Formelsamling for Mekatronikk
Transcription
Formelsamling for Mekatronikk
M2 Kim Timothy Engh med Thomas Håland & Martin T. Øksnes Halvere og Kvadrere Eksempel: Starter med uttrykket: x2 + 6x + 17 = 0 Halverer og kvadrerer: x2 + 2| {z · 3x} + 32 − 32 +17 = 0 | {z } Halvere Kvadrere x2 + 6x + 9 + 8 = 0 Summerer: (x + 3)2 + 8 = 0 Faktoriserer: Starter med uttrykket: Former om nevner: Splitter opp: yk = tn · eat yk = tn · eat cos(bt) yk = tn · eat sin(bt) W (t) = y1 y10 y2 y20 3. Finn Wronski determinanten. 4. Finn yp med formelen, der f (t) er summen av likningen. Ingen konstanter skal med, selv etter integrasjon. Om f (t) = 0 så er yp = 0 Z Z yc1 · f (t) −yc2 · f (t) dt + yc2 dt yp = yc1 W (t) W (t) 5. Sett opp den hetrogene diff. likningen, y = yc + yp . 6. Bruk initial verdier for å løse ut konstantene. Delbrøksoppspalting Eksempel: ⇒ ⇒ ⇒ rk = a rk = a + bi rk = a − bi 3s2 + s + 8 s3 + 4s 3s2 + s + 8 s(s2 + 4) 2 3s + s + 8 A Bs + C = + 2 s(s2 + 4) s (s + 4) 2 Ganger alle ledd med fellesnevner, s(s + 4), og former om Cs + |{z} 4A ; uttrykket til dette: 3s2 + s + 8 = s2 (A + B ) + |{z} | {z } Setter opp matrise; =1 =8 =3 1 1 0 3 A=2 2 0 0 1 1 ⇒ B = 1 ⇒ 3s + s + 8 = 2 + s + 1 s(s2 + 4) s (s2 + 4) 4 0 0 8 C=1 Tabel for omforming av nevner til delbrøkoppspalting Faktor i nevner: Delbrøk: Laplace Transformasjon Laplace kan løses per definisjon eller med tabell. Definisjon: Z ∞ F (s) = L{f (t)} = f (t)e−st dt 0 Blir ikke laplace invers per defininsjon på eksamen. Tabell: t-verden s-verden y Y sY − y(0) y0 y 00 s2 Y − s · y(0) − y 0 (0) Bruk Trondals, Haugans eller Rottmans formelsamling for ferdig transformerte uttrykk. Parallellforskyning Når en har parallellforskyvning er det to utgangspunkt: An An−1 A1 L{eat · f (t)} = F (s − a) 2 + + ··· + n n−1 (s − α) (s − α) (s − α) L{f (t − a) · u(t − a)} = e−as · F (s) 1 As + B n (s + α) + ω Se tabell for parallellforskyvning (s + α)n + ω 1 2 3 4 i Trodals formelhefte Bs + C s2 + ω 2 s2 + ω 2 Laplace transformasjon av periodisk funksjon Bn s + C n Bn−1 s + Cn−1 B1 s + C1 2 2 n (s + ω ) + + ··· + 2 t, 06t61 RT (s2 + ω 2 )n (s2 + ω 2 )n−1 s + ω2 f (t)= f (t) · e−ts dt 2−t, 16t62 2 L{f (t)} = 0 Matriser 1 − eT s 1 Enkel matrise likning: Invers Matrise: T er en hel periode. A · ~x = ~b vs=M hs=I 1 2 3 4 x1 b1 a b c 1 0 0 a b c System av diff. likninger d e f · x 2 = b2 d e f 0 1 0 g h i x3 g h i 0 0 1 b3 Y (s) = (sI − A)−1 [y(0) + G(s)] (s − α)n Setter opp argumentert matrise a · x1 b · x2 c · x3 = b1 d · x 1 e · x 2 f · x 3 = b2 g · x 1 h · x 2 i · x 3 = b3 Utfører rad operasjoner 1 0 0 j k l 0 1 0 m n o 0 0 1 p q r Løser på vanelig måte vs=I hs=M −1 Fourier Rekke Generel def. der f (t); a, a + 2L, og L = f (t) = Eksponentialligning Generell Form: Halveringstid: Konstant: Q(t) = Ce−kt τ = ln2 k k = ln2 τ Differensial Likninger Diff. likninger kan løses med klassisk medtode eller med lapace. an = 1 L Z a 1 2 periode: ∞ ∞ X ao X π π + an cos(n t) + bn sin(n t) 2 L L n=1 n=1 a+2L π 1 f (t) cos(n t)dt bn = L L Fourier Rekke mhp symetri Z 2 L π an = f (t) cos(n t)dt L 0 L Z a+2L a symetrisk π f (t) sin(n t)dt L f (t) Klassisk metode (2. orden) Z 1. Sett opp karakteristisk likning der y n,derivert er rn . Løs deretter 2 L π anti-symetrisk b = f (t) sin(n t)dt n likningen og finn rk . L 0 L 2. Finn yc ved å kovertere rk ⇒ yk , der n er antall ganger et En symetrisk likning vil kun ha et an og enventuelt et a0 ledd i identisk ledd har vært tidligere. En konstant, C, skal med i hvert Fourier rekken, mens en Anti-symetrisk likning vil kun ha et bn ledd. ledd. Konvertering fra 3 til 2 dimensjoner R3 → R2 Varmelikning For at en likning kan defineres som varmelikning er man avhengig