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″ + 4y′ + 4y = 0 を解きなさい。y(1.5) を求めなさい。

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(1.5) =
2.微分方程式むずかしい
xy12(1, −1)y(2) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + y/x = 6x、y(1) = −1 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + y/x = 6xy(1) = −1
y(2) =
3.行列と行列式ふつう
A =3−2−5530−223

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [3 −2 −5; 5 3 0; −2 2 3]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =3125b =−12−12

連立方程式 3x + y = −12、2x + 5y = −12 を解きなさい。x を求めなさい。

3x + y = −122x + 5y = −12
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (−2, −6, 0) の b = (2, −5, 1) 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 = (−2, −6, 0)b = (2, −5, 1)
compb a =
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 = (−4, 1, 3)、b = (0, 4, −5)、c = (−3, 4, 1) である平行六面体の体積 V を求めよ。

a = (−4, 1, 3)b = (0, 4, −5)c = (−3, 4, 1)
V =
7.積分ふつう
xy01

I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
8.積分むずかしい
xyy = x2​y = 4x

y = x2 と y = 4x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x2y = 4x
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−22P

f(x, y) = −x³y³ − 4x³ − 2y³ + xy の (−2, 2) での接平面を使って、f(−1.8, 2.2) を近似してください。線形近似 L を答えてください。

f(x, y) = −x³y³ − 4x³ − 2y³ + xy(a, b) = (−2, 2)(x, y) = (−1.8, 2.2)
L =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy の臨界点を求めて分類し、極小での f の値 fmin を答えてください。

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
11.数列と級数ふつう
xx₀ = 1??R

べき級数 Σk=1∞ (x − 1)ᵏ/(k²·(1/2)ᵏ) の収束半径 R を求めてください。

Σ (x − 1)ᵏ/(k²·(1/2)ᵏ)x₀ = 1
R =
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 0.5 で n 次のマクローリン多項式により近似します。M = 2 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 0.0001 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) = eˣx = 0.5M = 2ε = 0.0001
n =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 6)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(1) を計算せよ。

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 6))t = 1 s
f(1) =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

ある系が微分方程式 y″ + 6y′ + 8y = 2u′ + 13u 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 = 0.4 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.4) を求めよ。

y″ + 6y′ + 8y = 2u′ + 13ut = 0.4 s
g(0.4) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t10h(t)t1

入力 x(t) = 10·e−5tu(t) が、h(t) = e−4tu(t) のシステムに加えられます。t = 0.5 s での出力 y(0.5) を求めなさい。

x(t) = 10·e−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
2cos(5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 2·cos(5t) が、h(t) = 5·e−5tu(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) = 5e−5tu(t)x(t) = 2cos(5t)
φ = °

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1.5) = 0.2738

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 + 2)² = 0 → r = −2

定数

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 2 = 3

計算する

y(1.5) = (1 + 3·1.5)·e−3 = 0.2738

答え

y(1.5) = 0.2738
2.微分方程式

答え: y(2) = 6.5

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。

積分因子

μ = e∫1/x dx = x1

積分する

(x1y)′ = 6x2 → x1y = 6x3/3 + C

初期条件

−1 = 6/3 + C → C = −3

計算する

y(2) = (6·23/3 + (−3))/21 = 6.5

答え

y(2) = 6.5
3.行列と行列式

答え: det A = −23

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 = 15, M₁₃ = 16

余因子展開

det A = 3·9 − (−2)·15 + (−5)·16 = −23

答え

det A = −23
4.行列と行列式

答え: x = −3.692

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 = 3·5 − 1·2 = 13

x の列を置き換える

det Aₓ = (−12)·5 − 1·(−12) = −48
x = −48/13 = −3.692

答え

x = −3.692
y = −0.9231
5.ベクトル:内積と外積

答え: compb a = 4.747

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 = (−2)·2 + (−6)·(−5) + 0·1 = 26

b の長さ

|b| = √(2² + (−5)² + 1²) = 5.477

スカラー射影

compb a = a·b/|b| = 26/5.477 = 4.747

答え

compb a = 4.747
6.ベクトル:内積と外積

答え: V = 45

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 = 4·1 − (−5)·4 = 24
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·(−3) − 0·1 = 15
(b × c)z = bxcy − bycx = 0·4 − 4·(−3) = 12

a との内積

a·(b × c) = (−4)·24 + 1·15 + 3·12 = −45
V = |−45| = 45

答え

V = 45
7.積分

答え: I = 1.5

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 u1 du

積分して代入する

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1.5

答え

I = 1.5
8.積分

答え: A = 10.67

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。

交点

x2 = 4x → x = 0, x = 4

上から下を引いて積分する

A = [2x2 − 0.3333x3]04 = 10.67

答え

A = 10.67
9.多変数の微分積分

答え: L = 61.6

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(−2, 2) = 76
fx = −3x²y³ − 12x² + y → fx(−2, 2) = −142
fy = −3x³y² − 6y² + x → fy(−2, 2) = 70

接平面

z = 76 − 142(x + 2) + 70(y − 2)
z = −142x + 70y − 348

線形近似

L = 76 + (−142)·0.2 + 70·0.2 = 61.6

答え

L = 61.6

厳密な値は f = 60.171136 です。ステップが小さいので、平面は近い値になります。

10.多変数の微分積分

答え: fmin = −32

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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

2 階微分判定法

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → 鞍点
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → 極小
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → 極小

極値での値

f(−2, −2) = −32

答え

fmin = −32
11.数列と級数

答え: R = 0.5

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。

係数

ck/ck+1 = (1/2)·((k + 1)/k)² → 0.5

半径

R = 0.5

答え

R = 0.5

比判定法は 2 つの端点については何も教えてくれません。別に調べる必要があります。

12.数列と級数

答え: n = 5

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011120.25260.041673240.00520841200.000520857204.34 × 10⁻⁵

n を増やしたときの評価値

n = 4: 0.0005208 ≥ 0.0001
n = 5: 4.34 × 10⁻⁵ < 0.0001

最小の次数

n = 5

答え

n = 5
13.ラプラス変換

答え: f(1) = 3.261

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 + 6)
A = 35/(1·6) = 5.833
B = 35/((−1)·5) = −7
C = 35/((−6)·(−5)) = 1.167

逆変換

f(t) = 5.833 − 7·e−t + 1.167·e−6t

計算する

f(1) = 5.833 − 7·e−1 + 1.167·e−6·1 = 3.261

答え

f(1) = 3.261
14.ラプラス変換

答え: g(0.4) = 1.517

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) = (2s + 13)/(s² + 6s + 8)

部分分数展開

s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 4.5, B = −2.5

インパルス応答

g(t) = 4.5·e−2t − 2.5·e−4t
g(0.4) = 1.517

答え

g(0.4) = 1.517
15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(0.5) = 0.5325

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) = 10e−4t∫₀ᵗ e−(5 − 4)τ dτ = 10(e−4t − e−5t)/(1)

計算する

y(0.5) = 10·(0.1353 − 0.08208)/(1) = 0.5325

答え

y(0.5) = 0.5325
16.たたみ込みと LTI システム

答え: φ = −45 °

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) = 5/(5 + jω)

入力周波数での位相

φ = −atan(5/5) = −45°

答え

φ = −45°

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