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CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1 REVER OBJETIVOS • Números complexos • Adição de senoídes • Regra de Cramer • Funções polinomiais • Expansão em frações parciais 2 MOTIVAÇÃO • Além do cálculo diferencial e integral, estes conceitos são fundamentais para dominar a arte de todas as engenharias modernas e a arte de todas as áreas de pesquisa - exatas ou não! • Ou sendo mais sucinto: Não sabendo isso, você não fez um curso de nível superior. • Mas eu faço direito… ou eu faço medicina … ou eu faço enfermagem … ou eu faço humanas. Bom saibam que todas estas áreas se beneficiam destes conhecimentos de forma direta ou indireta. • E a frase única para estudar bem isso: Se não souber estes tópicos direito vai reprovar! 3 O IMAGINÁRIO LIGADO AO REAL NÚMEROS COMPLEXOS • No inicio dos tempos conhecia-se apenas o indefinido, bom até hoje na Australia tem tribos que não entendem nenhum valor numérico além de “um”. • Com a agricultura e pecuária (talvez) surgiu a necessidade da contagem, e o primeiro conjunto surgiu os inteiros sem o zero (1,2,3) • Com a civilização e a escrita surgem os números fracionais, com os filósofos gregos surgem os números irracionais • Com os filósofos indianos surge o zero • Com os banqueiros europeus surgem os números negativos (aqui está o conjunto dos reais) • Com a raiz quadrada surge e a resolução de equações de terceiro grau aparece o conceito de número imaginário : • E com ela o conjunto de números imaginários j = −1 4 JUNTE A REALIDADE A IMAGINAÇÃO NÚMEROS COMPLEXOS • O número complexo é formado por um par de números, um real e um imaginário (como em coordenadas cartesianas) : • Os números a e b pertencem ao reais, mas b é multiplicado pela raiz quadrada de -1, ele é a parte imaginária e a é a parte real. Z = a + jb Im Re Zb a 5 DEFINIÇÃO FUNÇÃO REAL E IMAGINÁRIO • Dado o número complexo Z: • A função Re: • A função Im: Re(Z ) = a Z = a + jb Im(Z ) = b 6 TRANSFORMAÇÃO CARTESIANO POLAR E VICE VERSA NOTAÇÃO POLAR • Um número complexo pode ser expresso por: • Onde r é a distancia da origem até o ponto Z e angulo teta é o arco entre o eixo x e a semi reta da origem até Z. Z = r∠θ Im Re Zb a r θ a = r cos θ b = r sin θ r = a2 + b2 θ = arctan b a 7 POLAR - CARTESIANO E VICE VERSA CONVERSÃO Z = r∠θ Z = r(cos θ + j sin θ) r = a2 + b2 θ = arctan b a Z = a + jb Z = r∠θ Módulo: Fase Cuidado na calculadora, normalmente ela calcula tudo no 1o e no 2o quadrante! 