Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dynamic_System_Modeling_and_Control.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5.61 Mб
Скачать

math guide - 34.87

34.6.4Other Calculus Stuff

The Taylor series expansion can be used to find polynomial approximations of functions.

f( x)

= f( a)

+ f'( a) ( x a)

+

f''( a) ( x a) 2

+ …

+

f( n – 1) ( a) ( x a) n – 1

------------------------------2!

------------------------------------------------( n – 1) !

 

 

 

 

 

 

34.6.5Practice Problems

1.Find the derivative of the function below with respect to time.

-----------------3t

+ e2t

( 2 + t) 2

 

(ans.

d

3t

+ e

2t

=

d

( 3t( 2 + t)

–2

 

----

-----------------

 

----

)

 

dt

( 2 + t) 2

 

 

 

dt

 

 

+

d

( e

2t

( 2 + t)

–2

– 6t( 2 + t)

–3

+ 2e

2t

----

) = 3

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Solve the following differential equation, given the initial conditions at t=0s.

x'' + 4x' + 4x = 5t x0 = 0 x'0 = 0

math guide - 34.88

(ans.

 

homogeneous solution:

x'' + 4x' + 4x = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

guess:

 

xh

= e

At

xh' = Ae

At

xh'' = A

2

At

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

A2eAt + 4AeAt + 4eAt = 0 = A2 + 4A + 4 = ( A + 2) ( A + 2)

 

 

 

xh = C1e–2t + C2te–2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

particular solution:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

guess:

 

xp =

At + B

 

 

xp' = A

 

 

xp'' =

0

 

 

 

 

 

( 0) + 4( A) + 4( At + B) = 5t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 4A + 4B) + ( 4A) t = ( 0) + ( 5) t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

4( 1.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

4-- = 1.25

 

 

+ 4B = 0

B = –1.25

 

 

 

xp = 1.25t – 1.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

combine and solve for constants:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x( t) = x

h

+ x

p

= C

1

e–2t + C

2

te–2t + 1.25t – 1.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for x(0) = 0

 

0 = C1e

–2( 0)

+ C2(

0) e

–2( 0)

+ 1.25( 0)

– 1.25 = C1 – 1.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1 = 1.25

 

 

 

for (d/dt)x(0) = 0

 

 

0 = ( –2) C1e–2( 0) + ( –2) C2( 0) e–2( 0) + C2e–2( 0) + 1.25

 

 

 

–2C1 + C2 + 1.25 = 0 = –2( 1.25) + C2 + 1.25

C2 = 1.25

 

 

 

x( t) = 1.25e2t + 1.25te2t + 1.25t – 1.25

 

 

 

 

 

3. Find the following derivatives.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a)

----( sin t + cos t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

----

( ( t + 2) )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

( 5te

8t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c)

----

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d( )

d)---- 5 ln t dt

math guide - 34.89

(ans.

d

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

d

 

 

( sin t + cos t)

 

=

sin t)

( cos t) = cos t – sin t

a)

----

 

----(

+ ----

dt

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

dt

 

b)

d

 

( ( t + 2)

–2

) =

–2( t + 2)

–3

 

----

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

( 5te

8t

=

5e

8t

+ 40te

8t

 

 

 

c)

----

)

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

( 5 ln t)

=

5

 

 

 

 

 

 

 

 

d)

----

 

--

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Find the following integrals

a) 6t2dt b) 14e7tdt

c) sin ( 0.5t) dt

d) 5

--x dx

(ans.

 

6t

2

dt

= 6

t3

=

2t

3

+ C

 

a)

 

 

---

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

14e

7t

dt =

 

14

e7t

+ C = 2e

7t

b)

 

 

 

-----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

c)

sin ( 0.5t) dt

=

 

– cos ( 0.5t)

 

 

------------------------- + C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.5

 

d)

5

 

 

 

 

 

 

 

+ C

 

 

 

 

--dx = 5 ln ( x)

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Find the following derivative.