av 3 premisser: ut = k·uxx , u(0, x) = f (x) og u(t, 0) = u(t, l) = 0 | {z } Teorem 1 eller ux (t, 0) = ux (t, l) = 0 . | {z } Teorem 2 Teorem 1: u(t, 0) = u(t, l) = 0, 0o ved endepunkter; u(t, x) = ∞ X bn e−k( nπ L n=1 ) 2 ·t a 100c b T = b−a c Eksempel på formel. Sammensettnig (R = T · S) Finn standard matrise H π sin n x L R ↓ H Der bn er identisk til bn fra en anti-symetrisk fourier rekke der t er erstattet med x. Teorem 2: ux (t, 0) = ux (t, l) = 0, isolerte endepunkter; Formelen brukes en gang for hver vektor så summeres til en matrise med navn G. = = T · S ↓ ↓ G · F Diagonalisering Egenverdier & Egenvektorer A · ~x = λ · ~x, der λ er egenverdien og ~x er egenvektoren. Egenverdiene, λ, finner man ved å løse det karakteristiske polynomet som man får man tar determinanten av matrisen Der an er identisk til an fra en symetrisk fourier rekke der t er A − λI. erstattet med x. Egenvektorene, [V~1 , V~2 · · · V~n ], finner man når man løser matrisen Triks: A−Iλ når man setter inn egenverdien, λ, til vektoren man ønsker Om an /bn = 0 så er man nødt til å gjøre et triks. Eksempel med å finne. utgangspunkt i oppgave 9.5-5 (Edwards/Penny): Diagonaliseringen til A: ut = 2uxx En matrise kan diagonaliseres om matrisen er kvadratisk og den 4 2 0<x<3 πx −2 cos πx u(x, 0) = 4 cos har lineært uavhengige vektorer. Vektorene er linjært uavhengige 3 3 t>0 så lenge matrisen ikke har frie variabler. Ut fra likningen u(x, 0) kan vi se at de to an leddene i svaret skal være 4 og 2, og vi ser at innholdet cos leddene er ulike. A = P · D · P −1 Ak = P · Dk · P −1 Det vi så gjør er å utlede rekken for u(t, x) hvor vi så kaller eA = P · eD · P −1 P = [V~1 , V~2 , · · · , V~k ] an-leddene for a1 , a2 , a3 , a4 osv, slik som dette: 2 2 2 1 1 2 A: Matrisen som skal skrives om. πx + a2 · e−2( 3 π) ·t cos πx a1 · e−2( 3 π) ·t cos 3 3 D: Matrise med egenverdiene i diagonalen. P : Egenvektorene som matrise. 2 2 3 4 3 4 +a3 · e−2( 3 π) ·t cos πx + a4 · e−2( 3 π) ·t cos πx ...osv 3 3 P = V~1 V~2 · · · V~n Nå sammenligner vi rekken med leddene i u(x, 0). Vi ser at a2 - 1. Finn egenverdiene og a4 -leddene har det samme innholdet inne i cos-leddene som i 2. Finn egenvektorene m m ··· m u(x, 0). Vi ’smelter’ sammen a2 /a4 med u(x, 0) slik som dette: 3. Sett opp matrisene P , D og λ1 0 · · · 0 P −1 , og pass på at egenverdiene 0 λ2 · · · 0 likt i a2 og u(x, 0) fra a4 og egenvektorene stemmer med D = z }| { fra u(0, x) .. z }| { .. .. .. z}|{ −2 2 π 2 ·t 2 hverandre. . 4 4 2 . . . 3 ) 4 · e| ({z −2 · e−2( 3 π) ·t cos πx } cos 3 πx |{z} 0 0 · · · λ 3 n | {z } fra a2 fra u(0, x) ∞ X π nπ a0 u(t, x) = + an e−k( L ) ·t cos n x 2 L n=1 2 likt i a4 og u(x, 0) Vi forenkler potensen til e-leddene og får svaret: 8 2 32 2 2 4 4e− 9 π ·t cos πx − 2e− 9 π ·t cos πx 3 3 Lineære transformasjoner Basis . . . A = T e~1 .. T e~2 .. · · · .. T e~n Transformasjon i rommet Rn → Rn Her speiler man hver enkelt vektor hver for seg, så summerer vektorene sammen til en matrisen F . −9 9 z T (~e3 ) T (~e2 ) y T (~e1 ) 0 ⇒S(~e1 ) 0 0 0 x T (~e ) 1 Transformerer vektoren T (e~1 ). som speiles over origo s(~e2 ) s(~e1 ) s~(e3 ) Viktig å huske sin(nπ) = 0 cos(nπ) = (−1)n −(−1)n = (−1)n+1 2 2 cos(2α) = 2 cos α − 1 cos (α) = 21 (cos(2α) + 1) Referanser Haugan, J, Formler og Tabeller (2011), NKI Forlaget. Kohler, W & Johnson, L , Elementary differential equations (2006), Pearson. Nyberg, S, O, Forelensningsnotater matte 2 (2012), UiA. Om formelarket Laget for å være til hjelp på matte 2 eksamen som det ene arket som er lov til å ha med utenom godkjente formelsamlinger. Det tas forbehold om eventuelle feil eller mangler. Formelarket gis ut under lisensen Creative Commons (CC).