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) = 1y(0.5) = ?

y(0) = 1、y′(0) = -4 として y″ + 8y′ + 15y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = -4
y(0.5) =
2.微分方程式むずかしい
tyK = 10ymax​ = ?

系が t ≥ 0 で y″ + 3y′ + 27.25y = 272.5 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。ステップ応答のピーク値 ymax を求めなさい。

y″ + 3y′ + 27.25y = 272.5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.行列と行列式ふつう
A =5−1−5−3−4−4−2−4−1

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [5 −1 −5; −3 −4 −4; −2 −4 −1]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =6−33−2b =73

連立方程式 6x − 3y = 7、3x − 2y = 3 を解きなさい。x を求めなさい。

6x − 3y = 73x − 2y = 3
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−3, −3, −1) と b = (−2, −1, −4) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (−3, −3, −1)b = (−2, −1, −4)
θ = °
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzABC

頂点 A(−1, −2, −4)、B(2, 2, −3)、C(−1, 4, −1) 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(−1, −2, −4)B(2, 2, −3)C(−1, 4, −1)
A = m²
7.積分ふつう
xy1y = 0.5x

y = 0.5x の下の x = 0 から x = 1 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 = 0.5x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.積分むずかしい
xy1.5y = x²eˣ

I = ∫₀1.5 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀1.5 x²eˣ dx
I =
9.多変数の微分積分ふつう
xy3−1∇fP

f(x, y) = xy³ − x² + 3y² + 2xy について、(3, −1) 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) = xy³ − x² + 3y² + 2xyP = (3, −1)
θ = °
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−202ABC

印の付いた点は、f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy の臨界点です。鞍点をクリックしてください。

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
  1. 1A (−2, −2)
  2. 2B (0, 0)
  3. 3C (2, 2)
11.数列と級数ふつう
xx₀ = 1??R

べき級数 Σk=1∞ k!·(x − 1)ᵏ/kᵏ は、x₀ = 1 を中心とする区間で収束します。その区間の左端 x を求めてください。

Σ k!·(x − 1)ᵏ/kᵏx₀ = 1
x =
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 0.5 で n 次のマクローリン多項式により近似します。M = 2 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 0.0001 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 = 0.5M = 2ε = 0.0001
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−4−4.50.51

F(s) = (2s + 6)/(s² + 6s + 8) である。その逆変換は f(t) = A·e−2t + B·e−4t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (2s + 6)/(s² + 6s + 8)
A =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm−22

ある系が微分方程式 y″ + 2y′ + 10y = 3u′ + 7u で表される(入力 u(t)、出力 y(t))。その伝達関数 G(s) = Y(s)/U(s)(初期条件はゼロ)を求め、t = 0.2 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.2) を求めよ。

y″ + 2y′ + 10y = 3u′ + 7ut = 0.2 s
g(0.2) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t12h(t)t32

パルス x(t) = 2(0 ≤ t < 1 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 2(0 ≤ t < 3 s、それ以外は 0)のシステムに加えられます。t = 0.5 s での出力 y(0.5) を求めなさい。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 0.5 s
y(0.5) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)0.5124−4

三角波が周期 T = 1 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 c1 を求めなさい。

±4T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(0.5) = 0.1526

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

初期値から求める定数

A + B = 1, −3A − 5B = -4
A = 0.5, B = 0.5

計算する

y(0.5) = 0.5·e−1.5 + 0.5·e−2.5 = 0.1526

答え

y(0.5) = 0.1526
2.微分方程式

答え: ymax = 13.9

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 = 10, r = −1.5 ± 5j

初期値から求める定数

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1.5A + 5B = 0 → B = −3

ピーク

t = π/5 = 0.6283
ymax = 10·(1 + e−1.5·π/5) = 13.9

答え

ymax = 13.9
3.行列と行列式

答え: det A = −85

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 = −12, M₁₂ = −5, M₁₃ = 4

余因子展開

det A = 5·(−12) − (−1)·(−5) + (−5)·4 = −85

答え

det A = −85
4.行列と行列式

答え: x = 1.667

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·(−2) − (−3)·3 = −3

x の列を置き換える

det Aₓ = 7·(−2) − (−3)·3 = −5
x = −5/(−3) = 1.667

答え

x = 1.667
y = 1
5.ベクトル:内積と外積

答え: θ = 49.4 °

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 = (−3)·(−2) + (−3)·(−1) + (−1)·(−4) = 13

大きさ

|a| = √((−3)² + (−3)² + (−1)²) = 4.359
|b| = √((−2)² + (−1)² + (−4)²) = 4.583

位相角

cos θ = 13/(4.359·4.583) = 0.6508
θ = arccos(0.6508) = 49.4°

答え

θ = 49.4°
6.ベクトル:内積と外積

答え: A = 10.5 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 = (3, 4, 1)
AC = C − A = (0, 6, 3)

外積

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 4·3 − 1·6 = 6
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 1·0 − 3·3 = −9
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 3·6 − 4·0 = 18
|AB × AC| = √(6² + (−9)² + 18²) = 21

三角形の面積

A = ½·21 = 10.5 m²

答え

A = 10.5 m²
7.積分

答え: V = 0.2618

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∫₀1 0.25x² dx

積分する

V = π·0.25·1³/3 = 0.2618

答え

V = 0.2618

確認:半径 0.5、高さ 1 の円錐は (1/3)πr²h = 0.2618 です。

8.積分

答え: I = 3.602

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

4.482·(1.25) − 1·2 = 3.602

答え

I = 3.602
9.多変数の微分積分

答え: θ = 135 °

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 = y³ − 2x + 2y → fx(3, −1) = −9
fy = 3xy² + 6y + 2x → fy(3, −1) = 9

向き

θ = atan2(9, −9) = 135°

答え

θ = 135°
10.多変数の微分積分

答え: B (0, 0)

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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

2 階微分判定法

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → 鞍点
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → 極小
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → 極小

その点

B (0, 0): 鞍点

答え

B (0, 0)
11.数列と級数

答え: x = −1.718

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。

係数

ck/ck+1 = (1 + 1/k)ᵏ → e

半径

R = 2.718

区間

−1.718 < x < 3.718
x = −1.718

答え

x = −1.718

比判定法は 2 つの端点については何も教えてくれません。別に調べる必要があります。

12.数列と級数

答え: n = 5

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011120.25260.041673240.00520841200.000520857204.34 × 10⁻⁵

n を増やしたときの評価値

n = 4: 0.0005208 ≥ 0.0001
n = 5: 4.34 × 10⁻⁵ < 0.0001

最小の次数

n = 5

答え

n = 5
13.ラプラス変換

答え: A = 1

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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

隠蔽法

(s + 2) を掛けて s = −2 とおくと、B の項は消えます。

A = (2s + 6)/(s + 4) |s = −2 = 2/2 = 1

答え

A = 1
(B = 1 なので、f(t) = e−2t + e−4t)
14.ラプラス変換

答え: g(0.2) = 2.644

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)。

伝達関数

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 10)

部分分数展開

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (4/3)·3/((s + 1)² + 3²)

インパルス応答

g(t) = e−t·(3·cos 3t + 1.333·sin 3t)
g(0.2) = 2.644

答え

g(0.2) = 2.644
15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(0.5) = 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, 0.5] → 長さ 0.5 s

積分

y(0.5) = 2·2·0.5 = 2

答え

y(0.5) = 2

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、4 を保ち、t = 4 s で 0 に戻ります。

16.たたみ込みと LTI システム

答え: c1 = 3.242

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 = 1

振幅

c1 = 8·4/(π²·1²) = 3.242

答え

c1 = 3.242

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