+C

=– 2 cos ( 0.5t) + C

d

( 5te

4t

+ ( t + 4)

–3

----

 

)

dt

 

 

 

 

math guide - 34.90

6. Find the following derivatives.

a)

d

 

 

 

1

-----

 

-----------

 

dx

x + 1

b)

d

( e

t

sin ( 2t – 4) )

----

 

 

dt

 

(ans.

d

 

 

1

 

–1

 

 

 

a)

-----

 

-----------

=

------------------

 

 

dx

 

 

( x + 1)

2

 

 

 

 

x + 1

 

 

 

 

b)

d

 

 

t

 

 

 

 

t

t

----

( e sin ( 2t – 4) ) = –e sin ( 2t – 4)

+ 2e cos ( 2t – 4)

 

dt

7.Solve the following integrals.

a)e2tdt

b)( sin θ + cos 3θ ) dθ

(ans.

a)

e

2t

dt = 0.5e

2t

+ C

 

 

 

 

 

 

 

b)

( sin θ + cos 3θ ) dθ = – cos θ

1

 

+ -- sin 3θ + C

 

 

 

 

 

 

 

3

8. Solve the following differential equation.

 

 

x'' + 5x' + 3x = 3

 

 

x( 0) = 1

 

 

 

 

 

 

 

x'( 0) = 1

math guide - 34.91

(ans.

x'' + 5x' + 3x = 3

 

 

x( 0) = 1

 

x'( 0) = 1

 

 

 

 

 

Homogeneous:

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + 5A + 4 = 0

 

 

 

 

 

 

 

– 5 ±

 

25 – 16

– 5 ± 3

= –4, –1

 

 

 

 

A = ----------------------------------- =

----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

xh = C1e–4t + C2et

 

 

 

 

 

 

Particular:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xp = A

 

 

x'p = 0

x''p = 0

 

 

 

 

0 + 5( 0) + 3A = 3

 

A = 1

 

 

 

 

xp

= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Initial values:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = xh + xp = C1e–4t + C2et + 1

 

 

 

 

 

1 = C1( 1) + C2( 1) + 1

C1 = C2

 

x' = –4C1e–4t C2et

 

 

 

 

 

 

 

1 = –4C1( 1) – C2( 1)

 

 

 

1

 

 

4( –C2) + C2 = –1

 

 

 

 

 

C2 =

3--

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

–--

 

1

–4t

 

1

t

 

 

 

 

3

 

x = –3--e

 

+

3--e

 

+ 1

 

 

 

 

 

9.Set up an integral and solve it to find the volume inside the shape below. The shape is basically a cone with the top cut off.

math guide - 34.92

z

y

b

x

a

c

(ans.

 

dV =

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V =

 

Adx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c b

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r =

b +

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

c b 2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

c b

c b 2

 

2

A = π r = π b +

 

----------

 

 

 

 

= π b + 2π

----------

x + π

----------

 

x

 

 

a

x

 

 

a

a

 

 

 

a

 

2

 

c b

 

 

 

 

c b 2 2

 

 

 

 

 

 

 

V = π b + 2π

-----------

 

 

 

π

 

----------

 

 

x dx

 

 

 

 

 

 

 

a

x +

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

c b 2 π

 

c b

 

2

 

3

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V =

π

b x + π

 

 

 

x

 

+

--

----------

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

3

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

V =

π

b

2

a + π

c b

a

2

+

π

c b

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----------

 

--

 

----------

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

3

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V= π b2a + π ( c b) a + π--3 ( c b) 2a2

10.Solve the first order non-homogeneous differential equation below. Assume the system starts at rest.

2x' + 4x = 5 sin 4t

11. Solve the second order non-homogeneous differential equation below.

2x'' + 4x' + 2x = 5

where, x( 0)

=

2

 

x'( 0)

=

0

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]