8 NUMERICAMENTE: NOTAÇÃO DE EULER Z = a + jb = r cos θ + jr sin θ ejθ = cos θ + j sin θ Z = r ⋅ ejθ 9 DEFINIÇÃO CONJUGADO COMPLEXO • Dado • O conjugado complexo • Propriedades Z = a + jb = r ⋅ ejθ Z * = a − jb = r ⋅ e−jθ Z + Z * = (a + jb) + (a − jb) = 2a = 2Re(Z ) Z ⋅ Z * = (a + jb) ⋅ (a − jb) = a2 + b2 = r2 10 PROPRIEDADES NÚMEROS COMPLEXOS 1e±jπ = − 1 1e±jnπ = − 1 Se n inteiro impar 1e±2njπ = + 1 Se n inteiro 1ejπ/2 = j 1e−jπ/2 = − j 11 TRANSFORMAR NA FORMA POLAR EXERCÍCIOS z = 2 + j3 z = − 2 + j z = − 2 − j3 z = 1 − j3 TRANSFORMAR NA FORMA CARTESIANA z = 2ejπ/3 z = 4e−j3π/4 z = 2ejπ/2 z = 3e−j3π z = 2ej4π z = 2e−j4π 12 SOMA E SUBTRAÇÃO OPERAÇÕES COM COMPLEXOS • Soma/subtrai as partes reais • Soma/subtrai as partes imaginárias Z1 = 3 + j4 Z2 = 2 + j3 Z1 + Z2 = (3 + j4) + (2 + j3) = (3 + 2) + j(4 + 3) = 5 + j7 Z1 = 3 + j2 Z2 = 1 + j3 Z1 − Z2 = (3 + j2) − (1 + j3) = (3 − 1) + j(2 − 3) = 2 − j 13 MULTIPLICAÇÃO OPERAÇÕES COM COMPLEXOS Z1 = 3 + j4 = 5ej53,1 ∘ Z2 = 2 + j3 = 13ej56,3 ∘ Z1 ⋅ Z2 = 5ej53.1 ∘ 13ej56,3∘ Z1 ⋅ Z2 = 5 13ej(53.1 ∘+j56,3∘) Z1 ⋅ Z2 = 5 13ej109,4 ∘ 14 DIVISÃO OPERAÇÕES COM COMPLEXOS Z1 = 3 + j4 = 5ej53,1 ∘ Z2 = 2 + j3 = 13ej56,3 ∘ Z1 Z2 = 5ej53,1∘ 13ej56,3∘ Z1 Z2 = 5 13 ej(53,1∘−56,3∘) Z1 Z2 = 5 13 ej3,2∘ 15 POTENCIAÇÃO OPERAÇÕES COM COMPLEXOS Z1 = 3 + j4 = 5ej53,1 ∘ Z1 2 = (5ej53,1∘)2 Z1 2 = (5)2 (ej53,1∘)2 Z1 2 = 25 (e2⋅j53,1∘) Z1 2 = 25ej106,2∘ Z1 = (5ej53,1∘)1/2 Z1 = 5 (ej53,1∘)1/2 Z1 = 5 (ej53,1∘/2) Z1 = 5ej26,55 ∘ 16 PARA Z1 E Z2, REALIZAR AS OPERAÇÕES EXERCÍCIO Z1 = 2ejπ/4 Z2 = 8ejπ/3 Z1 − Z2 1 Z1 Z1 Z2 Z2 17 FUNÇÃO COMPLEXA DE UMA VARIÁVEL REAL EXEMPLO • Determine X(⍵) na forma cartesiana e determine sua parte real e imaginária X(ω) = 2 + jω 3 + j4ω X(ω) = 2 + jω 3 + j4ω ⋅ 3 − j4ω 3 − j4ω X(ω) = 6 + 4ω2 − j5ω 9 + 16ω2 X(ω) = (6 + 4ω2) − j5ω 9 + 16ω2 X(ω) = 6 + 4ω2 9 + 16ω2 − j 5ω2 9 + 16ω2 Re Im 18 FUNÇÃO COMPLEXA DE UMA VARIÁVEL REAL EXEMPLO • Expresse a função do exemplo anterior na forma polar X(ω) = 2 + jω 3 + j4ω X(ω) = 4 + ω2ej arctan ω/2 9 + 16ω2ej arctan 4ω/3 X(ω) = 4 + ω2 9 + 16ω2 ej(arctan ω/2 − arctan 4ω/3) 19 SOMA DE SENOIDES SENOIDES • Duas senoides com a mesma freqüência e fases diferentes se somam para formar uma única senoide de mesma freqüência C cos (ω0t + θ) = C cos θ cos ω0t − C sin θ sin ω0t a = C cos θ b = C sin θ C cos (ω0t + θ) = a cos ω0t − b sin ω0t