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)12Ta​58 °C38 °C

89 °C のコーヒーを 21 °C の部屋に置いておきます。 12 分後の温度は 58 °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 38 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 89 °CTa = 21 °CT(12) = 58 °CT = 38 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
ty2y(2) = ?

y′ + 0.5y = 9e−3t、y(0) = 4 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + 0.5y = 9e−3ty(0) = 4
y(2) =
3.行列と行列式ふつう
A =−25−35B =−12−5−6

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 = [−2 5; −3 5]B = [−1 2; −5 −6]
c11 =
4.行列と行列式むずかしい
A =−11−77

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 1; −7 7]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzdFAB

一定の力 F = (30, 0, −30) N が、点 A(−3, 1, 0) から点 B(3, −5, −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, 0, −30) NA(−3, 1, 0) mB(3, −5, −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 = (−3, 3, −3) と b = (−1, 4, 1) 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 = (−3, 3, −3)b = (−1, 4, 1)n̂z > 0
n̂x =
7.積分ふつう
xy01

I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx を計算しなさい。

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

y = 2x2 と y = 2x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 2x2y = 2x
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy20.5P

f(x, y) = 3 sin(−3x + y) の (2, 0.5) での接平面を使って、f(1.8, 0.3) 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) = 3 sin(−3x + y)(a, b) = (2, 0.5)(x, y) = (1.8, 0.3)
L =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 3y = 3x39

y = 0、x = 3、y = 3x で囲まれた三角形 T 上で、I = ∬T (x + 4y) dA を計算してください。

f = x + 4y0 ≤ x ≤ 30 ≤ y ≤ 3x
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞BΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞

4 つの級数のうち、ちょうど 1 つが発散します。それをクリックしてください。

A: Σ 2ᵏ/k³B: Σ (3/4)ᵏC: Σ 10ᵏ/k!D: Σ 1/(2ᵏ + k)
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k³
  2. 2B: Σ (3/4)ᵏ
  3. 3C: Σ 10ᵏ/k!
  4. 4D: Σ 1/(2ᵏ + k)
12.数列と級数むずかしい

級数を見抜いて、その和を求めましょう:S = Σk=1∞ k·0.25ᵏ。

ak = k·0.25ᵏ
S =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−5−105

F(s) = (s + 13)/(s² + 2s + 37) の f(t) を平方完成によって求め、f(1) を計算せよ。

F(s) = (s + 13)/(s² + 2s + 37)t = 1 s
f(1) =
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″ + 8y′ + 12y = 48·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(0.25) を求めよ。

y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.25 s
y(0.25) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t11h(t)t22

パルス x(t) = 1(0 ≤ t < 1 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 2(0 ≤ t < 2 s、それ以外は 0)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) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 1 s
y(1) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
u[n]2+y[n]0.4·z⁻¹+

システムは y[n] = 0.4·y[n − 1] + 2·x[n] に従い、静止状態から始まります。入力は単位ステップ x[n] = u[n] です。y[4] を求めなさい。

y[n] = 0.4y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 27.33 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(68/37)/12 = 0.05072 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(68/17)/0.05072 = 27.33 min

答え

t = 27.33 min
2.微分方程式

答え: y(2) = 2.787

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 = e0.5t
(e0.5ty)′ = 9e−2.5t

一般解

y = 9/(−2.5)·e−3t + C·e−0.5t = −3.6·e−3t + C·e−0.5t

初期条件

4 = −3.6 + C → C = 7.6

計算する

y(2) = −3.6·0.002479 + 7.6·0.3679 = 2.787

答え

y(2) = 2.787
3.行列と行列式

答え: c11 = −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。

行 × 列

c11 = (−2)·(−1) + 5·(−5) = −23

答え

c11 = −23
4.行列と行列式

答え: λ = 6

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 + (0) = 0

解く

λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6

答え

λ = 6
5.ベクトル:内積と外積

答え: W = 300 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 = (3, −5, −4) − (−3, 1, 0) = (6, −6, −4) m

