/|b|
Công
W = F·d
Tích có hướng
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Diện tích
hình bình hành |a × b|, tam giác ½|a × b|
Mô-men đối với O
MO = r × F, r = A − O
Thể tích hình hộp
V = |a·(b × c)|

Phương pháp

  1. Viết mọi vectơ theo các thành phần; với lực cho bằng độ lớn và một góc, dùng F·cos θ và F·sin θ.
  2. Với độ dài và hướng, dùng độ lớn √(x² + y² + z²) và vectơ đơn vị a/|a|.
  3. Dùng tích vô hướng cho góc, hình chiếu, tính vuông góc và công: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Dùng tích có hướng cho các vectơ vuông góc, diện tích và mô-men: viết cẩn thận ba thành phần, giữ đúng thứ tự a × b.

Tích phân

Quy tắc lũy thừa
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Tích phân xác định
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Các tích phân thường gặp
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Diện tích giữa các đường cong
∫ab (f − g) dx

Phương pháp

  1. Viết lại hàm dưới dấu tích phân thành tổng các số hạng đơn giản nếu có thể.
  2. Áp dụng quy tắc lũy thừa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), và các tích phân chuẩn cho ex, 1/x, sin và cos.
  3. Dùng phép đổi biến khi bạn thấy một hàm và đạo hàm của nó đi cùng nhau.
  4. Với tích phân xác định, tính F(b) − F(a).

Giải tích nhiều biến

Các đạo hàm riêng
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Đạo hàm theo hướng
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Mặt phẳng tiếp xúc
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Quy tắc dây chuyền
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Phép thử đạo hàm cấp hai
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Tích phân kép
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Tọa độ cực
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Phương pháp

  1. Với đạo hàm riêng, hãy coi biến còn lại là hằng số và dùng các quy tắc một biến.
  2. Với các câu hỏi về gradient hãy tính ∇f = (fx, fy) tại điểm đó; dùng |∇f| cho độ dốc lớn nhất và ∇f·u với vectơ đơn vị u cho đạo hàm theo hướng.
  3. Với cực trị hãy giải đồng thời fx = 0 và fy = 0, rồi phân loại mọi điểm bằng D = fxx·fyy − fxy².
  4. Với tích phân kép hãy phác miền, chọn thứ tự (hoặc tọa độ cực cho hình tròn) để các cận trong là các đường cong giới hạn, và lấy tích phân trong trước.

Dãy số & chuỗi

Cấp số cộng
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Cấp số nhân
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Chuỗi nhân vô hạn
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Chuỗi p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Tiêu chuẩn tỉ số
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Bán kính hội tụ
R = lim |ck/ck+1|
Đa thức Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Chuỗi Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Chặn sai số Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Phương pháp

  1. Hãy nhận ra loại: cấp số cộng (hiệu không đổi), cấp số nhân (tỉ số không đổi), một chuỗi chuẩn, một chuỗi lũy thừa hay một đa thức Taylor.
  2. Với tổng hãy dùng Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), hoặc S = a₁/(1 − r) khi |r| < 1, với a₁ là số hạng đầu của tổng.
  3. Với sự hội tụ: trước hết là tiêu chuẩn số hạng thứ n, rồi so sánh với Σ1/kᵖ hoặc một chuỗi nhân, và dùng tiêu chuẩn tỉ số hoặc căn cho giai thừa và lũy thừa bậc k.
  4. Với đa thức Taylor hãy liệt kê f(a), f′(a), f″(a), …, chia đạo hàm bậc k cho k!, và chặn sai số bằng M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Tích chập và hệ LTI

Tích chập rời rạc
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tích chập liên tục
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Độ dài và tổng
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Bắt đầu, kết thúc và diện tích
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Bước nhảy vào e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Hệ bậc một
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Đệ quy bậc một
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Hàm sin qua h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Biên độ chuỗi Fourier
vuông ±A: 4A/(kπ), k lẻ; tam giác ±A: 8A/(π²k²), k lẻ; chuỗi xung: A·D và (2A/(kπ))|sin kπD|

