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
tyy(0) = 1y(0.5) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 6 として y″ + 3y′ + 2y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 1y′(0) = 6
y(0.5) =
2.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 5y(0.5) = ?

y(0) = 5、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + 2y′ + 26y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
3.行列と行列式ふつう
A =1621B =1−624

示された行列について C = AB とします。成分 c22(第 2 行、第 2 列)を求めなさい。

A = [1 6; 2 1]B = [1 −6; 2 4]
c22 =
4.行列と行列式むずかしい
A =−5642b =−45

連立方程式 −5x + 6y = −4、4x + 2y = 5 を解きなさい。x を求めなさい。

−5x + 6y = −44x + 2y = 5
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−2, 1, 1) と b = (−1, 4, 2) のなす角 θ を度で求めよ。

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

単位ベクトル n̂ は、a = (−4, −3, 5) と b = (−3, −1, −5) の両方に垂直で、z 成分が正である。その x 成分 n̂x を求めよ。

a = (−4, −3, 5)b = (−3, −1, −5)n̂z > 0
n̂x =
7.積分ふつう
xyπ/2y = x·sin x

I = ∫₀π/2 x·sin x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
8.積分むずかしい
xy3y = x²eˣ

I = ∫₀3 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−2−1∇fP

f(x, y) = −4x²y + 3x³ − 4y² + 2xy について、(−2, −1) で最も急に増加する方向を、正の x 軸からの角度 θ として、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

f(x, y) = −4x²y + 3x³ − 4y² + 2xyP = (−2, −1)
θ = °
10.多変数の微分積分むずかしい
xy0202AB

印の付いた点は、f(x, y) = x³ + y³ − 6xy の臨界点です。極小をクリックしてください。

f(x, y) = x³ + y³ − 6xy
  1. 1A (0, 0)
  2. 2B (2, 2)
11.数列と級数ふつう
AΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞

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

A: Σ (5/3)ᵏB: Σ 1/(3ᵏ + k)C: Σ k!/3ᵏD: Σ (k + 2)/k²
  1. 1A: Σ (5/3)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(3ᵏ + k)
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ (k + 2)/k²
12.数列と級数むずかしい

f(x) = cos x を、x = 1.5 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 1 × 10⁻⁵ 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 = 1.5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−5−105

F(s) = (4s + 40)/(s² + 4s + 29) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.6) を計算せよ。

F(s) = (4s + 40)/(s² + 4s + 29)t = 0.6 s
f(0.6) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 8y′ + 15y = 60·u(t) に従い、y(0) = 2、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 1 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.25) を求めよ。

y″ + 8y′ + 15y = 60·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.25 s
y(0.25) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t2h(t)t1

入力 x(t) = 2·e−4tu(t) が、h(t) = e−1tu(t) のシステムに加えられます。t = 1.5 s での出力 y(1.5) を求めなさい。

x(t) = 2·e−4tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 1.5 s
y(1.5) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
u[n]4+y[n]−0.5·z⁻¹+

システムは y[n] = −0.5·y[n − 1] + 4·x[n] に従い、静止状態から始まります。入力は単位ステップ x[n] = u[n] です。y[4] を求めなさい。

y[n] = −0.5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(0.5) = 2.277

2 階線形方程式:y″ + b·y′ + c·y = 0 では y = ert とおきます。これから特性方程式 r² + b·r + c = 0 が得られます。異なる 2 つの実根 r₁ ≠ r₂ のときは y = A·er₁t + B·er₂t(過減衰)、重根 r のときは y = (A + Bt)·ert(臨界減衰)、複素根 −α ± jω のときは y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(不足減衰、振動)となります。初期値 y(0) と y′(0) から A と B が決まります。y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 の形に書くと、ωn は固有角周波数、ζ は減衰比で、ζ < 1 なら振動します。入力が一定の y″ + by′ + cy = c·K では、解は定常値 K に自由応答を加えたものです。

特性方程式の根

(r + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

初期値から求める定数

A + B = 1, −1A − 2B = 6
A = 8, B = −7

計算する

y(0.5) = 8·e−0.5 + (−7)·e−1 = 2.277

答え

y(0.5) = 2.277
2.微分方程式

答え: y(0.5) = −2.067

2 階線形方程式:y″ + b·y′ + c·y = 0 では y = ert とおきます。これから特性方程式 r² + b·r + c = 0 が得られます。異なる 2 つの実根 r₁ ≠ r₂ のときは y = A·er₁t + B·er₂t(過減衰)、重根 r のときは y = (A + Bt)·ert(臨界減衰)、複素根 −α ± jω のときは y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(不足減衰、振動)となります。初期値 y(0) と y′(0) から A と B が決まります。y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 の形に書くと、ωn は固有角周波数、ζ は減衰比で、ζ < 1 なら振動します。入力が一定の y″ + by′ + cy = c·K では、解は定常値 K に自由応答を加えたものです。

複素根

r = −1 ± 5j

定数

A = 5, B = 1·5/5 = 1

計算する

y(0.5) = e−0.5(5·cos 2.5 + 1·sin 2.5) = −2.067

答え

y(0.5) = −2.067
3.行列と行列式

答え: c22 = −8

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

c22 = 2·(−6) + 1·4 = −8

答え

c22 = −8
4.行列と行列式

答え: x = 1.118

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。

係数行列の行列式

det A = (−5)·2 − 6·4 = −34

x の列を置き換える

det Aₓ = (−4)·2 − 6·5 = −38
x = −38/(−34) = 1.118

答え

x = 1.118
y = 0.2647
5.ベクトル:内積と外積

答え: θ = 44.55 °

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 = (−2)·(−1) + 1·4 + 1·2 = 8

