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
t (min)T (°C)58Ta​46 °C164 °C

340 °C の鍛造鋼部品を 29 °C の作業場に置いて冷まします。 58 分後の温度は 46 °C です。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 開始から 164 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 340 °CTa = 29 °CT(58) = 46 °CT = 164 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
tyK = 2y(1) = ?

系が t ≥ 0 で y″ + 4y′ + 20y = 40 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。y(1) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.行列と行列式ふつう
A =32−3−3−53−31−5

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [3 2 −3; −3 −5 3; −3 1 −5]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =−6−1−54b =−58

連立方程式 −6x − y = −5、−5x + 4y = 8 を解きなさい。x を求めなさい。

−6x − y = −5−5x + 4y = 8
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzdFAB

一定の力 F = (−30, 5, −20) N が、点 A(2, −5, 3) から点 B(−2, −2, 4) 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 = (−30, 5, −20) NA(2, −5, 3) mB(−2, −2, 4) m
W = J
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 = (1, 1, −2) と b = (2, −4, 2) 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 = (1, 1, −2)b = (2, −4, 2)n̂z > 0
n̂x =
7.積分ふつう
xy2y = x

y = x の下の x = 0 から x = 2 までの領域を x 軸のまわりに回転させます。立体(円錐)の体積 V を求めなさい。

y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.積分むずかしい
xyy = 2x2​y = 4x

y = 2x2 と y = 4x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 2x2y = 4x
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−10.5∇fP

f(x, y) = −2x³e2y について、(−1, 0.5) 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) = −2x³e2yP = (−1, 0.5)
θ = °
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−20AB

印の付いた点は、f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y の臨界点です。極大をクリックしてください。

f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y
  1. 1A (1, −2)
  2. 2B (−1, −2)
11.数列と級数ふつう
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Σk=1∞ kᵏ/(3ᵏ·k!) に比判定法を適用してください。L = lim |ak+1/ak| を求めてください。

ak = kᵏ/(3ᵏ·k!)
L =
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ 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 = 8 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) = eˣx = 2M = 8ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (6s + 21)/(s² + 8s + 15) である。その逆変換は f(t) = A·e−3t + B·e−5t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (6s + 21)/(s² + 8s + 15)
A =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 5y′ + 4y = 6·u(t) に従う。系は静止状態(y(0) = 0、y′(0) = 0)から始まり、入力は t ≥ 0 で大きさ 10 のステップ u(t) である。ラプラス変換を用いて出力 y(0.25) を求めよ。

y″ + 5y′ + 4y = 6·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.25 s
y(0.25) =
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−6tu(t) が、h(t) = e−1tu(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) = 10·e−6tu(t)h(t) = e−1tu(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′ + 10y = 10xh(t)

システムは y′(t) + 10·y(t) = 10·x(t) に従います。t = 1 s でのインパルス応答 h(1) を求めなさい。

y′ + 10y = 10xt = 1 s
h(1) =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 16.65 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。

冷却定数

k = ln(311/17)/58 = 0.05011 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(311/135)/0.05011 = 16.65 min

答え

t = 16.65 min
2.微分方程式

答え: y(1) = 2.279

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 = 2, r = −2 ± 4j

初期値から求める定数

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

計算する

y(1) = 2·(1 − e−2(cos 4 + 0.5·sin 4)) = 2.279

答え

y(1) = 2.279
3.行列と行列式

答え: det A = 72

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 = 22, M₁₂ = 24, M₁₃ = −18

余因子展開

det A = 3·22 − 2·24 + (−3)·(−18) = 72

答え

det A = 72
4.行列と行列式

答え: x = 0.4138

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 − (−1)·(−5) = −29

x の列を置き換える

det Aₓ = (−5)·4 − (−1)·8 = −12
x = −12/(−29) = 0.4138

答え

x = 0.4138
y = 2.517
5.ベクトル:内積と外積

答え: W = 115 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 = (−2, −2, 4) − (2, −5, 3) = (−4, 3, 1) m

仕事

W = F·d = (−30)·(−4) + 5·3 + (−20)·1 = 115 J

答え

W = 115 J
6.ベクトル:内積と外積

答え: n̂x = 0.5774

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

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| = √((−6)² + (−6)² + (−6)²) = 10.39
n̂ = −(−6, −6, −6)/10.39 = (0.5774, 0.5774, 0.5774)
n̂x = 0.5774

答え

n̂x = 0.5774
7.積分

答え: V = 8.378

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。

円板法

V = π∫₀2 1x² dx

積分する

V = π·1·2³/3 = 8.378

答え

V = 8.378

確認:半径 2、高さ 2 の円錐は (1/3)πr²h = 8.378 です。

8.積分

答え: A = 2.667

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

2x2 = 4x → x = 0, x = 2

上から下を引いて積分する

A = [2x2 − 0.6667x3]02 = 2.667

答え

A = 2.667
9.多変数の微分積分

答え: θ = 146.3 °

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。

偏導関数

fx = −6x²e2y → fx(−1, 0.5) = −16.31
fy = −4x³e2y → fy(−1, 0.5) = 10.87

向き

θ = atan2(10.87, −16.31) = 146.3°

答え

θ = 146.3°
10.多変数の微分積分

答え: A (1, −2)

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 − 3) = 0
fy = −(2y + 4) = 0
(1, −2), (−1, −2)

2 階微分判定法

(1, −2): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → 極大
(−1, −2): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → 鞍点

その点

A (1, −2): 極大

答え

A (1, −2)
11.数列と級数

答え: L = 0.9061

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。

連続する項の比

|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/3 → e/3

結論

L = 0.9061 < 1

答え

L = 0.9061

L < 1 なので、級数は収束します。

12.数列と級数

答え: n = 14

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3245.33341202.13357200.7111650400.20327403200.0507983628800.01129936288000.00225710399168000.0004105114790016006.841 × 10⁻⁵1262270208001.052 × 10⁻⁵13871782912001.503 × 10⁻⁶1413076743680002.005 × 10⁻⁷

n を増やしたときの評価値

n = 13: 1.503 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 14: 2.005 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

最小の次数

n = 14

答え

n = 14
13.ラプラス変換

答え: A = 1.5

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 + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)

隠蔽法

(s + 3) を掛けて s = −3 とおくと、B の項は消えます。

A = (6s + 21)/(s + 5) |s = −3 = 3/2 = 1.5

答え

A = 1.5
(B = 4.5 なので、f(t) = 1.5·e−3t + 4.5·e−5t)
14.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 1.263

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

Y(s) = 60/(s(s + 1)(s + 4))

部分分数展開

A = 60/(1·4) = 15
B = 60/((−1)·3) = −20
C = 60/((−4)·(−3)) = 5

排泄量

y(t) = 15 − 20·e−t + 5·e−4t
y(0.25) = 1.263

答え

y(0.25) = 1.263
15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 0.7308

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−1t∫₀ᵗ e−(6 − 1)τ dτ = 10(e−1t − e−6t)/(5)

計算する

y(1) = 10·(0.3679 − 0.002479)/(5) = 0.7308

答え

y(1) = 0.7308
16.たたみ込みと LTI システム

答え: h(1) = 0.000454

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) = 10/(s + 10)

インパルス応答

h(t) = 10·e−10tu(t)
h(1) = 10·e−10 = 0.000454

答え

h(1) = 0.000454

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