工学数学 2:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、16 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

微分方程式

指数関数的な増加・減少
dy/dt = ky → y = y0ekt
半減期
k = ln 2 / t½
ニュートンの冷却法則
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
積分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合タンク
dm/dt = r·c − (r/V)·m

行列と行列式

2×2 の行列式
det = ad − bc
2×2 の逆行列
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
製品
(AB)ij = Σk AikBkj
固有値
det(A − λI) = 0
クラメルの公式
xi = det(Ai)/det(A)

ベクトル:内積と外積

大きさ
|a| = √(ax² + ay² + az²)
単位ベクトル
û = a/|a|
角度から成分を求める
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
内積
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a の b 上へのスカラー射影
a·b/|b|
仕事
W = F·d
外積
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
面積
平行四辺形 |a × b|, 三角形 ½|a × b|
O まわりのモーメント
MO = r × F, r = A − O
平行六面体の体積
V = |a·(b × c)|

解き方

  1. すべてのベクトルを成分で書きます。大きさと角度で与えられた力には F·cos θ と F·sin θ を使います。
  2. 長さと向きには、大きさ √(x² + y² + z²) と単位ベクトル a/|a| を使います。
  3. 角度、射影、垂直性、仕事には内積を使います:a·b = |a||b|cos θ。
  4. 垂直なベクトル、面積、モーメントには外積を使います:3 つの成分を慎重に書き、順序 a × b を守ります。

積分

べき乗の微分
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定積分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
主な不定積分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲線で囲まれた面積
∫ab (f − g) dx

解き方

  1. できれば被積分関数を簡単な項の和に書き直します。
  2. べき乗の積分公式を適用します:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。ex、1/x、sin、cos には基本の積分公式を使います。
  3. 関数とその導関数が一緒に現れていたら置換積分を使います。
  4. 定積分では F(b) − F(a) を計算します。

多変数の微分積分

偏導関数
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
勾配
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
方向微分
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
接平面
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
連鎖律
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
2 階微分判定法
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
二重積分
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
極座標
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

解き方

  1. 偏導関数では、もう一方の変数を定数として扱い、1 変数の規則を使いましょう。
  2. 勾配の問題では、その点で ∇f = (fx, fy) を計算します。最も急な傾きには |∇f| を、方向微分には単位ベクトル u との ∇f·u を使います。
  3. 極値では fx = 0 と fy = 0 を同時に解き、そのあとすべての点を D = fxx·fyy − fxy² で分類します。
  4. 二重積分では、領域を描き、内側の限界が境界の曲線になるように順序(円板なら極座標)を選び、内側から先に積分します。

数列と級数

等差数列
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
等比数列
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
無限等比級数
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p 級数
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
比判定法
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
収束半径
R = lim |ck/ck+1|
テイラー多項式
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
マクローリン級数
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
ラグランジュの誤差評価
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

解き方

  1. 種類を見極めましょう:等差(一定の差)、等比(一定の比)、標準的な級数、べき級数、テイラー多項式。
  2. 和には Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2、Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)、または |r| < 1 のとき S = a₁/(1 − r) を使います。a₁ はその和の最初の項です。
  3. 収束については:まず第 n 項判定法、次に Σ1/kᵖ や等比級数との比較を行い、階乗や k 乗には比判定法か根判定法を使います。
  4. テイラー多項式では、f(a)、f′(a)、f″(a)、… を並べ、第 k 階導関数を k! で割り、誤差を M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! で評価します。

たたみ込みと LTI システム

離散たたみ込み
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
連続たたみ込み
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
長さと和
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
始まり、終わり、面積
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t) へのステップ入力
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
1 次系
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
1 次の漸化式
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t) を通る正弦波
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
フーリエ級数の振幅
方形波 ±A:4A/(kπ)、奇数 k;三角波 ±A:8A/(π²k²)、奇数 k;パルス列:A·D と (2A/(kπ))|sin kπD|

解き方

  1. 2 つの信号をスケッチし、それぞれが 0 でない範囲を書き込みます。
  2. h を反転してずらします:各出力時刻について、両方の信号が重なる範囲を求めます。
  3. その重なりの範囲だけで、掛けて足し合わせる(離散)か、掛けて積分します(連続)。
  4. 結果を確認しましょう:出力は開始時刻の和から始まり、終了時刻の和で終わり、その面積または和は、入力の面積または和の積になります。

2演習問題

1.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)27Ta​T = ?