大きさ

|a| = √((−2)² + 1² + 1²) = 2.449
|b| = √((−1)² + 4² + 2²) = 4.583

位相角

cos θ = 8/(2.449·4.583) = 0.7127
θ = arccos(0.7127) = 44.55°

答え

θ = 44.55°
6.ベクトル:内積と外積

答え: n̂x = −0.4924

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

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·(−5) − 5·(−1) = 20
(a × b)y = azbx − axbz = 5·(−3) − (−4)·(−5) = −35
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−1) − (−3)·(−3) = −5

正規化する

a × b の z 成分は負なので、−(a × b) を使います。

|a × b| = √(20² + (−35)² + (−5)²) = 40.62
n̂ = −(20, −35, −5)/40.62 = (−0.4924, 0.8616, 0.1231)
n̂x = −0.4924

答え

n̂x = −0.4924
7.積分

答え: I = 1

部分積分:∫u·dv = u·v − ∫v·du。積の微分公式から導かれます。u には、微分すると簡単になるほうの因子(x のべき乗や ln x)を選び、dv には、積分できるほうの因子(eˣ、sin x、cos x、または u = ln x のときの x)を選びます。定積分では、u·v を両端で評価します:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。因子 x² があるときは 2 回行います。

u と dv を選ぶ

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

原始関数

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

極限

(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

答え

I = 1
8.積分

答え: I = 98.43

部分積分:∫u·dv = u·v − ∫v·du。積の微分公式から導かれます。u には、微分すると簡単になるほうの因子(x のべき乗や ln x)を選び、dv には、積分できるほうの因子(eˣ、sin x、cos x、または u = ln x のときの x)を選びます。定積分では、u·v を両端で評価します:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。因子 x² があるときは 2 回行います。

1 回目

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

2 回目

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

極限

20.09·(5) − 1·2 = 98.43

答え

I = 98.43
9.多変数の微分積分

答え: θ = −33.69 °

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。

偏導関数

fx = −8xy + 9x² + 2y → fx(−2, −1) = 18
fy = −4x² − 8y + 2x → fy(−2, −1) = −12

向き

θ = atan2(−12, 18) = −33.69°

答え

θ = −33.69°
10.多変数の微分積分

答え: B (2, 2)

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 − 6y = 0
fy = 3y² − 6x = 0
(0, 0), (2, 2)

2 階微分判定法

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −6, D = −36 → 鞍点
(2, 2): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −6, D = 108 → 極小

その点

B (2, 2): 極小

答え

B (2, 2)
11.数列と級数

答え: B: Σ 1/(3ᵏ + k)

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 (5/3)ᵏ → r = 5/3 > 1 の等比級数:項が大きくなるので発散します。
B: 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。
C: Σ k!/3ᵏ → 比判定法:L = lim (k + 1)/3 = ∞ なので発散します。
D: Σ (k + 2)/k² → k が大きいと 1/k のようにふるまいます:調和級数との比較により発散します。

答え

B: Σ 1/(3ᵏ + k)

答え

B: Σ 1/(3ᵏ + k)
12.数列と級数

答え: n = 10

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011.5121.125260.56253240.210941200.0632857200.01582650400.003397403200.000635683628800.0001059936288001.589 × 10⁻⁵10399168002.167 × 10⁻⁶

n を増やしたときの評価値

n = 9: 1.589 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 10: 2.167 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

最小の次数

n = 10

答え

n = 10
13.ラプラス変換

答え: f(0.6) = −0.9207

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)。

平方完成する

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

分子を合わせる

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (32/5)·5/((s + 2)² + 5²)

逆変換

f(t) = e−2t·(4·cos 5t + 6.4·sin 5t)
f(0.6) = e−2·0.6·(4·cos(5·0.6) + 6.4·sin(5·0.6)) = −0.9207

答え

f(0.6) = −0.9207
14.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 2.498

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 + 15)·Y(s) = 2s + 16 + 60/s
Y(s) = (2s² + 16s + 60)/(s(s + 3)(s + 5))

部分分数展開

A = 60/(3·5) = 4
B = 30/((−3)·2) = −5
C = 30/((−5)·(−2)) = 3

結果

y(t) = 4 − 5·e−3t + 3·e−5t
y(0.25) = 2.498

答え

y(0.25) = 2.498

検算:y(0) = A + B + C = 2。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1.5) = 0.1471

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。

たたみ込み積分

y(t) = 2e−1t∫₀ᵗ e−(4 − 1)τ dτ = 2(e−1t − e−4t)/(3)

計算する

y(1.5) = 2·(0.2231 − 0.002479)/(3) = 0.1471

答え

y(1.5) = 0.1471
16.たたみ込みと LTI システム

答え: y[4] = 2.75

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。

反復計算

y[0] = 4
y[1] = 2
y[2] = 3
y[3] = 2.5
y[4] = 2.75

結果

y[4] = 4·(1 − (−0.5)5)/(1 − (−0.5)) = 2.75

答え

y[4] = 2.75

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