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)19Ta​T = ?

92 °C のコーヒーを 18 °C の部屋に置いておきます。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.1 min⁻¹ として、19 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 92 °CTa = 18 °Ck = 0.1 min⁻¹t = 19 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)15 minm = ?

タンクに、塩 5 kg を溶かした水が 1000 L 入っています。 1 L あたり 0.05 kg の塩を含む塩水が 20 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。 15 分後にタンク内にある塩の量 m を求めなさい。

V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0.05 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
3.行列と行列式ふつう
A =544−5−1−1−3−14

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [5 4 4; −5 −1 −1; −3 −1 4]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =4−15−2

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [4 −1; 5 −2]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (0, 3, 3) と b = (−1, −5, 6) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (0, 3, 3)b = (−1, −5, 6)
θ = °
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzABC

頂点 A(4, 4, 4)、B(−1, −3, −1)、C(−1, 4, −2) をもつ三角形の面積 A を求めよ。座標の単位はメートルである。

A(4, 4, 4)B(−1, −3, −1)C(−1, 4, −2)
A = m²
7.積分ふつう
xy03

I = ∫03 e0.5x dx を計算しなさい。

f(x) = e0.5x[0, 3]
I =
8.積分むずかしい
xyy = x2​y = x

y = x2 と y = x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x2y = x
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy0.52P

(x, y) = (0.5, 2) の点での z = 2 sin(−x + y) 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) = 2 sin(−x + y)(a, b) = (0.5, 2)
c =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyy = 1.5y = x1.51.5

積分 I = ∫01.5 ∫x1.5 sin(y²) 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 = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1.5
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞BΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ (2/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/√kk = 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 1/(k(k + 4))B: Σ (4/3)ᵏC: Σ (2/3)ᵏD: Σ (−1)ᵏ/√k
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 4))
  2. 2B: Σ (4/3)ᵏ
  3. 3C: Σ (2/3)ᵏ
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/√k
12.数列と級数むずかしい

f(x) = cos x を、x = 1.5 で 4 次のマクローリン多項式で近似します。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、誤差の最大値 |R₄| を求めてください。

f(x) = cos xn = 4x = 1.5M = 1
|R₄| =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm5

F(s) = (4s + 10)/(s² + 2s + 26) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.1) を計算せよ。

F(s) = (4s + 10)/(s² + 2s + 26)t = 0.1 s
f(0.1) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 7、y′(0) = −11 の条件で y″ + 5y′ + 6y = 0 を解き、y(0.5) を求めよ。

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 7y′(0) = −11t = 0.5 s
y(0.5) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t21h(t)t12

パルス x(t) = 1(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) = 1, 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
x(t)t (ms)0.5121

方形波が周期 T = 1 ms で 1 と 0 の間を切り替わります(各レベルに周期の半分ずつとどまります)。5000 Hz のフーリエ成分の振幅 c5 を求めなさい。

0 … 1T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 29.07 °C

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。

冷却法則の解

T(t) = 18 + 74·e−0.1t

t を代入する

T(19) = 18 + 74·0.1496 = 29.07 °C

答え

T = 29.07 °C
2.微分方程式

答え: m = 16.66 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 = 20·0.05 − (20/1000)·m = 1 − 0.02·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) = 50 + (−45)·e−t/50

t を代入する

m(15) = 50 + (−45)·0.7408 = 16.66 kg

答え

m = 16.66 kg
3.行列と行列式

答え: det A = 75

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 = −5, M₁₂ = −23, M₁₃ = 2

余因子展開

det A = 5·(−5) − 4·(−23) + 4·2 = 75

答え

det A = 75
4.行列と行列式

答え: λ = 3

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 − (2)λ + (−3) = 0

解く

λ = (2 ± √(16))/2 → λ = −1, 3
λ = 3

答え

λ = 3
5.ベクトル:内積と外積

答え: θ = 84.85 °

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 = 0·(−1) + 3·(−5) + 3·6 = 3

大きさ

|a| = √(0² + 3² + 3²) = 4.243
|b| = √((−1)² + (−5)² + 6²) = 7.874

位相角

cos θ = 3/(4.243·7.874) = 0.0898
θ = arccos(0.0898) = 84.85°

答え

θ = 84.85°
6.ベクトル:内積と外積

答え: A = 27.45 m²

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.