Phương pháp

  1. Vẽ phác cả hai tín hiệu và ghi chú nơi mỗi tín hiệu khác không.
  2. Lật h và trượt nó: với mỗi thời điểm đầu ra, tìm khoảng mà cả hai tín hiệu chồng lên nhau.
  3. Nhân và cộng (rời rạc) hoặc nhân và lấy tích phân (liên tục) chỉ trên phần chồng lên nhau đó.
  4. Kiểm tra kết quả: đầu ra bắt đầu tại tổng các thời điểm bắt đầu, kết thúc tại tổng các thời điểm kết thúc, và diện tích hoặc tổng của nó là tích các diện tích hoặc tổng của đầu vào.

2Bài tập

1.Phương trình vi phânTrung bình
t (min)T (°C)11Ta​281 °C

Một chi tiết thép rèn ở 420 °C được để nguội trong xưởng có nhiệt độ 29 °C. Sau 11 phút, nhiệt độ của nó là 281 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Tìm hằng số k theo min⁻¹.

T0 = 420 °CTa = 29 °CT(11) = 281 °C
k = min⁻¹
2.Phương trình vi phânKhó
tyK = 5ymax​ = ?

Một hệ thỏa y″ + 4y′ + 8y = 40 với t ≥ 0, bắt đầu từ trạng thái nghỉ: y(0) = 0, y′(0) = 0. Tìm giá trị đỉnh ymax của đáp ứng bậc thang của nó.

y″ + 4y′ + 8y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Ma trận và định thứcTrung bình
A =4−41−31−1−1−4−4

Tìm định thức det A của ma trận 3×3 A đã cho.

A = [4 −4 1; −3 1 −1; −1 −4 −4]
det A =
4.Ma trận và định thứcKhó
A =5−19−5

Tìm giá trị riêng lớn hơn λ của ma trận A đã cho.

A = [5 −1; 9 −5]
λ =
5.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngTrung bình
xyzab

Tìm hình chiếu vô hướng compb a của a = (6, 4, −5) lên b = (−2, 5, −2), tức là thành phần của a theo hướng của b.

a = (6, 4, −5)b = (−2, 5, −2)
compb a =
6.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
xyzabc

Tìm thể tích V của hình hộp có các cạnh xuất phát từ một đỉnh là a = (−3, −4, −5), b = (4, 2, −5) và c = (−2, −3, 1).

a = (−3, −4, −5)b = (4, 2, −5)c = (−2, −3, 1)
V =
7.Tích phânTrung bình
xy16y = x ln x

Tính I = ∫₁6 x·ln x dx.

∫₁6 x ln x dx
I =
8.Tích phânKhó
xy1,5y = x²eˣ

Tính I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
9.Giải tích nhiều biếnTrung bình
xy−22P

Mặt phẳng tiếp xúc với z = −3x²y² + 4x² − 5y³ + 4xy tại điểm có (x, y) = (−2, 2) có thể viết là z = px + qy + c. Hãy tìm c.

f(x, y) = −3x²y² + 4x² − 5y³ + 4xy(a, b) = (−2, 2)
c =
10.Giải tích nhiều biếnKhó
xyy = 2xy = x²24

Hãy tìm diện tích I = ∬R 1 dA của miền R giữa parabol y = x² và đường thẳng y = 2x.

y = x²y = 2xf = 1
I =
11.Dãy số & chuỗiTrung bình
kSn​12345678910S = ?

Hãy tìm tổng S = Σk=1∞ 2/(k(k + 2)).

ak = 2/(k(k + 2))
S =
12.Dãy số & chuỗiKhó

Hãy tìm hệ số c₄ của (x + 1)⁴ trong chuỗi Taylor của f(x) = eˣ quanh a = −1.

f(x) = eˣa = −1k = 4
c₄ =
13.Biến đổi LaplaceTrung bình
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Tìm f(t) cho F(s) = (5s + 35)/(s² + 4s + 4) và tính f(0,3).

