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)44Ta​T = ?

320 °C の鍛造鋼部品を 22 °C の作業場に置いて冷まします。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.04 min⁻¹ として、44 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 320 °CTa = 22 °Ck = 0.04 min⁻¹t = 44 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)t = ?16 kg

タンクに、塩 10 kg を溶かした水が 100 L 入っています。 1 L あたり 0.2 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。 タンク内の塩が 16 kg になるのは何分後 t ですか?

V = 100 Lm0 = 10 kgc = 0.2 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.行列と行列式ふつう
A =1−1−4−5−1−32−20

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [1 −1 −4; −5 −1 −3; 2 −2 0]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =51−6−2

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [5 1; −6 −2]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−4, 6, 3) と b = (−1, 3, 0) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (−4, 6, 3)b = (−1, 3, 0)
θ = °
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzrFOA

力 F = (40, 50, −50) N が点 A(−1, −1, −1) に作用している。座標の単位はメートルである。 原点 O(0, 0, 0) まわりの力のモーメントの y 成分 My を求めよ。

F = (40, 50, −50) NA(−1, −1, −1) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
7.積分ふつう
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
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−2024−20PQ

f(x, y) = −x³y² − 2x³ + 5y² について、P(2, −1) から Q(−2, −2) へ向かう方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = −x³y² − 2x³ + 5y²P = (2, −1)Q = (−2, −2)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 1y = x1

積分 I = ∫01 ∫y1 cos(x²) dx dy 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 = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ 5/k³k = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞CΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞DΣ (3/4)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 5/k³B: Σ 1/(k(k + 1))C: Σ k!/2ᵏD: Σ (3/4)ᵏ
  1. 1A: Σ 5/k³
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 1))
  3. 3C: Σ k!/2ᵏ
  4. 4D: Σ (3/4)ᵏ
12.数列と級数むずかしい

f(x) = cos x を、x = 1.5 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 1 × 10⁻⁵ 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) = cos xx = 1.5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (2s + 16)/(s² + 10s + 24) である。その逆変換は f(t) = A·e−4t + B·e−6t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (2s + 16)/(s² + 10s + 24)
A =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ある系が y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t) に従い、y(0) = 5、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(0.3) を求めよ。

y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.3 s
y(0.3) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t21h(t)t43

パルス x(t) = 1(0 ≤ t < 2 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 3(0 ≤ t < 4 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 < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1 s
y(1) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
5cos(15t)h(t) = 2e−20t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 5·cos(15t) が、h(t) = 2·e−20tu(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) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(15t)
φ = °

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 73.27 °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) = 22 + 298·e−0.04t

t を代入する

T(44) = 22 + 298·0.172 = 73.27 °C

答え

T = 73.27 °C
2.微分方程式

答え: t = 4.581 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。

結果

m(t) = 20 + (−10)·e−t/5

t について解く

e−t/5 = (20 − 16)/(20 − 10) = 0.4
t = 5·ln(2.5) = 4.581 min

答え

t = 4.581 min
3.行列と行列式

答え: det A = −48

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 = −6, M₁₂ = 6, M₁₃ = 12

余因子展開

det A = 1·(−6) − (−1)·6 + (−4)·12 = −48

答え

det A = −48
4.行列と行列式

答え: λ = 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。

固有方程式

λ² − (3)λ + (−4) = 0

解く

λ = (3 ± √(25))/2 → λ = −1, 4
λ = 4

答え

λ = 4
5.ベクトル:内積と外積

答え: θ = 27.03 °

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 = (−4)·(−1) + 6·3 + 3·0 = 22

大きさ

|a| = √((−4)² + 6² + 3²) = 7.81
|b| = √((−1)² + 3² + 0²) = 3.162

位相角

cos θ = 22/(7.81·3.162) = 0.8908
θ = arccos(0.8908) = 27.03°

答え

θ = 27.03°
6.ベクトル:内積と外積

答え: My = −90 N·m

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.

O から A への位置ベクトル

r = A − O = (−1, −1, −1) − (0, 0, 0) = (−1, −1, −1) m

モーメント M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·(−50) − (−1)·50 = 100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·40 − (−1)·(−50) = −90 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·50 − (−1)·40 = −10 N·m

求める成分

My = −90 N·m

答え

My = −90 N·m
7.積分

答え: I = 156

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 = ∫15 u3 du

積分して代入する

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

答え

I = 156
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: Duf = 33.47

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。

その点での勾配

fx = −3x²y² − 6x² → fx(2, −1) = −36
fy = −2x³y + 10y → fy(2, −1) = 6

単位ベクトル

|v| = √((−4)² + (−1)²) = 4.123
u = (−0.9701, −0.2425)

内積

Duf = (−36)·(−0.9701) + 6·(−0.2425) = 33.47

答え

Duf = 33.47
10.多変数の微分積分

答え: I = 0.4207

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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1

順序の入れ替え

I = ∫01 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫01 x·cos(x²) dx

置換 u = x²

I = [sin(x²)/2]01 = 0.4207

答え

I = 0.4207
11.数列と級数

答え: C: Σ k!/2ᵏ

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 5/k³ → p = 3 > 1 の p 級数:収束します。
B: Σ 1/(k(k + 1)) → 1/k² より小さい:比較により収束します。
C: Σ k!/2ᵏ → 比判定法:L = lim (k + 1)/2 = ∞ なので発散します。
D: Σ (3/4)ᵏ → r = 3/4 の等比級数で |r| < 1:収束します。

答え

C: Σ k!/2ᵏ

答え

C: Σ k!/2ᵏ
12.数列と級数

答え: n = 10

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011.5121.125260.56253240.210941200.0632857200.01582650400.003397403200.000635683628800.0001059936288001.589 × 10⁻⁵10399168002.167 × 10⁻⁶

n を増やしたときの評価値

n = 9: 1.589 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 10: 2.167 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

最小の次数

n = 10

答え

n = 10
13.ラプラス変換

答え: A = 4

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 + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)

隠蔽法

(s + 4) を掛けて s = −4 とおくと、B の項は消えます。

A = (2s + 16)/(s + 6) |s = −4 = 8/2 = 4

答え

A = 4
(B = −2 なので、f(t) = 4·e−4t − 2·e−6t)
14.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 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)。

方程式を変換する

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 120/s
Y(s) = (5s² + 50s + 120)/(s(s + 4)(s + 6))

部分分数展開

A = 120/(4·6) = 5
B = 0/((−4)·2) = 0
C = 0/((−6)·(−2)) = 0

結果

y(t) = 5
y(0.3) = 5

答え

y(0.3) = 5

検算:y(0) = A + B + C = 5。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 3

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) = 1·3·1 = 3

答え

y(1) = 3

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、6 を保ち、t = 6 s で 0 に戻ります。

16.たたみ込みと LTI システム

答え: φ = −36.87 °

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) = 2/(20 + jω)

入力周波数での位相

φ = −atan(15/20) = −36.87°

答え

φ = −36.87°

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