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)58Ta​T = ?

340 °C の鍛造鋼部品を 21 °C の作業場に置いて冷まします。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.02 min⁻¹ として、58 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 340 °CTa = 21 °Ck = 0.02 min⁻¹t = 58 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)75 minm = ?

タンクに純水が 400 L 入っています。 1 L あたり 0.25 kg の塩を含む塩水が 5 L/min で流入し、よく混ざった溶液が同じ流量で流出します。 75 分後にタンク内にある塩の量 m を求めなさい。

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0.25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.行列と行列式ふつう
A =22−5−2B =−3462

示された行列について C = AB とします。成分 c12(第 1 行、第 2 列)を求めなさい。

A = [2 2; −5 −2]B = [−3 4; 6 2]
c12 =
4.行列と行列式むずかしい
A =−6−2−5−4b =−34

連立方程式 −6x − 2y = −3、−5x − 4y = 4 を解きなさい。x を求めなさい。

−6x − 2y = −3−5x − 4y = 4
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (5, −7, 7) と b = (2, 2, −7) の内積 a·b を求めよ。

a = (5, −7, 7)b = (2, 2, −7)
a·b =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

a = (−4, 2, −6)、b = (1, 5, 6) のとき、外積 a × b の y 成分 (a × b)y を求めよ。

a = (−4, 2, −6)b = (1, 5, 6)
(a × b)y =
7.積分ふつう
xy14y = x ln x

I = ∫₁4 x·ln x dx を計算しなさい。

∫₁4 x ln x dx
I =
8.積分むずかしい
xy1.667y = 5xy = 3x²

直線 y = 5x と放物線 y = 3x² 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 = 5xy = 3x²
V =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−3−2−101−202vP

f(x, y) = ln(x² + 4y²) について、(−1, −1) での v = (−1, 3) の方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = ln(x² + 4y²)P = (−1, −1)v = (−1, 3)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy1

極座標を使って、I = ∬R √(x² + y²) dA を計算してください。R は 円板 x² + y² ≤ 1 の第 1 象限の 4 分の 1 です。

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k² + 1)k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ (3k + 1)/(k + 2)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 (3/5)ᵏB: Σ 1/(k² + 1)C: Σ (−1)ᵏ/√kD: Σ (3k + 1)/(k + 2)
  1. 1A: Σ (3/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(k² + 1)
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/√k
  4. 4D: Σ (3k + 1)/(k + 2)
12.数列と級数むずかしい

a = 1 のまわりでの f(x) = ∛x のテイラー級数で、(x − 1)⁴ の係数 c₄ を求めてください。

f(x) = ∛xa = 1k = 4
c₄ =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 6)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 6))t = 0.2 s
f(0.2) =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm5

ある系が微分方程式 y″ + 4y′ + 29y = 4u′ + 11u で表される(入力 u(t)、出力 y(t))。その伝達関数 G(s) = Y(s)/U(s)(初期条件はゼロ)を求め、t = 0.5 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.5) を求めよ。

y″ + 4y′ + 29y = 4u′ + 11ut = 0.5 s
g(0.5) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t25h(t)t15

信号 x(t) は t = 2 s から t = 5 s の間だけ、h(t) は t = 1 s から t = 5 s の間だけ 0 でない値をとります。y(t) = x(t) ∗ h(t) の持続時間 D を求めなさい。

x: 2 … 5 sh: 1 … 5 s
D = s
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
δ(t)y′ + 5y = 10xh(t)

システムは y′(t) + 5·y(t) = 10·x(t) に従います。t = 0.05 s でのインパルス応答 h(0.05) を求めなさい。

y′ + 5y = 10xt = 0.05 s
h(0.05) =

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 121 °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) = 21 + 319·e−0.02t

t を代入する

T(58) = 21 + 319·0.3135 = 121 °C

答え

T = 121 °C
2.微分方程式

答え: m = 60.84 kg

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。

方程式を立てる

dm/dt = 5·0.25 − (5/400)·m = 1.25 − 0.0125·m

解く

積分因子は ert/V で、解は平衡量 c·V に近づきます。

m(t) = 100 + (−100)·e−t/80

t を代入する

m(75) = 100 + (−100)·0.3916 = 60.84 kg

答え

m = 60.84 kg
3.行列と行列式

答え: c12 = 12

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

c12 = 2·4 + 2·2 = 12

答え

c12 = 12
4.行列と行列式

答え: x = 1.429

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 = (−6)·(−4) − (−2)·(−5) = 14

