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(0.5) = ?

y(0) = 2、y′(0) = -1 として y″ + 8y′ + 16y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(0.5) =
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)t = ?10 kg

タンクに純水が 400 L 入っています。 1 L あたり 0.05 kg の塩を含む塩水が 10 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 10 kg になるのは何分後 t ですか?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0.05 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.行列と行列式ふつう
A =0−43150−41−4

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [0 −4 3; 1 5 0; −4 1 −4]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =5−2−3−5b =12−6

連立方程式 5x − 2y = 12、−3x − 5y = −6 を解きなさい。x を求めなさい。

5x − 2y = 12−3x − 5y = −6
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−6, −5, −6) と b = (−6, 4, k) が垂直になるような k の値を求めよ。

a = (−6, −5, −6)b = (−6, 4, k)
k =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzABC

頂点 A(2, 2, 1)、B(−2, −1, 0)、C(4, −4, −3) 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(2, 2, 1)B(−2, −1, 0)C(4, −4, −3)
A = m²
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
xy3y = 6xy = 2x²

直線 y = 6x と放物線 y = 2x² の間の領域を x 軸のまわりに回転させます。立体の体積 V を求めなさい。

y = 6xy = 2x²
V =
9.多変数の微分積分ふつう
xy024602vP

f(x, y) = −2xy − x³ + 5y² について、(2, 1) での v = (4, 2) の方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = −2xy − x³ + 5y²P = (2, 1)v = (4, 2)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy05−4−202(3, −3)

f(x, y) = −x² + xy − 3y² + 9x − 21y + 2 は (3, −3) に臨界点をもちます。そこでの判別式 D = fxxfyy − fxy² を計算してください。

f(x, y) = −x² + xy − 3y² + 9x − 21y + 2P = (3, −3)
D =
11.数列と級数ふつう
AΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 1/k²k = 1 … ∞DΣ k!/10ᵏk = 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 5ᵏ/k!B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 1/k²D: Σ k!/10ᵏ
  1. 1A: Σ 5ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 1/k²
  4. 4D: Σ k!/10ᵏ
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 1 で n 次のマクローリン多項式により近似します。M = 3 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) = eˣx = 1M = 3ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (s + 5)/(s² + 2s + 2) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.8) を計算せよ。

F(s) = (s + 5)/(s² + 2s + 2)t = 0.8 s
f(0.8) =
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) = −10、y′(0) = 11 の条件で y″ + 7y′ + 10y = 0 を解き、y(0.5) を求めよ。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −10y′(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)t5h(t)t1

入力 x(t) = 5·e−2tu(t) が、h(t) = e−5tu(t) 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) = 5·e−2tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)5102010−10

三角波が周期 T = 10 ms で −10 と +10 の間を直線的に上昇・下降します。100 Hz のフーリエ成分の振幅 c1 を求めなさい。

±10T = 10 msf = 100 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(0.5) = 0.7443

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。

重根

(r + 4)² = 0 → r = −4

定数

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 8 = 7

計算する

y(0.5) = (2 + 7·0.5)·e−2 = 0.7443

答え

y(0.5) = 0.7443
2.微分方程式

答え: t = 27.73 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 + (−20)·e−t/40

t について解く

e−t/40 = (20 − 10)/(20 − 0) = 0.5
t = 40·ln(2) = 27.73 min

答え

t = 27.73 min
3.行列と行列式

答え: det A = 47

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 = −20, M₁₂ = −4, M₁₃ = 21

余因子展開

det A = 0·(−20) − (−4)·(−4) + 3·21 = 47

答え

det A = 47
4.行列と行列式

答え: x = 2.323

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 = 5·(−5) − (−2)·(−3) = −31

x の列を置き換える

det Aₓ = 12·(−5) − (−2)·(−6) = −72
x = −72/(−31) = 2.323

答え

x = 2.323
y = −0.1935
5.ベクトル:内積と外積

答え: k = 2.667

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 = (−6)·(−6) + (−5)·4 + (−6)·k = 0
16 + (−6)·k = 0

k について解く

k = −16/(−6) = 2.667

答え

k = 2.667
6.ベクトル:内積と外積

答え: A = 17.75 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 = (−4, −3, −1)
AC = C − A = (2, −6, −4)

外積

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−3)·(−4) − (−1)·(−6) = 6
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−1)·2 − (−4)·(−4) = −18
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−4)·(−6) − (−3)·2 = 30
|AB × AC| = √(6² + (−18)² + 30²) = 35.5

三角形の面積

A = ½·35.5 = 17.75 m²

答え

A = 17.75 m²
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: V = 407.2

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。

交点

6x = 2x² → x = 0, x = 3

ワッシャー法

V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx

積分する

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129.6 = 407.2

答え

V = 407.2
9.多変数の微分積分

答え: Duf = −9.839

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 = −2y − 3x² → fx(2, 1) = −14
fy = −2x + 10y → fy(2, 1) = 6

単位ベクトル

|v| = √(4² + 2²) = 4.472
u = (0.8944, 0.4472)

内積

Duf = (−14)·0.8944 + 6·0.4472 = −9.839

答え

Duf = −9.839
10.多変数の微分積分

答え: D = 11

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)。

2 階偏導関数

fxx = −2, fyy = −6, fxy = 1

判別式

D = (−2)·(−6) − 1² = 11
→ 極大

答え

D = 11
11.数列と級数

答え: D: Σ k!/10ᵏ

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 5ᵏ/k! → 比判定法:L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1 なので収束します。
B: 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。
C: Σ 1/k² → p = 2 > 1 の p 級数:収束します。
D: Σ k!/10ᵏ → 比判定法:L = lim (k + 1)/10 = ∞ なので発散します。

答え

D: Σ k!/10ᵏ

答え

D: Σ k!/10ᵏ
12.数列と級数

答え: n = 8

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013121.5260.53240.12541200.02557200.004167650400.00059527403207.44 × 10⁻⁵83628808.267 × 10⁻⁶

n を増やしたときの評価値

n = 7: 7.44 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 8: 8.267 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

最小の次数

n = 8

答え

n = 8
13.ラプラス変換

答え: f(0.8) = 1.602

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 + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

分子を合わせる

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (4/1)·1/((s + 1)² + 1²)

逆変換

f(t) = e−t·(cos 1t + 4·sin 1t)
f(0.8) = e−0.8·(cos(1·0.8) + 4·sin(1·0.8)) = 1.602

答え

f(0.8) = 1.602
14.ラプラス変換

答え: y(0.5) = −4.536

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 − (−10)s − 11 + 7(sY − (−10)) + 10Y = 0
Y(s) = (−10s − 59)/((s + 2)(s + 5))

部分分数展開

A = −39/3 = −13
B = −9/(−3) = 3

結果

y(t) = −13·e−2t + 3·e−5t
y(0.5) = −4.536

答え

y(0.5) = −4.536

検算:y(0) = A + B = −10。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 0.2143

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。

たたみ込み積分

y(t) = 5e−5t∫₀ᵗ e−(2 − 5)τ dτ = 5(e−5t − e−2t)/(−3)

計算する

y(1) = 5·(0.006738 − 0.1353)/(−3) = 0.2143

答え

y(1) = 0.2143
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c1 = 8.106

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 = 100 Hz → k = 1

振幅

c1 = 8·10/(π²·1²) = 8.106

答え

c1 = 8.106

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