91 °C のコーヒーを 23 °C の部屋に置いておきます。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.09 min⁻¹ として、27 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 91 °CTa = 23 °Ck = 0.09 min⁻¹t = 27 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
xy13(1, 2)y(3) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + y/x = x、y(1) = 2 を解きなさい。y(3) を求めなさい。

y′ + y/x = xy(1) = 2
y(3) =
3.行列と行列式ふつう
A =63−5−2B =−4−4−62

示された行列について C = AB とします。成分 c21(第 2 行、第 1 列)を求めなさい。

A = [6 3; −5 −2]B = [−4 −4; −6 2]
c21 =
4.行列と行列式むずかしい
A =5−26−2

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [5 −2; 6 −2]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (0, 7, 2) の b = (4, 2, 1) 上へのスカラー射影 compb a、つまり a の b 方向の成分を求めよ。

a = (0, 7, 2)b = (4, 2, 1)
compb a =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

a = (3, 3, −4)、b = (3, −3, 5) のとき、外積 a × b の y 成分 (a × b)y を求めよ。

a = (3, 3, −4)b = (3, −3, 5)
(a × b)y =
7.積分ふつう
xy13

I = ∫13 1/x dx を計算しなさい。

f(x) = 1/x[1, 3]
I =
8.積分むずかしい
xyy = 0.5x2​y = x

y = 0.5x2 と y = x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 0.5x2y = x
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−11P

f(x, y) = 2y·e−xy の (−1, 1) での接平面を使って、f(−0.8, 1.2) を近似してください。線形近似 L を答えてください。

f(x, y) = 2y·e−xy(a, b) = (−1, 1)(x, y) = (−0.8, 1.2)
L =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−2−101AB

印の付いた点は、f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y の臨界点です。鞍点をクリックしてください。

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y
  1. 1A (1, −1)
  2. 2B (−1, −1)
11.数列と級数ふつう
AΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ k/(k + 2)k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞

4 つの級数のうち、ちょうど 1 つが発散します。それをクリックしてください。

A: Σ (2/5)ᵏB: Σ k/(k + 2)C: Σ (−1)ᵏ/√kD: Σ 1/(3ᵏ + k)
  1. 1A: Σ (2/5)ᵏ
  2. 2B: Σ k/(k + 2)
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/√k
  4. 4D: Σ 1/(3ᵏ + k)
12.数列と級数むずかしい

f(x) = cos x を、x = 1 で n 次のマクローリン多項式により近似します。M = 1 としてラグランジュの誤差評価 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! を使い、誤差が 0.0005 未満になることを保証する最小の次数 n を求めてください。

f(x) = cos xx = 1M = 1ε = 0.0005
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.50.51

F(s) = (3s + 10)/(s² + 3s + 2) である。その逆変換は f(t) = A·e−t + B·e−2t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (3s + 10)/(s² + 3s + 2)
A =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ある系が y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t) に従い、y(0) = 3、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 2 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.3) を求めよ。

y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.3 s
y(0.3) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t5h(t)t21

システムのインパルス応答は h(t) = e−0.5tu(t) です。入力はステップ x(t) = 5·u(t) です。t = 2 s での出力 y(2) を求めなさい。

h(t) = e−0.5tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 2 s
y(2) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)1020402

方形波が周期 T = 20 ms で 2 と 0 の間を切り替わります(各レベルに周期の半分ずつとどまります)。150 Hz のフーリエ成分の振幅 c3 を求めなさい。

0 … 2T = 20 msf = 150 Hz
c3 =

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 28.99 °C

1 階微分方程式:dy/dt = k·y の解は y = y₀·ekt です(k > 0 なら増加、k < 0 なら減少)。半減期 T からは k = ln 2/T が得られます。ニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) からは T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt が得られます。線形方程式 y′ + p(x)·y = q(x) は積分因子 μ = e∫p dx を使って解きます:(μy)′ = μq なので、μy = ∫μq dx + C です。

冷却法則の解

T(t) = 23 + 68·e−0.09t

t を代入する

T(27) = 23 + 68·0.08804 = 28.99 °C

答え

T = 28.99 °C
2.微分方程式

答え: y(3) = 3.556

1 階微分方程式:dy/dt = k·y の解は y = y₀·ekt です(k > 0 なら増加、k < 0 なら減少)。半減期 T からは k = ln 2/T が得られます。ニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) からは T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt が得られます。線形方程式 y′ + p(x)·y = q(x) は積分因子 μ = e∫p dx を使って解きます:(μy)′ = μq なので、μy = ∫μq dx + C です。

