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) = 1y(1.5) = ?

y(0) = 1、y′(0) = -1 として y″ + 8y′ + 16y = 0 を解きなさい。y(1.5) を求めなさい。

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(1.5) =
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)5 minm = ?

タンクに純水が 100 L 入っています。 1 L あたり 0.1 kg の塩を含む塩水が 10 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。 5 分後にタンク内にある塩の量 m を求めなさい。

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0.1 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.行列と行列式ふつう
A =62−5−2B =−5−5−11

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; −5 −2]B = [−5 −5; −1 1]
c11 =
4.行列と行列式むずかしい
A =−6−324b =−9−7

連立方程式 −6x − 3y = −9、2x + 4y = −7 を解きなさい。x を求めなさい。

−6x − 3y = −92x + 4y = −7
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−1, −5, −2) と b = (−4, k, −3) が垂直になるような k の値を求めよ。

a = (−1, −5, −2)b = (−4, k, −3)
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 = (−2, −5, −3) と b = (−4, −5, 3) の両方に垂直で、z 成分が正である。その y 成分 n̂y を求めよ。

a = (−2, −5, −3)b = (−4, −5, 3)n̂z > 0
n̂y =
7.積分ふつう
xy13y = x ln x

I = ∫₁3 x·ln x dx を計算しなさい。

∫₁3 x ln x dx
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
xy0.51P

(x, y) = (0.5, 1) の点での z = −y·e2xy の接平面は、z = px + qy + c と書けます。c を求めてください。

f(x, y) = −y·e2xy(a, b) = (0.5, 1)
c =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−20−2−101AB

印の付いた点は、f(x, y) = x³ + y³ + 3xy の臨界点です。鞍点をクリックしてください。

f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
  1. 1A (−1, −1)
  2. 2B (0, 0)
11.数列と級数ふつう
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Σk=1∞ ((3k + 3)/(5k + 1))ᵏ に根判定法を適用してください。L = lim |ak|1/k を求めてください。

ak = ((3k + 3)/(5k + 1))ᵏ
L =
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 0.8 で 3 次のマクローリン多項式で近似します。M = e0.8 = 2.226 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 = 0.8M = 2.226
|R₃| =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 2)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(1) を計算せよ。

F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 2))t = 1 s
f(1) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.8y(0.8) = ?

ある系が y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t) に従い、y(0) = 4、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 2 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.8) を求めよ。

y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.8 s
y(0.8) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t22h(t)t42

パルス x(t) = 2(0 ≤ t < 2 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 2(0 ≤ t < 4 s、それ以外は 0)のシステムに加えられます。t = 2 s での出力 y(2) を求めなさい。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 2 s
y(2) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
10cos(6t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 10·cos(6t) が、h(t) = 10·e−2tu(t) のシステムに加えられます。入力に対する定常出力の位相 φ を、度で求めなさい。

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 10cos(6t)
φ = °

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1.5) = 0.01363

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 + 4)² = 0 → r = −4

定数

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 4 = 3

計算する

y(1.5) = (1 + 3·1.5)·e−6 = 0.01363

答え

y(1.5) = 0.01363
2.微分方程式

答え: m = 3.935 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 = 10·0.1 − (10/100)·m = 1 − 0.1·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) = 10 + (−10)·e−t/10

t を代入する

m(5) = 10 + (−10)·0.6065 = 3.935 kg

答え

m = 3.935 kg
3.行列と行列式

答え: c11 = −32

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·(−5) + 2·(−1) = −32

答え

c11 = −32
4.行列と行列式

答え: x = 3.167

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 − (−3)·2 = −18

x の列を置き換える

det Aₓ = (−9)·4 − (−3)·(−7) = −57
x = −57/(−18) = 3.167

答え

x = 3.167
y = −3.333
5.ベクトル:内積と外積

答え: k = 2

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 = (−1)·(−4) + (−5)·k + (−2)·(−3) = 0
10 + (−5)·k = 0

k について解く

k = −10/(−5) = 2

答え

k = 2
6.ベクトル:内積と外積

答え: n̂y = −0.4947

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)·3 − (−3)·(−5) = −30
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−4) − (−2)·3 = 18
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·(−5) − (−5)·(−4) = −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| = √((−30)² + 18² + (−10)²) = 36.39
n̂ = −(−30, 18, −10)/36.39 = (0.8245, −0.4947, 0.2748)
n̂y = −0.4947

答え

n̂y = −0.4947
7.積分

答え: I = 2.944

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

(4.5·ln 3 − 2.25) − (0 − 0.25) = 2.944

答え

I = 2.944
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: c = 5.437

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(0.5, 1) = −2.718
fx = −2y²e2xy → fx(0.5, 1) = −5.437
fy = −e2xy(1 + 2xy) → fy(0.5, 1) = −5.437

接平面

z = −2.718 − 5.437(x − 0.5) − 5.437(y − 1)
z = −5.437x − 5.437y + 5.437

定数項

c = 5.437

答え

c = 5.437
10.多変数の微分積分

答え: B (0, 0)

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)。

臨界点

fx = 0 と fy = 0 を同時に解きましょう。

fx = 3x² + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)

2 階微分判定法

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → 鞍点
(−1, −1): fxx = −6, fyy = −6, fxy = 3, D = 27 → 極大

その点

B (0, 0): 鞍点

答え

B (0, 0)
11.数列と級数

答え: L = 0.6

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。

項の累乗根

|ak|1/k = (3k + 3)/(5k + 1) → 3/5

結論

L = 0.6 < 1

答え

L = 0.6

L < 1 なので、級数は収束します。

12.数列と級数

答え: |R₃| = 0.03798

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 = e0.8 = 2.226

ラグランジュの評価

|R₃| ≤ 2.226·0.8⁴/4! = 0.03798

答え

|R₃| = 0.03798

真の誤差はもっと小さくなります:|f(0.8) − P₃(0.8)| = 0.02021。

13.ラプラス変換

答え: f(1) = 2.997

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 = 15/(1·2) = 7.5
B = 15/((−1)·1) = −15
C = 15/((−2)·(−1)) = 7.5

逆変換

f(t) = 7.5 − 15·e−t + 7.5·e−2t

計算する

f(1) = 7.5 − 15·e−1 + 7.5·e−2·1 = 2.997

答え

f(1) = 2.997
14.ラプラス変換

答え: y(0.8) = 3.394

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 + 3s + 2)·Y(s) = 4s + 12 + 4/s
Y(s) = (4s² + 12s + 4)/(s(s + 1)(s + 2))

部分分数展開

A = 4/(1·2) = 2
B = −4/((−1)·1) = 4
C = −4/((−2)·(−1)) = −2

結果

y(t) = 2 + 4·e−t − 2·e−2t
y(0.8) = 3.394

答え

y(0.8) = 3.394

検算:y(0) = A + B + C = 4。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(2) = 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。

反転したパルスとの重なり

h(t − τ) は、h のパルスを反転し、τ = t で終わるようにずらしたものです。

τ ∈ [0, 2] → 長さ 2 s

積分

y(2) = 2·2·2 = 8

答え

y(2) = 8

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、8 を保ち、t = 6 s で 0 に戻ります。

16.たたみ込みと LTI システム

答え: φ = −71.57 °

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) = 10/(2 + jω)

入力周波数での位相

φ = −atan(6/2) = −71.57°

答え

φ = −71.57°

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