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)45Ta​196 °C96 °C

440 °C の鍛造鋼部品を 29 °C の作業場に置いて冷まします。 45 分後の温度は 196 °C です。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 開始から 96 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 440 °CTa = 29 °CT(45) = 196 °CT = 96 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
ty1y(1) = ?

y′ + 0.5y = 2e−2t、y(0) = 1 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y′ + 0.5y = 2e−2ty(0) = 1
y(1) =
3.行列と行列式ふつう
A =624−5B =−62−3−6

示された行列について C = AB とします。成分 c11(第 1 行、第 1 列)を求めなさい。

A = [6 2; 4 −5]B = [−6 2; −3 −6]
c11 =
4.行列と行列式むずかしい
A =2−363b =−58

連立方程式 2x − 3y = −5、6x + 3y = 8 を解きなさい。x を求めなさい。

2x − 3y = −56x + 3y = 8
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (6, 4, −6) と b = (−4, −1, 1) の内積 a·b を求めよ。

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

力 F = (−20, 60, −10) N が点 A(−2, 1, 3) に作用している。座標の単位はメートルである。 原点 O(0, 0, 0) まわりの力のモーメントの y 成分 My を求めよ。

F = (−20, 60, −10) NA(−2, 1, 3) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
7.積分ふつう
xy210

I = ∫210 2/x dx を計算しなさい。

f(x) = 2/x[2, 10]
I =
8.積分むずかしい
xy3y = 3xy = x²

直線 y = 3x と放物線 y = x² の間の領域を x 軸のまわりに回転させます。立体の体積 V を求めなさい。

y = 3xy = x²
V =
9.多変数の微分積分ふつう
xy2−1P

f(x, y) = −y·e−xy の (2, −1) での接平面を使って、f(2.2, −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) = −y·e−xy(a, b) = (2, −1)(x, y) = (2.2, −1.2)
L =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−505−202(3, 0)(−3, 0)

f(x, y) = −x³ + 27x − y² は (3, 0) に臨界点をもちます。そこでの判別式 D = fxxfyy − fxy² を計算してください。

f(x, y) = −x³ + 27x − y²P = (3, 0)
D =
11.数列と級数ふつう
xx₀ = 3??R

べき級数 Σk=1∞ (1/2)ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1) の収束半径 R を求めてください。

Σ (1/2)ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1)x₀ = 3
R =
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 0.0001 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 = 0.0001
n =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

F(s) = (3s + 2)/(s² + 8s + 16) の f(t) を求め、f(0.25) を計算せよ。

F(s) = (3s + 2)/(s² + 8s + 16)t = 0.25 s
f(0.25) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

ある系が y″ + 5y′ + 6y = 18·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) = 4 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.4) を求めよ。

y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.4 s
y(0.4) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t4h(t)t11

システムのインパルス応答は h(t) = e−1tu(t) です。入力はステップ x(t) = 4·u(t) です。t = 0.5 s での出力 y(0.5) を求めなさい。

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)0.5122−2

三角波が周期 T = 1 ms で −2 と +2 の間を直線的に上昇・下降します。1000 Hz のフーリエ成分の振幅 c1 を求めなさい。

±2T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 90.63 min

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。

冷却定数

k = ln(411/167)/45 = 0.02001 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(411/67)/0.02001 = 90.63 min

答え

t = 90.63 min
2.微分方程式

答え: y(1) = 1.235

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 = e0.5t
(e0.5ty)′ = 2e−1.5t

一般解

y = 2/(−1.5)·e−2t + C·e−0.5t = −1.333·e−2t + C·e−0.5t

初期条件

1 = −1.333 + C → C = 2.333

計算する

y(1) = −1.333·0.1353 + 2.333·0.6065 = 1.235

答え

y(1) = 1.235
3.行列と行列式

答え: c11 = −42

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

c11 = 6·(−6) + 2·(−3) = −42

答え

c11 = −42
4.行列と行列式

答え: x = 0.375

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 = 2·3 − (−3)·6 = 24

x の列を置き換える

det Aₓ = (−5)·3 − (−3)·8 = 9
x = 9/24 = 0.375

答え

x = 0.375
y = 1.917
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = −34

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.

