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(2) = ?

y(0) = 2、y′(0) = 4 として y″ + 2y′ + y = 0 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(2) =
2.微分方程式むずかしい
tyK = 5ymax​ = ?

系が t ≥ 0 で y″ + y′ + 9.25y = 46.25 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。ステップ応答のピーク値 ymax を求めなさい。

y″ + y′ + 9.25y = 46.25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.行列と行列式ふつう
A =5−1−3−6B =5−32−5

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 = [5 −1; −3 −6]B = [5 −3; 2 −5]
c12 =
4.行列と行列式むずかしい
A =−1−3−11

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

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

一定の力 F = (−15, −30, 25) N が、点 A(−5, −1, −2) から点 B(−1, 1, −5) まで直線上を動く物体に作用している。座標の単位はメートルである。この力がする仕事 W を求めよ。

F = (−15, −30, 25) NA(−5, −1, −2) mB(−1, 1, −5) m
W = J
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzabc

1 つの頂点から出る辺が a = (5, −2, 3)、b = (2, −3, 4)、c = (4, 3, 0) である平行六面体の体積 V を求めよ。

a = (5, −2, 3)b = (2, −3, 4)c = (4, 3, 0)
V =
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
xy2y = x²eˣ

I = ∫₀2 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.多変数の微分積分ふつう
xy024−6−4−20vP

f(x, y) = 2xy − 4x³ について、(2, −2) での v = (−1, −4) の方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = 2xy − 4x³P = (2, −2)v = (−1, −4)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyy = 1.2y = x1.21.2

積分 I = ∫01.2 ∫x1.2 ey² 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 = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 1.2
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ k²/2ᵏk = 1 … ∞BΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ 1/(3k + 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 k²/2ᵏB: Σ (k + 2)/k²C: Σ 2ᵏ/k³D: Σ 1/(3k + 1)
  1. 1A: Σ k²/2ᵏ
  2. 2B: Σ (k + 2)/k²
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k³
  4. 4D: Σ 1/(3k + 1)
12.数列と級数むずかしい

f(x) = cos x を、x = 1 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 × 10⁻⁶ 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 = 1M = 1ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.6f(0.6) = ?

F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 2)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.6) を計算せよ。

F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 2))t = 0.6 s
f(0.6) =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm−1−2−3−4−51

ある系が微分方程式 y″ + 6y′ + 5y = 4u′ + 14u 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 = 1.2 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(1.2) を求めよ。

y″ + 6y′ + 5y = 4u′ + 14ut = 1.2 s
g(1.2) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t24h(t)t12

パルス x(t) = 4(0 ≤ t < 2 s)を、h(t)、すなわち t = 0 の 2 から t = 1 s の 0 まで直線的に下がる三角形とたたみ込みます。y(t) = x(t) ∗ h(t) の下の面積 Ay を求めなさい。

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 2, h(1) = 0
Ay =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
2cos(3t)h(t) = 2e−2t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 2·cos(3t) が、h(t) = 2·e−2tu(t) のシステムに加えられます。定常出力の振幅 Ym を求めなさい。

h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 2cos(3t)
Ym =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(2) = 1.895

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 + 1)² = 0 → r = −1

定数

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 4 + 2 = 6

計算する

y(2) = (2 + 6·2)·e−2 = 1.895

答え

y(2) = 1.895
2.微分方程式

答え: ymax = 7.962

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 = −0.5 ± 3j

初期値から求める定数

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0.5A + 3B = 0 → B = −0.8333

ピーク

t = π/3 = 1.047
ymax = 5·(1 + e−0.5·π/3) = 7.962

答え

ymax = 7.962
3.行列と行列式

答え: c12 = −10

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 = 5·(−3) + (−1)·(−5) = −10

答え

c12 = −10
4.行列と行列式

答え: λ = 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。

固有方程式

λ² − (0)λ + (−4) = 0

解く

λ = (0 ± √(16))/2 → λ = −2, 2
λ = 2

答え

λ = 2
5.ベクトル:内積と外積

答え: W = −195 J

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.

変位

d = B − A = (−1, 1, −5) − (−5, −1, −2) = (4, 2, −3) m

仕事

W = F·d = (−15)·4 + (−30)·2 + 25·(−3) = −195 J

答え

W = −195 J

負の仕事:力はおもに運動に逆らって作用しています。

6.ベクトル:内積と外積

答え: V = 38

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−3)·0 − 4·3 = −12
(b × c)y = bzcx − bxcz = 4·4 − 2·0 = 16
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·3 − (−3)·4 = 18

a との内積

a·(b × c) = 5·(−12) + (−2)·16 + 3·18 = −38
V = |−38| = 38

答え

V = 38
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: I = 12.78

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

7.389·(2) − 1·2 = 12.78

答え

I = 12.78
9.多変数の微分積分

答え: Duf = 8.731

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 = 2y − 12x² → fx(2, −2) = −52
fy = 2x → fy(2, −2) = 4

単位ベクトル

|v| = √((−1)² + (−4)²) = 4.123
u = (−0.2425, −0.9701)

内積

Duf = (−52)·(−0.2425) + 4·(−0.9701) = 8.731

答え

Duf = 8.731
10.多変数の微分積分

答え: I = 1.61

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 ≤ 1.2

順序の入れ替え

I = ∫01.2 ∫0y ey² dx dy = ∫01.2 y·ey² dy

置換 u = y²

I = [ey²/2]01.2 = 1.61

答え

I = 1.61
11.数列と級数

答え: A: Σ k²/2ᵏ

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 k²/2ᵏ → 比判定法:L = 1/2 < 1 なので収束します。
B: 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。
C: Σ 2ᵏ/k³ → 比判定法:L = 2 > 1 なので発散します。
D: Σ 1/(3k + 1) → k が大きいと 1/(3k) のようにふるまいます。調和級数と比べると発散します。

答え

A: Σ k²/2ᵏ

答え

A: Σ k²/2ᵏ
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011120.5260.16673240.0416741200.00833357200.001389650400.00019847403202.48 × 10⁻⁵83628802.756 × 10⁻⁶936288002.756 × 10⁻⁷

n を増やしたときの評価値

n = 8: 2.756 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 9: 2.756 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

最小の次数

n = 9

答え

n = 9
13.ラプラス変換

答え: f(0.6) = 3.054

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 + 1) + C/(s + 2)
A = 30/(1·2) = 15
B = 30/((−1)·1) = −30
C = 30/((−2)·(−1)) = 15

逆変換

f(t) = 15 − 30·e−t + 15·e−2t

計算する

f(0.6) = 15 − 30·e−0.6 + 15·e−2·0.6 = 3.054

答え

f(0.6) = 3.054
14.ラプラス変換

答え: g(1.2) = 0.7567

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 + 14)/(s² + 6s + 5)

部分分数展開

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 2.5, B = 1.5

インパルス応答

g(t) = 2.5·e−t + 1.5·e−5t
g(1.2) = 0.7567

答え

g(1.2) = 0.7567
15.たたみ込みと LTI システム

答え: Ay = 8

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。

入力の面積

∫x dt = 4·2 = 8
∫h dt = ½·1·2 = 1

出力の面積

Ay = 8·1 = 8

答え

Ay = 8
16.たたみ込みと LTI システム

答え: Ym = 1.109

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。

周波数応答

H(jω) = 2/(2 + jω)

入力周波数でのゲイン

|H(j3)| = 2/√(2² + 3²) = 0.5547
Ym = 2·0.5547 = 1.109

答え

Ym = 1.109

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