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) = 3y(1) = ?

y(0) = 3、y′(0) = 4 として y″ + 4y′ + 3y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(1) =
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)t = ?16 kg

タンクに純水が 100 L 入っています。 1 L あたり 0.2 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。 タンク内の塩が 16 kg になるのは何分後 t ですか?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0.2 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.行列と行列式ふつう
A =100−4B =60−4−4

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 0; 0 −4]B = [6 0; −4 −4]
c22 =
4.行列と行列式むずかしい
A =2134

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [2 1; 3 4]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (5, −7, 0) の b = (2, −2, −2) 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 = (5, −7, 0)b = (2, −2, −2)
compb a =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

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

a = (−4, 1, 1)b = (2, 2, 1)
(a × b)y =
7.積分ふつう
xy01

I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.積分むずかしい
xy1y = 3xy = 3x²

直線 y = 3x 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 = 3xy = 3x²
V =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−2−2∇fP

f(x, y) = −2x²y³ + 2x² + y³ + 4xy について、(−2, −2) 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) = −2x²y³ + 2x² + y³ + 4xyP = (−2, −2)
θ = °
10.多変数の微分積分むずかしい
xy1.51

極座標を使って、I = ∬R (x² + y²) dA を計算してください。R は 円環 1 ≤ x² + y² ≤ 2.25 です。

f = x² + y²1 ≤ r ≤ 1.50 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ k/(k + 9)k = 1 … ∞BΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ 1/(k(k + 1))k = 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 k/(k + 9)B: Σ k!/10ᵏC: Σ ln k / kD: Σ 1/(k(k + 1))
  1. 1A: Σ k/(k + 9)
  2. 2B: Σ k!/10ᵏ
  3. 3C: Σ ln k / k
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 1))
12.数列と級数むずかしい

f(x) = sin x を、x = 2 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) = sin xx = 2M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.5f(0.5) = ?

F(s) = (s + 21)/(s² + 2s + 1) の f(t) を求め、f(0.5) を計算せよ。

F(s) = (s + 21)/(s² + 2s + 1)t = 0.5 s
f(0.5) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

ある系が y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t) に従い、y(0) = 1、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 5 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.6) を求めよ。

y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.6 s
y(0.6) =
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−2tu(t) のシステムに加えられます。t = 1 s での出力 y(1) を求めなさい。

x(t) = 2·e−4tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
δ(t)y′ + 2y = 3xh(t)

システムは y′(t) + 2·y(t) = 3·x(t) に従います。t = 0.5 s でのインパルス応答 h(0.5) を求めなさい。

y′ + 2y = 3xt = 0.5 s
h(0.5) =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1) = 2.217

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 + 3) = 0 → r = −1, −3

初期値から求める定数

A + B = 3, −1A − 3B = 4
A = 6.5, B = −3.5

計算する

y(1) = 6.5·e−1 + (−3.5)·e−3 = 2.217

答え

y(1) = 2.217
2.微分方程式

答え: t = 32.19 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。

結果

m(t) = 20 + (−20)·e−t/20

t について解く

e−t/20 = (20 − 16)/(20 − 0) = 0.2
t = 20·ln(5) = 32.19 min

答え

t = 32.19 min
3.行列と行列式

答え: c22 = 16

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 = 0·0 + (−4)·(−4) = 16

答え

c22 = 16
4.行列と行列式

答え: λ = 5

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 − (6)λ + (5) = 0

解く

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

答え

λ = 5
5.ベクトル:内積と外積

答え: compb a = 6.928

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 = 5·2 + (−7)·(−2) + 0·(−2) = 24

b の長さ

|b| = √(2² + (−2)² + (−2)²) = 3.464

スカラー射影

compb a = a·b/|b| = 24/3.464 = 6.928

答え

compb a = 6.928
6.ベクトル:内積と外積

答え: (a × b)y = 6

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 = 1·1 − 1·2 = −1
(a × b)y = azbx − axbz = 1·2 − (−4)·1 = 6
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·2 − 1·2 = −10

求める成分

(a × b)y = 6

答え

(a × b)y = 6

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 = 2.333

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 = ∫12 u2 du

積分して代入する

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2.333

答え

I = 2.333
8.積分

答え: V = 3.77

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 = 3x² → x = 0, x = 1

ワッシャー法

V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx

積分する

V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1.2 = 3.77

答え

V = 3.77
9.多変数の微分積分

答え: θ = −131 °

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 = −4xy³ + 4x + 4y → fx(−2, −2) = −80
fy = −6x²y² + 3y² + 4x → fy(−2, −2) = −92

向き

θ = atan2(−92, −80) = −131°

答え

θ = −131°
10.多変数の微分積分

答え: I = 6.381

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 = ∫02π ∫11.5 r²·r dr dθ

積分する

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 6.381

答え

I = 6.381
11.数列と級数

答え: D: Σ 1/(k(k + 1))

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 k/(k + 9) → 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。
B: Σ k!/10ᵏ → 比判定法:L = lim (k + 1)/10 = ∞ なので発散します。
C: Σ ln k / k → k ≥ 3 で 1/k より大きい:調和級数との比較により発散します。
D: Σ 1/(k(k + 1)) → 1/k² より小さい:比較により収束します。

答え

D: Σ 1/(k(k + 1))

答え

D: Σ 1/(k(k + 1))
12.数列と級数

答え: n = 11

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012122261.3333240.666741200.266757200.08889650400.02547403200.00634983628800.001411936288000.000282210399168005.131 × 10⁻⁵114790016008.551 × 10⁻⁶

n を増やしたときの評価値

n = 10: 5.131 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 11: 8.551 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

最小の次数

n = 11

答え

n = 11
13.ラプラス変換

答え: f(0.5) = 6.672

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

部分分数展開

s + 21 = 1(s + 1) + 20
F(s) = 1/(s + 1) + 20/(s + 1)²

逆変換

f(t) = e−t + 20·t·e−t
f(0.5) = (1 + 20·0.5)·e−0.5 = 6.672

答え

f(0.5) = 6.672
14.ラプラス変換

答え: y(0.6) = 8.866

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) = 1s + 8 + 180/s
Y(s) = (s² + 8s + 180)/(s(s + 2)(s + 6))

部分分数展開

A = 180/(2·6) = 15
B = 168/((−2)·4) = −21
C = 168/((−6)·(−4)) = 7

結果

y(t) = 15 − 21·e−2t + 7·e−6t
y(0.6) = 8.866

答え

y(0.6) = 8.866

検算:y(0) = A + B + C = 1。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 0.117

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

計算する

y(1) = 2·(0.1353 − 0.01832)/(2) = 0.117

答え

y(1) = 0.117
16.たたみ込みと LTI システム

答え: h(0.5) = 1.104

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) = 3/(s + 2)

インパルス応答

h(t) = 3·e−2tu(t)
h(0.5) = 3·e−1 = 1.104

答え

h(0.5) = 1.104

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