F(s) = (5s + 35)/(s² + 4s + 4)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Một hệ thống tuân theo y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t), với y(0) = 2 và y′(0) = 0. Tại t = 0 một đầu vào bước u(t) = 2 được đặt vào. Dùng biến đổi Laplace để tìm y(0,25).

y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Tích chập và hệ LTITrung bình
x(t)t31h(t)t14

Xung x(t) = 1 với 0 ≤ t < 3 s được chập với xung h(t) = 4 với 0 ≤ t < 1 s. Tìm diện tích Ay dưới y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 1, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
16.Tích chập và hệ LTIKhó
u[n]2+y[n]0,9·z⁻¹+

Một hệ tuân theo y[n] = 0,9·y[n − 1] + 2·x[n] và bắt đầu từ trạng thái nghỉ. Đầu vào là bước nhảy đơn vị x[n] = u[n]. Tìm y[2].

y[n] = 0,9y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3Dung dịch

1.Phương trình vi phân

Đáp số: k = 0,03993 min⁻¹

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·ekt (tăng trưởng khi k > 0, suy giảm khi k < 0); chu kỳ bán rã T cho k = ln 2/T. Định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), cho T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Phương trình tuyến tính y′ + p(x)·y = q(x) được giải bằng thừa số tích phân μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, nên μy = ∫μq dx + C.

Tỉ số các hiệu nhiệt độ

e−11k = 252/391

Giải tìm k

k = ln(391/252)/11 = 0,03993 min⁻¹

Đáp số

k = 0,03993 min⁻¹
2.Phương trình vi phân

Đáp số: ymax = 5,216

Phương trình tuyến tính bậc hai: với y″ + b·y′ + c·y = 0, thử y = ert: điều này cho phương trình đặc trưng r² + b·r + c = 0. Hai nghiệm thực r₁ ≠ r₂ cho y = A·er₁t + B·er₂t (quá tắt dần); nghiệm kép r cho y = (A + Bt)·ert (tắt dần tới hạn); nghiệm phức −α ± jω cho y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (dưới tắt dần, dao động). Các giá trị ban đầu y(0) và y′(0) xác định A và B. Viết dưới dạng y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn là tần số riêng và ζ là hệ số tắt dần: ζ < 1 thì dao động. Với đầu vào hằng, y″ + by′ + cy = c·K, nghiệm là giá trị xác lập K cộng đáp ứng tự do.

Giá trị xác lập và các nghiệm

yss = 5, r = −2 ± 2j

Các hằng số từ các giá trị ban đầu

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −5

Đỉnh

t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−2·π/2) = 5,216

Đáp số

ymax = 5,216
3.Ma trận và định thức

Đáp số: det A = 25

Ma trận: định thức của ma trận 2×2 là ad − bc. Với 3×3, khai triển theo một hàng: mỗi phần tử nhân với định thức của ma trận 2×2 còn lại sau khi bỏ hàng và cột của nó, với dấu xen kẽ + − +. Các giá trị riêng λ là nghiệm của det(A − λI) = 0; với 2×2 đó là λ² − (vết)·λ + det = 0.

Các định thức con 2×2 của hàng đầu

M₁₁ = −8, M₁₂ = 11, M₁₃ = 13

Khai triển phần bù đại số

det A = 4·(−8) − (−4)·11 + 1·13 = 25

Đáp số

det A = 25
4.Ma trận và định thức

Đáp số: λ = 4

Ma trận: định thức của ma trận 2×2 là ad − bc. Với 3×3, khai triển theo một hàng: mỗi phần tử nhân với định thức của ma trận 2×2 còn lại sau khi bỏ hàng và cột của nó, với dấu xen kẽ + − +. Các giá trị riêng λ là nghiệm của det(A − λI) = 0; với 2×2 đó là λ² − (vết)·λ + det = 0.

Phương trình đặc trưng

λ² − (0)λ + (−16) = 0

Giải

λ = (0 ± √(64))/2 → λ = −4, 4
λ = 4

Đáp số

λ = 4
5.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: compb a = 3,133

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.