積分因子

μ = e∫1/x dx = x1

積分する

(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C

初期条件

2 = 1/3 + C → C = 1.667

計算する

y(3) = (1·33/3 + 1.667)/31 = 3.556

答え

y(3) = 3.556
3.行列と行列式

答え: c21 = 32

行列:2×2 行列の行列式は ad − bc です。3×3 では 1 つの行に沿って展開します:各成分に、その行と列を除いた 2×2 行列の行列式を掛け、符号は + − + と交互にします。固有値 λ は det(A − λI) = 0 を満たし、2×2 では λ² −(トレース)·λ + det = 0 です。

行 × 列

c21 = (−5)·(−4) + (−2)·(−6) = 32

答え

c21 = 32
4.行列と行列式

答え: λ = 2

行列:2×2 行列の行列式は ad − bc です。3×3 では 1 つの行に沿って展開します:各成分に、その行と列を除いた 2×2 行列の行列式を掛け、符号は + − + と交互にします。固有値 λ は det(A − λI) = 0 を満たし、2×2 では λ² −(トレース)·λ + det = 0 です。

固有方程式

λ² − (3)λ + (2) = 0

解く

λ = (3 ± √(1))/2 → λ = 1, 2
λ = 2

答え

λ = 2
5.ベクトル:内積と外積

答え: compb a = 3.491

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.

内積

a·b = 0·4 + 7·2 + 2·1 = 16

b の長さ

|b| = √(4² + 2² + 1²) = 4.583

スカラー射影

compb a = a·b/|b| = 16/4.583 = 3.491

答え

compb a = 3.491
6.ベクトル:内積と外積

答え: (a × b)y = −27

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.

外積を成分ごとに計算する

(a × b)x = aybz − azby = 3·5 − (−4)·(−3) = 3
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·3 − 3·5 = −27
(a × b)z = axby − aybx = 3·(−3) − 3·3 = −18

求める成分

(a × b)y = −27

答え

(a × b)y = −27

検算:a × b は両方のベクトルに垂直なので、a および b との内積は 0 です。

7.積分

答え: I = 1.099

定積分:∫ₐᵇ f(x) dx は、a から b までのグラフと x 軸の間の符号付き面積です。原始関数 F(F′ = f)を求め、F(b) − F(a) を計算します。べき乗の法則:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。2 曲線の間の面積は ∫(上 − 下) dx です。

原始関数

F(x) = ln x

上端と下端を代入する

I = (ln 3 − ln 1) = ln 3 = 1.099

答え

I = 1.099
8.積分

答え: A = 0.6667

定積分:∫ₐᵇ f(x) dx は、a から b までのグラフと x 軸の間の符号付き面積です。原始関数 F(F′ = f)を求め、F(b) − F(a) を計算します。べき乗の法則:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。2 曲線の間の面積は ∫(上 − 下) dx です。

交点

0.5x2 = x → x = 0, x = 2

上から下を引いて積分する

A = [0.5x2 − 0.1667x3]02 = 0.6667

答え

A = 0.6667
9.多変数の微分積分

答え: L = 6.524

勾配:∇f = (fx, fy) は最も急に増加する方向を向き、|∇f| は変化率の最大値です。方向 v に沿った方向微分は、単位ベクトル u = v/|v| を用いて Duf = ∇f·u です。点 (a, b) での接平面は z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b) で、その点の近くでの f の線形近似を与えます。連鎖律:dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt。

その点での値と傾き

f(−1, 1) = 5.437
fx = −2y²e−xy → fx(−1, 1) = −5.437
fy = 2e−xy(1 − xy) → fy(−1, 1) = 10.87

接平面

z = 5.437 − 5.437(x + 1) + 10.87(y − 1)
z = −5.437x + 10.87y − 10.87

線形近似

L = 5.437 + (−5.437)·0.2 + 10.87·0.2 = 6.524

答え

L = 6.524

厳密な値は f = 6.268072 です。ステップが小さいので、平面は近い値になります。

10.多変数の微分積分

答え: B (−1, −1)

臨界点と二重積分:臨界点では fx = fy = 0 です。D = fxxfyy − fxy² を用いた 2 階微分判定法:D > 0 かつ fxx > 0 なら極小、D > 0 かつ fxx < 0 なら極大、D < 0 なら鞍点、D = 0 なら何も決まりません。一般の領域上の二重積分では、内側の積分の限界を領域を囲む曲線にします。円板や扇形では極座標 x = r cos θ、y = r sin θ、dA = r dr dθ を使います(係数 r を忘れないでください)。

臨界点

fx = 0 と fy = 0 を同時に解きましょう。

fx = (3x² − 3) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(1, −1), (−1, −1)