C = a2 + b2 θ = arctan −b a Fasor ω0 C 20 TRANSFORMAÇÃO FATORIAL COMPLEXA SENOIDES E COMPLEXOS • Podemos associar a uma senoide um número complexo - transformação do domínio do tempo para o domínio da freqüência • Todas as operações matemáticas possíveis com complexos se aplicam as senoides de mesma freqüência i(t) = I cos(ωt + θ) i(t) = Re(Iej(ωt+θ)) i(t) = Iejθ Dominio do tempo Domínio da freqüência 21 SINAIS SENOIDE E EXPONENCIAL • Com uma senoide exponencialmente amortecida podemos descrever a maioria dos sinais usados em engenharia • O pouco restante é descrito como uma soma de senoides em uma série de Fourier y(t) = Aeσt cos(ωt + θ) 22 EXEMPLO t(s) x(t) � = 0 ! > 0 23 σ < 0 EXEMPLO t(s) x(t) � = 0 ! > 0 24 EXEMPLO t(s) x(t) � < 0 ! = 0 25 EXEMPLO t(s) x(t) � = 0 ! = 0 26 REGRA DE CRAMER RESOLUÇÃO DE SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES • Resolver equações lineares simultâneas • Primeiro transformamos em uma equação matricial : A.X = Y • A variável xk é: • Onde Dk é o determinante da matriz A substituindo a coluna k-ésima por Y. a11x1 + a12x2 . . . a1nxn = y1 a21x1 + a22x2 . . . a2nxn = y2. . . . . . . . . am1x1 + am2x2 . . . amnxn = ym a11 a12 . . . a1n a21 a22 . . . a2n. . . . . . . . . am1 +am2 . . . amn ⋅ x1 x2. . . xn = y1 y2. . . ym xk = |Dk | |A | 27 RESOLVER O SISTEMA UTILIZANDO CRAMER EXEMPLO 2x1 + x2 + x3 = 3 x1 + 3x2 − x3 = 7 x1 + x2 + x3 = 1 28 ESCREVER NA FORMA MATRICIAL SOLUÇÃO a11 a12 . . . a1n a21 a22 . . . a2n. . . . . . . . . am1 +am2 . . . amn ⋅ x1 x2. . . xn = y1 y2. . . ym [ 2 1 1 1 3 −1 1 1 1 ] ⋅ x1 x2 x3 = [ 3 7 1] A ⋅ X = Y 29 CALCULAR O DETERMINANTE DE A SOLUÇÃO |A | = 2 1 1 1 3 −1 1 1 1 = 2 1 1 1 3 −1 1 1 1 2 1 1 3 1 1 + - |A | = (2 ⋅ 3 ⋅ 1 + 1 ⋅ −1 ⋅ 1 + 1 ⋅ 1 ⋅ 1) − (1 ⋅ 3 ⋅ 1 + 1 ⋅ −1 ⋅ 2 + 1 ⋅ 1 ⋅ 1) |A | = (6 − 1 + 1) − (3 − 2 + 1) = 6 − 2 = 4 30 OS VALORES DAS VARIÁVEIS SÃO SOLUÇÃO x1 = 3 1 1 7 3 −1 1 1 1 4 = 8 4 = 2 x2 = 2 3 1 1 7 −1 1 1 1 4 = 4 4 = 1 x3 = 2 1 3 1 3 7 1 1 1 4 = −8 4 = − 2 [ 2 1 1 1 3 −1 1 1 1 ] ⋅ x1 x2 x3 = [ 3 7 1] 31 RESOLVER OS SISTEMAS DE EQUAÇÕES EXERCÍCIOS x1 + x2 + x3 = 1 x1 + 2x2 + 3x3 = 3 x1 − x2 = − 3 x1 + x2 + x3 + x4 = 4 x1 + x2 + x3 − x4 = 2 x1 + x2 − x3 − x4 = 0 x1 − x2 − x3 − x4 = − 2 x1 − 2x2 + 3x3 = 2 x1 − x3 + 7x4 = 3 x1 − x3 + 7x4 = 3 −2x2 + 3x3 − 4x4 = 4 32 −1,2,0 Det = 01,1,1,1 FUNÇÃO QUE É UMA RAZÃO DE POLINÔMIOS FUNÇÃO RACIONAL • Durante a analise de sistemas lineares chegamos