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) = 2y(1) = ?

y(0) = 2、y′(0) = -2 として y″ + 6y′ + 9y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(1) =
2.微分方程式むずかしい
tyK = 5y(0.25) = ?

系が t ≥ 0 で y″ + 2y′ + 10y = 50 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。y(0.25) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 2y′ + 10y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.行列と行列式ふつう
A =0−2−45−124−3−3

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [0 −2 −4; 5 −1 2; 4 −3 −3]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =−316−4b =−1−8

連立方程式 −3x + y = −1、6x − 4y = −8 を解きなさい。x を求めなさい。

−3x + y = −16x − 4y = −8
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−4, 1, −2) と b = (−3, k, 0) が垂直になるような k の値を求めよ。

a = (−4, 1, −2)b = (−3, k, 0)
k =
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 = (5, 5, −3) と b = (2, 0, 1) 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 = (5, 5, −3)b = (2, 0, 1)n̂z > 0
n̂x =
7.積分ふつう
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
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
xy050246vP

f(x, y) = −3x³y + 2x³ + 3y² − xy について、(3, 3) 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) = −3x³y + 2x³ + 3y² − xyP = (3, 3)v = (−1, −3)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyy = 0.8y = x0.80.8

積分 I = ∫00.8 ∫x0.8 sin(y²) dy dx は、この順序では計算できません。積分の順序を入れ替えて計算してください。

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 0.8
I =
11.数列と級数ふつう
kSn​12345678910

和 S = Σk=128 1/(k(k + 1)) を求めてください。

ak = 1/(k(k + 1))n = 28
S =
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 1 で 3 次のマクローリン多項式で近似します。M = e1 = 2.718 としてラグランジュの誤差評価 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! を使い、誤差の最大値 |R₃| を求めてください。

f(x) = eˣn = 3x = 1M = 2.718
|R₃| =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

F(s) = 15/(s(s + 2)(s + 4)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.75) を計算せよ。

F(s) = 15/(s(s + 2)(s + 4))t = 0.75 s
f(0.75) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 6、y′(0) = 11 の条件で y″ + 7y′ + 6y = 0 を解き、y(0.4) を求めよ。

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 6y′(0) = 11t = 0.4 s
y(0.4) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t2h(t)t0.251

システムのインパルス応答は h(t) = e−4tu(t) です。入力はステップ x(t) = 2·u(t) です。t = 0.25 s での出力 y(0.25) を求めなさい。

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0.25 s
y(0.25) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)2481−1

三角波が周期 T = 4 ms で −1 と +1 の間を直線的に上昇・下降します。750 Hz のフーリエ成分の振幅 c3 を求めなさい。

±1T = 4 msf = 750 Hz
c3 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1) = 0.2987

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。

重根

(r + 3)² = 0 → r = −3

定数

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 6 = 4

計算する

y(1) = (2 + 4·1)·e−3 = 0.2987

答え

y(1) = 0.2987
2.微分方程式

答え: y(0.25) = 1.266

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。

定常値と根

yss = 5, r = −1 ± 3j

初期値から求める定数

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −1.667

計算する

y(0.25) = 5·(1 − e−0.25(cos 0.75 + 0.3333·sin 0.75)) = 1.266

答え

y(0.25) = 1.266
3.行列と行列式

答え: det A = −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。

第 1 行の 2×2 小行列式

M₁₁ = 9, M₁₂ = −23, M₁₃ = −11

余因子展開

det A = 0·9 − (−2)·(−23) + (−4)·(−11) = −2

答え

det A = −2
4.行列と行列式

答え: x = 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。

係数行列の行列式

det A = (−3)·(−4) − 1·6 = 6

x の列を置き換える

det Aₓ = (−1)·(−4) − 1·(−8) = 12
x = 12/6 = 2

答え

x = 2
y = 5
5.ベクトル:内積と外積

答え: k = −12

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 = 0

a·b = (−4)·(−3) + 1·k + (−2)·0 = 0
12 + 1·k = 0

k について解く

k = −12/1 = −12

答え

k = −12
6.ベクトル:内積と外積

答え: n̂x = −0.3188

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 = 5·1 − (−3)·0 = 5
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·2 − 5·1 = −11
(a × b)z = axby − aybx = 5·0 − 5·2 = −10

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| = √(5² + (−11)² + (−10)²) = 15.68
n̂ = −(5, −11, −10)/15.68 = (−0.3188, 0.7013, 0.6376)
n̂x = −0.3188

答え

n̂x = −0.3188
7.積分

答え: I = 41.33

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。

置換積分

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

積分して代入する

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41.33

答え

I = 41.33
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: Duf = 123.3

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。

その点での勾配

fx = −9x²y + 6x² − y → fx(3, 3) = −192
fy = −3x³ + 6y − x → fy(3, 3) = −66

単位ベクトル

|v| = √((−1)² + (−3)²) = 3.162
u = (−0.3162, −0.9487)

内積

Duf = (−192)·(−0.3162) + (−66)·(−0.9487) = 123.3

答え

Duf = 123.3
10.多変数の微分積分

答え: I = 0.09895

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)。

領域

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 0.8

順序の入れ替え

I = ∫00.8 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫00.8 y·sin(y²) dy

置換 u = y²

I = [−cos(y²)/2]00.8 = 0.09895

答え

I = 0.09895
11.数列と級数

答え: S = 0.9655

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。

部分分数展開

1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))

キャンセル

S = 1·(1 − 1/29) = 0.9655

答え

S = 0.9655
12.数列と級数

答え: |R₃| = 0.1133

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。

導関数の評価

M = e1 = 2.718

ラグランジュの評価

|R₃| ≤ 2.718·1⁴/4! = 0.1133

答え

|R₃| = 0.1133

真の誤差はもっと小さくなります:|f(1) − P₃(1)| = 0.05162。

13.ラプラス変換

答え: f(0.75) = 1.132

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 15/(2·4) = 1.875
B = 15/((−2)·2) = −3.75
C = 15/((−4)·(−2)) = 1.875

逆変換

f(t) = 1.875 − 3.75·e−2t + 1.875·e−4t

計算する

f(0.75) = 1.875 − 3.75·e−2·0.75 + 1.875·e−4·0.75 = 1.132

答え

f(0.75) = 1.132
14.ラプラス変換

答え: y(0.4) = 5.993

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

s²Y − 6s − 11 + 7(sY − 6) + 6Y = 0
Y(s) = (6s + 53)/((s + 1)(s + 6))

部分分数展開

A = 47/5 = 9.4
B = 17/(−5) = −3.4

結果

y(t) = 9.4·e−t − 3.4·e−6t
y(0.4) = 5.993

答え

y(0.4) = 5.993

検算:y(0) = A + B = 6。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(0.25) = 0.3161

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) = 2·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (2/4)·(1 − e−4t)

計算する

y(0.25) = 0.5·(1 − e−1) = 0.3161

答え

y(0.25) = 0.3161
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c3 = 0.09006

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 = 250 Hz → k = 3

振幅

c3 = 8·1/(π²·3²) = 0.09006

答え

c3 = 0.09006

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