Tích vô hướng

a·b = 6·(−2) + 4·5 + (−5)·(−2) = 18

Độ dài của b

|b| = √((−2)² + 5² + (−2)²) = 5,745

Hình chiếu vô hướng

compb a = a·b/|b| = 18/5,745 = 3,133

Đáp số

compb a = 3,133
6.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: V = 55

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.

Tích có hướng b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 2·1 − (−5)·(−3) = −13
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·(−2) − 4·1 = 6
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·(−3) − 2·(−2) = −8

Tích vô hướng với a

a·(b × c) = (−3)·(−13) + (−4)·6 + (−5)·(−8) = 55
V = |55| = 55

Đáp số

V = 55
7.Tích phân

Đáp số: I = 23,5

Tích phân từng phần: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, suy ra từ quy tắc tích. Chọn u là thừa số trở nên đơn giản hơn khi đạo hàm (một lũy thừa của x, hoặc ln x), và dv là thừa số bạn có thể tích phân (eˣ, sin x, cos x, hoặc x khi u = ln x). Với tích phân xác định, tính u·v tại cả hai cận: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Thừa số x² cần hai lần.

Chọn u và dv

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

Nguyên hàm

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

Giới hạn

(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5

Đáp số

I = 23,5
8.Tích phân

Đáp số: I = 3,602

Tích phân từng phần: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, suy ra từ quy tắc tích. Chọn u là thừa số trở nên đơn giản hơn khi đạo hàm (một lũy thừa của x, hoặc ln x), và dv là thừa số bạn có thể tích phân (eˣ, sin x, cos x, hoặc x khi u = ln x). Với tích phân xác định, tính u·v tại cả hai cận: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Thừa số x² cần hai lần.

Lần thứ nhất

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Lần thứ hai

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Giới hạn

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Đáp số

I = 3,602
9.Giải tích nhiều biến

Đáp số: c = 224

Gradient: ∇f = (fx, fy) chỉ theo hướng tăng dốc nhất, và |∇f| là tốc độ thay đổi lớn nhất. Đạo hàm theo hướng dọc một hướng v là Duf = ∇f·u với vectơ đơn vị u = v/|v|. Mặt phẳng tiếp xúc tại (a, b) là z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); nó cho xấp xỉ tuyến tính của f gần điểm đó. Quy tắc dây chuyền: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Giá trị và độ dốc tại điểm đó

f(−2, 2) = −88
fx = −6xy² + 8x + 4y → fx(−2, 2) = 40
fy = −6x²y − 15y² + 4x → fy(−2, 2) = −116

Mặt phẳng tiếp xúc

z = −88 + 40(x + 2) − 116(y − 2)
z = 40x − 116y + 224

Số hạng hằng

c = 224

Đáp số

c = 224
10.Giải tích nhiều biến

Đáp số: I = 1,333

Điểm tới hạn và tích phân kép: một điểm tới hạn có fx = fy = 0. Phép thử đạo hàm cấp hai với D = fxxfyy − fxy²: D > 0 và fxx > 0 là cực tiểu địa phương, D > 0 và fxx < 0 là cực đại địa phương, D < 0 là điểm yên ngựa, và D = 0 không kết luận được. Với một tích phân kép trên miền tổng quát, hãy lấy cận trong là các đường cong bao quanh miền; với hình tròn và hình quạt hãy dùng tọa độ cực, x = r cos θ, y = r sin θ và dA = r dr dθ (đừng quên thừa số r).

Các giao điểm

x² = 2x → x = 0, x = 2

Tích phân trong

∫x²2x 1 dy = 2x − x²

Tích phân ngoài

I = ∫02 (2x − x²) dx = 1,333

Đáp số

I = 1,333
11.Dãy số & chuỗi

Đáp số: S = 1,5

Hội tụ: nếu các số hạng không tiến về 0 thì chuỗi phân kỳ (tiêu chuẩn số hạng thứ n). Σ1/kᵖ chỉ hội tụ khi p > 1, và Σrᵏ chỉ khi |r| < 1. Hãy so sánh một chuỗi với một trong các chuỗi này khi các số hạng của nó có dạng giống chúng với k lớn. Tiêu chuẩn tỉ số: L = lim |ak+1/ak|; tiêu chuẩn căn: L = lim |ak|1/k. L < 1 hội tụ, L > 1 phân kỳ, L = 1 không kết luận được. Một chuỗi lũy thừa Σck(x − x₀)ᵏ hội tụ khi |x − x₀| < R với R = lim |ck/ck+1|; một chuỗi đan dấu có các số hạng giảm dần về 0 thì hội tụ.