a funções que são frações de polinômios F(x) • F(x) é impropria se m > n, pode ser separada na forma de um polinômio mais uma função própria • F(x) é própria se m < n, a função pode ser expandida em funções parciais. F(x) = bmxm + bm−1xm−1 + … + b1x + b0 anxn + an−1xn−1 + … + a1x + a0 F(x) = P(x) Q(x) 33 EXPANDIR A FUNÇÃO POLINOMIAL EXEMPLO F(x) = 2x3 + 9x2 + 11x + 2 x2 + 4x + 3 1 - Dividir os polinômios é possível: 2x3 + 9x2 + 11x + 2 |x2 + 4x + 3 −(2x3+ 8x2 + 6x) 2x + 1 0 + x2 + 5x + 2 −(x2 + 4x + 3) Restox − 1 F(x) = 2x + 1 + x − 1 x2 + 4x + 3 Polinomio Própria 34 A FUNÇÃO PRÓPRIA PODE SER EXPANDIDA EM FUNÇÕES PARCIAIS EXEMPLO F(x) = 2x + 1 + x − 1 x2 + 4x + 3 2 - Transformar o polinômio de segundo grau em uma multiplicação de dois polinômios : x − 1 x2 + 4x + 3 = x − 1 (x + 1)(x + 3) Ache as raises do polinômio (formula de Báskara) (x-r1)(x-r2) r1,2 = −b ± b2 − 4ac 2a r1 = −4 + 42 − 4 ⋅ 1 ⋅ 3 2 = − 1 r2 = −4 − 42 − 4 ⋅ 1 ⋅ 3 2 = − 3 35 CONTINUAÇÃO EXEMPLO 2 - Eliminação de frações x − 1 (x + 1)(x + 3) = a x + 1 + b x + 3 a(x + 3) + b(x + 1) = x − 1Onde: Separando os termos em x : { ax + bx = x3a + b = − 1 = { a + b = 13a + b = − 1 Resolvendo a = -1 e b=2 F(x) = 2x + 1 − 1 x + 1 + 2 x + 3 36 FATORES DISTINTOS DE Q(X) MÉTODO DE HEAVISIDE • Q(x) tem fatores distintos (não repetem). Sendo: • F(x) pode ser escrita na forma: • Onde os lambdas são as raizes de Q(x) F(x) = P(x) Q(x) F(x) = bmxm + bm−1xm−1 + … + b1x + b0 xn + an−1xn−1 + … + a1x + a0 F(x) = k1 x − λ1 + k2 x − λ2 + … + kn x − λn 37 CONTINUAÇÃO MÉTODO DE HEAVISIDE • Para determinar k1: • Todos os temos desaparecem menos k1: (x − λ1)F(x) = k1 + k2(x − λ1) x − λ2 + k3(x − λ1) x − λ3 + … + kn(x − λ1) x − λn x=λ1 k1 = (x − λ1)F(x) x=λ1 kr = (x − λr)F(x) x=λr r = 1,2,3…, n 38 EXPANDIR EXEMPLO F(x) = 2x2 + 9x − 11 (x + 1)(x − 2)(x + 3) F(x) = k1 x + 1 + k2 x − 2 + k3 x + 3 k1 = 2x2 + 9x − 11 (x + 1)(x − 2)(x + 3) (x + 1) x=−1 = 2 − 9 − 11 (−1 − 2)(−1 + 3) = 3 k2 = 2x2 + 9x − 11 (x + 1)(x − 2)(x + 3) (x + 2) x=2 = 8 + 18 − 11 (2 + 1)(2 + 3) = 1 k3 = 2x2 + 9x − 11 (x + 1)(x − 2)(x + 3) (x + 3) x=−3 = 18 − 27 − 11 (−3 + 1)(−3 − 2) = − 2 F(x) = 3 x + 1 + 1 x − 2 − 2 x + 3 39 RAIZES COMPLEXAS DE Q(X) EXEMPLO F(x) = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x2 + 4x + 13) λ1 = −b + b2 − 4ac 2a = −4 + 16 − 52 2 = − 2 + j3 λ1 = −4 − 16 − 52 2 = − 2 − j3 F(x) = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x + 