x の列を置き換える

det Aₓ = (−3)·(−4) − (−2)·4 = 20
x = 20/14 = 1.429

答え

x = 1.429
y = −2.786
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = −53

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 = 5·2 + (−7)·2 + 7·(−7) = 10 + (−14) + (−49) = −53

答え

a·b = −53

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: (a × b)y = 18

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 = 2·6 − (−6)·5 = 42
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·1 − (−4)·6 = 18
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·5 − 2·1 = −22

求める成分

(a × b)y = 18

答え

(a × b)y = 18

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 = 7.34

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

原始関数

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

極限

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0.25) = 7.34

答え

I = 7.34
8.積分

答え: V = 48.48

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

5x = 3x² → x = 0, x = 1.667

ワッシャー法

V = π∫₀1.667 ((5x)² − (3x²)²) dx

積分する

V = π(25·1.667³/3 − 9·1.667⁵/5) = π·15.43 = 48.48

答え

V = 48.48
9.多変数の微分積分

答え: Duf = −1.391

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。

その点での勾配

fx = 2x/(x² + 4y²) → fx(−1, −1) = −0.4
fy = 8y/(x² + 4y²) → fy(−1, −1) = −1.6

単位ベクトル

|v| = √((−1)² + 3²) = 3.162
u = (−0.3162, 0.9487)

内積

Duf = (−0.4)·(−0.3162) + (−1.6)·0.9487 = −1.391

答え

Duf = −1.391
10.多変数の微分積分

答え: I = 0.5236

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)。

極形式

I = ∫0π/2 ∫01 r·r dr dθ

積分する

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 0.5236

答え

I = 0.5236
11.数列と級数

答え: D: Σ (3k + 1)/(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 (3/5)ᵏ → r = 3/5 の等比級数で |r| < 1:収束します。
B: Σ 1/(k² + 1) → 収束する p 級数 1/k² より小さい:比較により収束します。
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 (3k + 1)/(k + 2) → 項は 0 ではなく 3 に近づきます:第 n 項判定法により発散します。

答え

D: Σ (3k + 1)/(k + 2)

答え

D: Σ (3k + 1)/(k + 2)
12.数列と級数

答え: c₄ = −0.04115

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。

導関数 f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −0.9877·x1/3 − 4

係数

c₄ = −0.9877·11/3 − 4/4! = −0.04115
c₄ = −0.04115

答え

c₄ = −0.04115
13.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 0.3393

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)。

部分分数展開

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)
A = 30/(3·6) = 1.667
B = 30/((−3)·3) = −3.333
C = 30/((−6)·(−3)) = 1.667

逆変換

f(t) = 1.667 − 3.333·e−3t + 1.667·e−6t

計算する

f(0.2) = 1.667 − 3.333·e−3·0.2 + 1.667·e−6·0.2 = 0.3393

答え

f(0.2) = 0.3393
14.ラプラス変換

答え: g(0.5) = −1.047

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)。

伝達関数

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 11)/(s² + 4s + 29)

部分分数展開

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 5²
G(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (3/5)·5/((s + 2)² + 5²)

インパルス応答

g(t) = e−2t·(4·cos 5t + 0.6·sin 5t)
g(0.5) = −1.047

答え

g(0.5) = −1.047
15.たたみ込みと LTI システム

答え: D = 7 s

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。

始まりと終わり

tstart = 2 + 1 = 3 s
tend = 5 + 5 = 10 s

答え

D = 7 s

答え

D = 7 s
16.たたみ込みと LTI システム

答え: h(0.05) = 7.788

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。

伝達関数

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 5)

インパルス応答

h(t) = 10·e−5tu(t)
h(0.05) = 10·e−0.25 = 7.788

答え

h(0.05) = 7.788

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