Phân thức riêng

2/(k(k + 2)) = (2/2)·(1/k − 1/(k + 2))

Hủy

S = (2/2)·(1 + 1/2) = 1,5

Đáp số

S = 1,5
12.Dãy số & chuỗi

Đáp số: c₄ = 0,01533

Đa thức Taylor: gần x = a một hàm trơn được xấp xỉ bằng Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; với a = 0 đây là đa thức Maclaurin. Các chuỗi chuẩn: 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. Chặn sai số Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, trong đó M là giá trị lớn nhất của |f⁽ⁿ⁺¹⁾| giữa a và x.

Đạo hàm f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = eˣ

Hệ số

c₄ = e−1/4! = 0,01533
c₄ = 0,01533

Đáp số

c₄ = 0,01533
13.Biến đổi Laplace

Đáp số: f(0.3) = 6,86

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Phân tích mẫu số thành nhân tử

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

Phân thức riêng

5s + 35 = 5(s + 2) + 25
F(s) = 5/(s + 2) + 25/(s + 2)²

Biến đổi ngược

f(t) = 5·e−2t + 25·t·e−2t
f(0,3) = (5 + 25·0,3)·e−2·0,3 = 6,86

Đáp số

f(0,3) = 6,86
14.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.25) = 2,613

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Biến đổi phương trình

(s² + 9s + 20)·Y(s) = 2s + 18 + 80/s
Y(s) = (2s² + 18s + 80)/(s(s + 4)(s + 5))

Phân thức riêng

A = 80/(4·5) = 4
B = 40/((−4)·1) = −10
C = 40/((−5)·(−1)) = 8

Kết quả

y(t) = 4 − 10·e−4t + 8·e−5t
y(0,25) = 2,613

Đáp số

y(0,25) = 2,613

Kiểm tra: y(0) = A + B + C = 2.

15.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: Ay = 12

Tích chập liên tục: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Lật h, trượt nó đến vị trí t và lấy tích phân của tích các phần chồng lên nhau. Với tín hiệu nhân quả, tích phân chạy từ 0 đến t. Một số kết quả hữu ích: diện tích của y bằng diện tích của x nhân diện tích của h; nếu x kéo dài từ t₁ đến t₂ và h từ t₃ đến t₄, thì y kéo dài từ t₁ + t₃ đến t₂ + t₄. Với h(t) = e−atu(t) và một bước nhảy có độ cao A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Diện tích của các đầu vào

∫x dt = 1·3 = 3
∫h dt = 4·1 = 4

Diện tích của đầu ra

Ay = 3·4 = 12

Đáp số

Ay = 12
16.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: y[2] = 5,42

Đáp ứng xung và chuỗi Fourier: đáp ứng xung h(t) mô tả hoàn toàn một hệ LTI: với y′ + a·y = b·x nó là h(t) = b·e−atu(t), và với y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] nó là h[n] = b·aⁿu[n]. Một hàm cosin cos ωt đi qua với độ lợi |H(jω)| và pha ∠H(jω), trong đó H là biến đổi Fourier của h. Một tín hiệu tuần hoàn là tổng các họa âm tại k/T: sóng vuông ±A chỉ có các họa âm lẻ với biên độ 4A/(kπ), sóng tam giác có đỉnh A có 8A/(π²k²), và chuỗi xung có độ cao A và chu kỳ làm việc D có giá trị trung bình A·D và các họa âm (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Lặp

y[0] = 2
y[1] = 3,8
y[2] = 5,42

Kết quả

y[2] = 2·(1 − (0,9)3)/(1 − 0,9) = 5,42

Đáp số

y[2] = 5,42

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