対応する成分を掛けて足す

a·b = 6·(−4) + 4·(−1) + (−6)·1 = (−24) + (−4) + (−6) = −34

答え

a·b = −34

負:2 つのベクトルのなす角は 90° より大きい。

6.ベクトル:内積と外積

答え: My = −80 N·m

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.

O から A への位置ベクトル

r = A − O = (−2, 1, 3) − (0, 0, 0) = (−2, 1, 3) m

モーメント M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·(−10) − 3·60 = −190 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 3·(−20) − (−2)·(−10) = −80 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·60 − 1·(−20) = −100 N·m

求める成分

My = −80 N·m

答え

My = −80 N·m
7.積分

答え: I = 3.219

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) = 2·ln x

上端と下端を代入する

I = 2·(ln 10 − ln 2) = 2·ln 5 = 3.219

答え

I = 3.219
8.積分

答え: V = 101.8

回転体の体積:x = a から x = b までの y = f(x) の下の領域を x 軸のまわりに回転させると、x での断面が半径 f(x) の円板である立体ができます。円板を足し合わせると V = π∫ₐᵇ f(x)² dx になります。領域が外側の曲線 R(x) と内側の曲線 r(x) の間にあるときは、各スライスはワッシャー(円環)で、V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx です。引く前に半径を 2 乗しましょう。

交点

3x = 1x² → x = 0, x = 3

ワッシャー法

V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx

積分する

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32.4 = 101.8

答え

V = 101.8
9.多変数の微分積分

答え: L = 13.3

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(2, −1) = 7.389
fx = y²e−xy → fx(2, −1) = 7.389
fy = −e−xy(1 − xy) → fy(2, −1) = −22.17

接平面

z = 7.389 + 7.389(x − 2) − 22.17(y + 1)
z = 7.389x − 22.17y − 29.56

線形近似

L = 7.389 + 7.389·0.2 + (−22.17)·(−0.2) = 13.3

答え

L = 13.3

厳密な値は f = 16.815844 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: D = 36

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)。

2 階偏導関数

fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0

判別式

D = (−18)·(−2) − 0² = 36
→ 極大

答え

D = 36
11.数列と級数

答え: R = 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。

係数

ck/ck+1 = (1/(1/2))·(k + 2)/(k + 1) → 2

半径

R = 2

答え

R = 2

比判定法は 2 つの端点については何も教えてくれません。別に調べる必要があります。

12.数列と級数

答え: n = 9

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 × 10⁻⁵

n を増やしたときの評価値

n = 8: 0.0001059 ≥ 0.0001
n = 9: 1.589 × 10⁻⁵ < 0.0001

最小の次数

n = 9

答え

n = 9
13.ラプラス変換

答え: f(0.25) = 0.1839

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

部分分数展開

3s + 2 = 3(s + 4) + −10
F(s) = 3/(s + 4) − 10/(s + 4)²

逆変換

f(t) = 3·e−4t − 10·t·e−4t
f(0.25) = (3 − 10·0.25)·e−4·0.25 = 0.1839

答え

f(0.25) = 0.1839
14.ラプラス変換

答え: y(0.4) = 5.29

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 + 5s + 6)·Y(s) = 3s + 15 + 72/s
Y(s) = (3s² + 15s + 72)/(s(s + 2)(s + 3))

部分分数展開

A = 72/(2·3) = 12
B = 54/((−2)·1) = −27
C = 54/((−3)·(−1)) = 18

結果

y(t) = 12 − 27·e−2t + 18·e−3t
y(0.4) = 5.29

答え

y(0.4) = 5.29

検算:y(0) = A + B + C = 3。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(0.5) = 1.574

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) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)

計算する

y(0.5) = 4·(1 − e−0.5) = 1.574

答え

y(0.5) = 1.574
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c1 = 1.621

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 = 1000 Hz → k = 1

振幅

c1 = 8·2/(π²·1²) = 1.621

答え

c1 = 1.621

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