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) = 2y(1) = ?

y(0) = 2、y′(0) = 4 として y″ + 5y′ + 6y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(1) =
2.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 5y(1) = ?

y(0) = 5、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + 3y′ + 11.25y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 3y′ + 11.25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
3.行列と行列式ふつう
A =21−152511−4

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [2 1 −1; 5 2 5; 1 1 −4]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =46−8−10

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 6; −8 −10]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−3, 3, 2) と b = (k, −6, −4) が垂直になるような k の値を求めよ。

a = (−3, 3, 2)b = (k, −6, −4)
k =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

a = (3, −1, −4) と b = (5, 3, 3) が作る平行四辺形の面積 A を求めよ。

a = (3, −1, −4)b = (5, 3, 3)
A =
7.積分ふつう
xyπ/2y = x·sin x

I = ∫₀π/2 x·sin x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
8.積分むずかしい
xy3y = x²eˣ

I = ∫₀3 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.多変数の微分積分ふつう

z = sin(x − 3y)、x = 3t、y = 2t² です。連鎖律を使って、t = −1 での dz/dt を求めてください。

z = sin(x − 3y)x = 3ty = 2t²t = −1
dz/dt =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−20−2−101(0, 0)(−1, −1)

f(x, y) = x³ + y³ + 3xy の臨界点を求めて分類し、極大での f の値 fmax を答えてください。

f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
fmax =
11.数列と級数ふつう
AΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞BΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(5k + 7)k = 1 … ∞

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

A: Σ 2ᵏ/k²B: Σ (5/4)ᵏC: Σ (2/5)ᵏD: Σ 1/(5k + 7)
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k²
  2. 2B: Σ (5/4)ᵏ
  3. 3C: Σ (2/5)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(5k + 7)
12.数列と級数むずかしい

f(x) = sin x 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 = 1 としてラグランジュの誤差評価 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! を使い、誤差が 0.001 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) = sin xx = 2M = 1ε = 0.001
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (s + 9)/(s² + 12s + 32) である。その逆変換は f(t) = A·e−4t + B·e−8t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (s + 9)/(s² + 12s + 32)
A =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

ある系が y″ + 8y′ + 12y = 72·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(0.6) を求めよ。

y″ + 8y′ + 12y = 72·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.6 s
y(0.6) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t−11h(t)t34

信号 x(t) は t = −1 s から t = 1 s の間だけ、h(t) は t = 3 s から t = 4 s の間だけ 0 でない値をとります。y(t) = x(t) ∗ h(t) が終わる時刻 tend を求めなさい。

x: −1 … 1 sh: 3 … 4 s
tend = s
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)2.55104−4

三角波が周期 T = 5 ms で −4 と +4 の間を直線的に上昇・下降します。1000 Hz のフーリエ成分の振幅 c5 を求めなさい。

±4T = 5 msf = 1000 Hz
c5 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1) = 0.9551

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。

特性方程式の根

(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

初期値から求める定数

A + B = 2, −2A − 3B = 4
A = 10, B = −8

計算する

y(1) = 10·e−2 + (−8)·e−3 = 0.9551

答え

y(1) = 0.9551
2.微分方程式

答え: y(1) = −1.026

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。

複素根

r = −1.5 ± 3j

定数

A = 5, B = 1.5·5/3 = 2.5

計算する

y(1) = e−1.5(5·cos 3 + 2.5·sin 3) = −1.026

答え

y(1) = −1.026
3.行列と行列式

答え: det A = −4

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 = −13, M₁₂ = −25, M₁₃ = 3

余因子展開

det A = 2·(−13) − 1·(−25) + (−1)·3 = −4

答え

det A = −4
4.行列と行列式

答え: λ = −2

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 + (8) = 0

解く

λ = (−6 ± √(4))/2 → λ = −4, −2
λ = −2

答え

λ = −2
5.ベクトル:内積と外積

答え: k = −8.667

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 = (−3)·k + 3·(−6) + 2·(−4) = 0
−26 + (−3)·k = 0

k について解く

k = −(−26)/(−3) = −8.667

答え

k = −8.667
6.ベクトル:内積と外積

答え: A = 33.44

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)·3 − (−4)·3 = 9
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·5 − 3·3 = −29
(a × b)z = axby − aybx = 3·3 − (−1)·5 = 14

面積

A = |a × b| = √(9² + (−29)² + 14²) = 33.44

答え

A = 33.44
7.積分

答え: I = 1

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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

原始関数

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

極限

(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

答え

I = 1
8.積分

答え: I = 98.43

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。

1 回目

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

2 回目

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

極限

20.09·(5) − 1·2 = 98.43

答え

I = 98.43
9.多変数の微分積分

答え: dz/dt = −13.67

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。

点と変化率

x(−1) = −3, y(−1) = 2
dx/dt = 3, dy/dt = 4t = −4

偏導関数

fx = 1 cos(x − 3y) = −0.9111
fy = −3 cos(x − 3y) = 2.733

連鎖律

dz/dt = (−0.9111)·3 + 2.733·(−4) = −13.67

答え

dz/dt = −13.67
10.多変数の微分積分

答え: fmax = 1

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

極値での値

f(−1, −1) = 1

答え

fmax = 1
11.数列と級数

答え: C: Σ (2/5)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 2ᵏ/k² → 比判定法:L = 2 > 1 なので発散します。
B: Σ (5/4)ᵏ → r = 5/4 > 1 の等比級数:項が大きくなるので発散します。
C: Σ (2/5)ᵏ → r = 2/5 の等比級数で |r| < 1:収束します。
D: Σ 1/(5k + 7) → k が大きいと 1/(5k) のようにふるまいます。調和級数と比べると発散します。

答え

C: Σ (2/5)ᵏ

答え

C: Σ (2/5)ᵏ
12.数列と級数

答え: n = 9

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012122261.3333240.666741200.266757200.08889650400.02547403200.00634983628800.001411936288000.0002822

n を増やしたときの評価値

n = 8: 0.001411 ≥ 0.001
n = 9: 0.0002822 < 0.001

最小の次数

n = 9

答え

n = 9
13.ラプラス変換

答え: A = 1.25

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

隠蔽法

(s + 4) を掛けて s = −4 とおくと、B の項は消えます。

A = (s + 9)/(s + 8) |s = −4 = 5/4 = 1.25

答え

A = 1.25
(B = −0.25 なので、f(t) = 1.25·e−4t − 0.25·e−8t)
14.ラプラス変換

答え: y(0.6) = 33.71

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) = 720/(s(s + 2)(s + 6))

部分分数展開

A = 720/(2·6) = 60
B = 720/((−2)·4) = −90
C = 720/((−6)·(−4)) = 30

排泄量

y(t) = 60 − 90·e−2t + 30·e−6t
y(0.6) = 33.71

答え

y(0.6) = 33.71
15.たたみ込みと LTI システム

答え: tend = 5 s

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。

始まりと終わり

tstart = −1 + 3 = 2 s
tend = 1 + 4 = 5 s

答え

tend = 5 s

答え

tend = 5 s
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c5 = 0.1297

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 = 200 Hz → k = 5

振幅

c5 = 8·4/(π²·5²) = 0.1297

答え

c5 = 0.1297

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