仕事

W = F·d = 30·6 + 0·(−6) + (−30)·(−4) = 300 J

答え

W = 300 J
6.ベクトル:内積と外積

答え: n̂x = −0.8111

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 = 3·1 − (−3)·4 = 15
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−1) − (−3)·1 = 6
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·4 − 3·(−1) = −9

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| = √(15² + 6² + (−9)²) = 18.49
n̂ = −(15, 6, −9)/18.49 = (−0.8111, −0.3244, 0.4867)
n̂x = −0.8111

答え

n̂x = −0.8111
7.積分

答え: I = 3.75

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 u3 du

積分して代入する

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3.75

答え

I = 3.75
8.積分

答え: A = 0.3333

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 = 2x → x = 0, x = 1

上から下を引いて積分する

A = [x2 − 0.6667x3]01 = 0.3333

答え

A = 0.3333
9.多変数の微分積分

答え: L = 2.967

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, 0.5) = 2.117
fx = −9 cos(−3x + y) → fx(2, 0.5) = −6.378
fy = 3 cos(−3x + y) → fy(2, 0.5) = 2.126

接平面

z = 2.117 − 6.378(x − 2) + 2.126(y − 0.5)
z = −6.378x + 2.126y + 13.81

線形近似

L = 2.117 + (−6.378)·(−0.2) + 2.126·(−0.2) = 2.967

答え

L = 2.967

厳密な値は f = 2.777444 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: I = 189

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)。

極限

0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 3x

内側の積分

∫03x (x + 4y) dy = x·3x + 4·(3x)²/2 = 21x²

外側の積分

I = 21·3³/3 = 189

答え

I = 189
11.数列と級数

答え: A: Σ 2ᵏ/k³

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 2ᵏ/k³ → 比判定法:L = 2 > 1 なので発散します。
B: Σ (3/4)ᵏ → r = 3/4 の等比級数で |r| < 1:収束します。
C: Σ 10ᵏ/k! → 比判定法:L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1 なので収束します。
D: Σ 1/(2ᵏ + k) → 収束する等比級数 (1/2)ᵏ より小さい:比較により収束します。

答え

A: Σ 2ᵏ/k³

答え

A: Σ 2ᵏ/k³
12.数列と級数

答え: S = 0.4444

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。

標準的な級数

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

代入する

x = 0.25
S = 0.25/(1 − 0.25)² = 0.4444

答え

S = 0.4444
13.ラプラス変換

答え: f(1) = 0.1476

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)。

平方完成する

s² + 2s + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²

分子を合わせる

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 6²) + (12/6)·6/((s + 1)² + 6²)

逆変換

f(t) = e−t·(cos 6t + 2·sin 6t)
f(1) = e−1·(cos(6·1) + 2·sin(6·1)) = 0.1476

答え

f(1) = 0.1476
14.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 4.834

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 + 240/s
Y(s) = (s² + 8s + 240)/(s(s + 2)(s + 6))

部分分数展開

A = 240/(2·6) = 20
B = 228/((−2)·4) = −28.5
C = 228/((−6)·(−4)) = 9.5

結果

y(t) = 20 − 28.5·e−2t + 9.5·e−6t
y(0.25) = 4.834

答え

y(0.25) = 4.834

検算:y(0) = A + B + C = 1。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 2

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, 1] → 長さ 1 s

積分

y(1) = 1·2·1 = 2

答え

y(1) = 2

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、2 を保ち、t = 3 s で 0 に戻ります。

16.たたみ込みと LTI システム

答え: y[4] = 3.299

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。

反復計算

y[0] = 2
y[1] = 2.8
y[2] = 3.12
y[3] = 3.248
y[4] = 3.299

結果

y[4] = 2·(1 − (0.4)5)/(1 − 0.4) = 3.299

答え

y[4] = 3.299

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