2 − j3)(x + 2 + j3) F(x) = k1 x + 1 + k2 x + 2 − j3 + k3 x + 2 + j3 40 CONTINUAÇÃO EXEMPLO k1 = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x2 + 4x + 13) (x + 1) x=−1 = 2 k2 = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x + 2 − j3)(x + 2 + j3) (x + 2 − j3) x=−2+j3 = 1 + j2 F(x) = 2 x + 1 + 1 + j2 x + 2 − j3 − 1 − j2 x + 2 + j3 k3 = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x + 2 + j3)(x + 2 + j3) (x + 2 − j3) x=−2−j3 = 1 − j2 41 ALTERNATIVA FATORES QUADRÁTICOS • As vezes precisamos combinar os termos resultantes em fatores quadráticos • Para determinar c1 e c2 devemos resolver a equação associando os temos de mesmo grau: F(x) = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x2 + 4x + 13) F(x) = k1 x + 1 + c1x + c2 x2 + 4x + 13 k1 = 4x2 + 2x + 18 (x + 1)(x2 + 4x + 13) (x + 1) x=−1 = 2 4x2 + 2x + 18 = (2)(x2 + 4x + 13) + (c1x + c2)(x + 1) 42 CONTINUAÇÃO FATORES QUADRATICOS 4x2 + 2x + 18 = (2)(x2 + 4x + 13) + (c1x + c2)(x + 1) 4x2 + 2x + 18 = (2 + c1)x2 + (8 + c1 + c2)x + (26 + c2) 4x2 + 2x + 18 = 2x2 + 8x + 26 + c1x2 + c1x + c2x + c2 2 +c1 = 4 8 +c1 +c2 = 2 26 +c2 = 18 c1 = 2,c2 = − 8 F(x) = 2 x + 1 + 2x − 8 x2 + 4x + 13 43 EXPANDIR O POLINOMIO EXERCÍCIO F(x) = 2x2 + 4x + 5 x(x2 + 2x + 5) 44 SUPONHA A FUNÇÃO FATORES REPETIDOS DE Q(X) F(x) = P(x) (x − λ)r(x − α1)(x − α2)…(x − αj) F(x) = a0 (x − λ)r + a1 (x − λ)r−1 + … + ar−1 x − λ + k1 x − α1 + k2 x − α2 + … + kj x − αj k1,k2 … são os fatores não repetidos, usa-se Heaviside O resto dos termos usa-se: x = λ (x − λ)rF(x) x=λ = a0 d dx (x − λ)rF(x) x=λ = a1 aj = 1 j! dj dx j (x − λ)rF(x) x=λ 45 EXPANDIR EXERCÍCIO F(x) = 4x3 + 16x2 + 23x + 13 (x + 1)3(x + 2) F(x) = a0 (x + 1)3 + a1 (x + 1)2 + a3 x + 1 + k1 x + 2 k1 = 4x3 + 16x2 + 23x + 13 (x + 1)3(x + 2) (x + 2) x=−2 = −32 + 64 − 46 + 13 −1 = 1 a0 = 4x3 + 16x2 + 23x + 13 (x + 1)3(x + 2) (x + 1)3 x=−1 = −4 + 16 − 23 + 13 1 = 2 46 CONTINUAÇÃO EXERCÍCIO a1 = d dx [ 4x 3 + 16x2 + 23x + 13 (x + 2) ] x=−1 a1 = (12x2 + 32x + 23)(x + 2) − (4x3 + 16x2 + 23x + 13)(1) (x + 2)2 x=−1 Regra do quociente: ( fg ) ′� = gf′�− fg′� g2 a1 = 8x3 + 40x2 + 64x + 33 x2 + 4x + 4 x=−1 = 1 47 CONTINUAÇÃO EXERCÍCIO a1 = 1 2! d dx [ 8x 3 + 40x2 + 64x + 33 x2 + 4x + 4 ] x=−1 = 3 F(x) = 2 (x + 1)3 + 1 (x + 1)2 + 3 x + 1 + 1 x + 2 Se for mais difícil, é melhor entender o processo e usar um CAS software, ex. Matlab 48 FIXAÇÃO EXERCÍCIOS • Determine a expansão em frações parciais, no