辺ベクトル

AB = B − A = (−5, −7, −5)
AC = C − A = (−5, 0, −6)

外積

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−7)·(−6) − (−5)·0 = 42
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−5)·(−5) − (−5)·(−6) = −5
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−5)·0 − (−7)·(−5) = −35
|AB × AC| = √(42² + (−5)² + (−35)²) = 54.9

三角形の面積

A = ½·54.9 = 27.45 m²

答え

A = 27.45 m²
7.積分

答え: I = 6.963

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。

原始関数

F(x) = e0.5x/0.5

上端と下端を代入する

I = (e1.5 − 1)/0.5 = (4.482 − 1)/0.5 = 6.963

答え

I = 6.963
8.積分

答え: A = 0.1667

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 = x → x = 0, x = 1

上から下を引いて積分する

A = [0.5x2 − 0.3333x3]01 = 0.1667

答え

A = 0.1667
9.多変数の微分積分

答え: c = 1.783

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, 2) = 1.995
fx = −2 cos(−x + y) → fx(0.5, 2) = −0.1415
fy = 2 cos(−x + y) → fy(0.5, 2) = 0.1415

接平面

z = 1.995 − 0.1415(x − 0.5) + 0.1415(y − 2)
z = −0.1415x + 0.1415y + 1.783

定数項

c = 1.783

答え

c = 1.783
10.多変数の微分積分

答え: I = 0.8141

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 ≤ 1.5

順序の入れ替え

I = ∫01.5 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫01.5 y·sin(y²) dy

置換 u = y²

I = [−cos(y²)/2]01.5 = 0.8141

答え

I = 0.8141
11.数列と級数

答え: B: Σ (4/3)ᵏ

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 1/(k(k + 4)) → 1/k² より小さい:比較により収束します。
B: Σ (4/3)ᵏ → r = 4/3 > 1 の等比級数:項が大きくなるので発散します。
C: Σ (2/3)ᵏ → r = 2/3 の等比級数で |r| < 1:収束します。
D: Σ (−1)ᵏ/√k → 交代級数で、1/√k が 0 に減少します:(条件)収束します。

答え

B: Σ (4/3)ᵏ

答え

B: Σ (4/3)ᵏ
12.数列と級数

答え: |R₄| = 0.06328

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 = 1

ラグランジュの評価

|R₄| ≤ 1·1.5⁵/5! = 0.06328

答え

|R₄| = 0.06328

真の誤差はもっと小さくなります:|f(1.5) − P₄(1.5)| = 0.0152。

13.ラプラス変換

答え: f(0.1) = 3.697

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 + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²

分子を合わせる

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 5²) + (6/5)·5/((s + 1)² + 5²)

逆変換

f(t) = e−t·(4·cos 5t + 1.2·sin 5t)
f(0.1) = e−0.1·(4·cos(5·0.1) + 1.2·sin(5·0.1)) = 3.697

答え

f(0.1) = 3.697
14.ラプラス変換

答え: y(0.5) = 3.009

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

s²Y − 7s − (−11) + 5(sY − 7) + 6Y = 0
Y(s) = (7s + 24)/((s + 2)(s + 3))

部分分数展開

A = 10/1 = 10
B = 3/(−1) = −3

結果

y(t) = 10·e−2t − 3·e−3t
y(0.5) = 3.009

答え

y(0.5) = 3.009

検算:y(0) = A + B = 7。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: Ay = 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。

入力の面積

∫x dt = 1·2 = 2
∫h dt = ½·1·2 = 1

出力の面積

Ay = 2·1 = 2

答え

Ay = 2
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c5 = 0.1273

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。

高調波次数

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 5000/1000 = 5

振幅

c5 = 4·0.5/(5π) = 0.1273

答え

c5 = 0.1273

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