2 階微分判定法

(1, −1): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → 極小
(−1, −1): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → 鞍点

その点

B (−1, −1): 鞍点

答え

B (−1, −1)
11.数列と級数

答え: B: Σ k/(k + 2)

収束:項が 0 に近づかなければ、級数は発散します(第 n 項判定法)。Σ1/kᵖ が収束するのは p > 1 のときだけで、Σrᵏ が収束するのは |r| < 1 のときだけです。k が大きいときに項がこれらと同じようにふるまうなら、級数をこれらと比較します。比判定法:L = lim |ak+1/ak|、根判定法:L = lim |ak|1/k。L < 1 なら収束、L > 1 なら発散、L = 1 なら何も決まりません。べき級数 Σck(x − x₀)ᵏ は |x − x₀| < R で収束し、R = lim |ck/ck+1| です。項が 0 に減少していく交代級数は収束します。

各級数を判定する

A: Σ (2/5)ᵏ → r = 2/5 の等比級数で |r| < 1:収束します。
B: Σ k/(k + 2) → 項は 0 ではなく 1 に近づきます:第 n 項判定法により発散します。
C: Σ (−1)ᵏ/√k → 交代級数で、1/√k が 0 に減少します:(条件)収束します。
D: Σ 1/(3ᵏ + k) → 収束する等比級数 (1/3)ᵏ より小さい:比較により収束します。

答え

B: Σ k/(k + 2)

答え

B: Σ k/(k + 2)
12.数列と級数

答え: n = 6

テイラー多項式:x = a の近くで、滑らかな関数は Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! で近似されます。a = 0 のときがマクローリン多項式です。標準的な級数: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。ラグランジュの誤差評価:|f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!。ここで M は a と x の間での |f⁽ⁿ⁺¹⁾| の最大値です。

n(n + 1)!評価値011120.5260.16673240.0416741200.00833357200.001389650400.0001984

n を増やしたときの評価値

n = 5: 0.001389 ≥ 0.0005
n = 6: 0.0001984 < 0.0005

最小の次数

n = 6

答え

n = 6
13.ラプラス変換

答え: A = 7

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対: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)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分母を因数分解する

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)

隠蔽法

(s + 1) を掛けて s = −1 とおくと、B の項は消えます。

A = (3s + 10)/(s + 2) |s = −1 = 7/1 = 7

答え

A = 7
(B = −4 なので、f(t) = 7·e−t − 4·e−2t)
14.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 4.297

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対: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)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

方程式を変換する

(s² + 8s + 12)·Y(s) = 3s + 24 + 96/s
Y(s) = (3s² + 24s + 96)/(s(s + 2)(s + 6))

部分分数展開

A = 96/(2·6) = 8
B = 60/((−2)·4) = −7.5
C = 60/((−6)·(−4)) = 2.5

結果

y(t) = 8 − 7.5·e−2t + 2.5·e−6t
y(0.3) = 4.297

答え

y(0.3) = 4.297

検算:y(0) = A + B + C = 3。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(2) = 6.321

連続たたみ込み:y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ。h を反転し、位置 t までずらし、重なる部分の積を積分します。因果的な信号では、積分は 0 から t までです。役に立つ結果:y の面積は x の面積と h の面積の積です。x が t₁ から t₂ まで、h が t₃ から t₄ まで続くなら、y は t₁ + t₃ から t₂ + t₄ まで続きます。h(t) = e−atu(t) と高さ A のステップ入力では、y(t) = (A/a)(1 − e−at) です。

ステップとのたたみ込み

y(t) = 5·∫₀ᵗ e−0.5τ dτ = (5/0.5)·(1 − e−0.5t)

計算する

y(2) = 10·(1 − e−1) = 6.321

答え

y(2) = 6.321
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c3 = 0.4244

インパルス応答とフーリエ級数:インパルス応答 h(t) は LTI システムを完全に表します:y′ + a·y = b·x では h(t) = b·e−atu(t)、y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] では h[n] = b·aⁿu[n] です。正弦波 cos ωt は、ゲイン |H(jω)| と位相 ∠H(jω) をもって通過します(H は h のフーリエ変換)。周期信号は k/T の高調波の和です:±A の方形波は奇数次の高調波だけをもち、振幅は 4A/(kπ)、ピーク A の三角波は 8A/(π²k²)、高さ A でデューティ比 D のパルス列は平均値 A·D と高調波 (2A/(kπ))·|sin(kπD)| をもちます。

高調波次数

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 150/50 = 3

振幅

c3 = 4·1/(3π) = 0.4244

答え

c3 = 0.4244

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