papel, das seguintes funções racionais: H1(s) = s2 + 5s + 6 s3 + s2 + s + 1 r1 = j, r2 = − j, r3 = − 1 H2(s) = s3 + s2 + s + 1 s2 + 5s + 6 H3(s) = 1 (s + 1)2(s2 + 1) H4(s) = s2 + 5s + 6 3s2 + 2s + 1 49 VETOR MATRIZES • Uma entidade especificada por n números em uma certa ordem é um vetor n-dimensional x = [x1 x2 … xn] x = x1 x2… xn 50 MATRIZ MATRIZES • Uma entidade especificada por m x n elementos é uma matriz bidimensional m x n A = a11 a12 … a1n a21 a22 … a2n ⋮ ⋮ ⋮ am1 am2 … amn 51 EQUAÇÃO MATRICIAL MATRIZES • Um sistema de equações pode ser representado por uma equação matricial: y1 y2 ⋮ ym = a11 a12 … a1n a21 a22 … a1n ⋮ ⋮ ⋮ am1 am2 … amn x11 x21 ⋮ xn A = y1 = a11x1 + a12x2 + … + a1nxn y2 = a21x1 + a22 + … + a2nxn ⋮ ym = am1x1 + am2x2 + … + amnxn y = Ax 52 MATRIZ QUADRADA MATRIZES A = 2 0 0 0 1 0 0 0 5 I = 1 0 0 … 0 0 1 0 … 0 0 0 1 … 0 ⋮ ⋮ ⋮ … ⋮ 0 0 0 … 1 Matriz identidade ou unitária : Matrizes são iguais se forem da mesma ordem e tiverem os mesmo elementos nas mesmas posições. 53 MATRIZ TRANSPOSTA MATRIZES A = [ 2 1 3 2 1 3] AT = [2 3 11 2 3] 54 ALGEBRA MATRICIAL MATRIZES • Adição, para duas matrizes da mesma ordem: A + B = (aij + bij) A = a11 a12 … a1n a21 a22 … a2n ⋮ ⋮ ⋮ am1 am2 … amn B = b11 b12 … b1n b21 b22 … b2n ⋮ ⋮ ⋮ bm1 bm2 … bmn A + B = a11 + b11 a12 + b12 … a1n + b1n a21 + b21 a22 + b22 … a2n + b2n ⋮ ⋮ ⋮ am1 + bm1 am2 + bm2 … amn + bmn 55 MULTIPLICAÇÃO ALGEBRA MATRICIAL • O número de colunas de A deve ser igual ao número de linhas em B A ⋅ B = n ∑ k=1 (aik ⋅ bkj) [ 2 3 1 1 3 1][ 1 3 1 2 2 1 1 1] c11 = a11b11 + a12b21 = 2 ⋅ 1 + 3 ⋅ 2 = 8 c12 = a11b12 + a12b22 = 2 ⋅ 3 + 3 ⋅ 1 = 9 c13 = 2 ⋅ 1 + 3 ⋅ 1 = 5 c14 = 2 ⋅ 2 + 3 ⋅ 1 = 7 c21 = 1 ⋅ 1 + 1 ⋅ 2 = 3 c22 = 1 ⋅ 3 + 1 ⋅ 1 = 4 c23 = 1 ⋅ 1 + 1 ⋅ 1 = 2 c24 = 1 ⋅ 2 + 1 ⋅ 1 = 3 c31 = 3 ⋅ 1 + 1 ⋅ 2 = 5 c32 = 3 ⋅ 3 + 1 ⋅ 1 = 10 c33 = 3 ⋅ 1 + 1 ⋅ 1 = 4 c34 = 3 ⋅ 2 + 1 ⋅ 1 = 7 [ 2 3 1 1 3 1][ 1 3 1 2 2 1 1 1] = 8 9 5 7 3 4 2 3 5 10 4 7 56 PROPRIEDADES MATRIZES • Uma matriz multiplicada por um escalar equivale a multiplicar cada elemento da matriz pelo escalar • A.B ≠ B.A • A.I=I.A • |A.B|=|A|.|B| • A derivada / integral de uma matriz de funções é a integral / derivada de cada elemento da matriz 57 CAPITULO B - P.B. LATHI EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO • B2, B3, B31, B33, B34 • B. P. LATHI Sinais e Sistemas Lineares, 2ª edição, Bookman 58
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