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″ + 6y′ + 9y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(0.5) =
2.微分方程式むずかしい
ty1.5y(1.5) = ?

y′ + 0.5y = 6e−2t、y(0) = 0 を解きなさい。y(1.5) を求めなさい。

y′ + 0.5y = 6e−2ty(0) = 0
y(1.5) =
3.行列と行列式ふつう
A =−11351−1−341

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [−1 1 3; 5 1 −1; −3 4 1]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =2−4−1−3b =810

連立方程式 2x − 4y = 8、−x − 3y = 10 を解きなさい。x を求めなさい。

2x − 4y = 8−x − 3y = 10
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (−4, 2, 0) と b = (−1, −4, −5) の内積 a·b を求めよ。

a = (−4, 2, 0)b = (−1, −4, −5)
a·b =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzabc

1 つの頂点から出る辺が a = (−4, 3, −5)、b = (2, 4, 0)、c = (−3, −1, 4) である平行六面体の体積 V を求めよ。

a = (−4, 3, −5)b = (2, 4, 0)c = (−3, −1, 4)
V =
7.積分ふつう
xy14y = x ln x

I = ∫₁4 x·ln x dx を計算しなさい。

∫₁4 x ln 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
xy33P

(x, y) = (3, 3) の点での z = xy − 4x³ − 4y² 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) = xy − 4x³ − 4y²(a, b) = (3, 3)
c =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−202(2, 1)(−2, 1)

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 2y は (2, 1) 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) = x³ − 12x + y² − 2yP = (2, 1)
D =
11.数列と級数ふつう
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 3)k = 1 … ∞DΣ k²/5ᵏk = 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/kB: Σ 1/(k(k + 4))C: Σ 1/(2k + 3)D: Σ k²/5ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 4))
  3. 3C: Σ 1/(2k + 3)
  4. 4D: Σ k²/5ᵏ
12.数列と級数むずかしい

f(x) = sin x を、x = 0.8 で 5 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 |R₅| を求めてください。

f(x) = sin xn = 5x = 0.8M = 1
|R₅| =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (3s + 23)/(s² + 7s + 12) である。その逆変換は f(t) = A·e−3t + 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) = (3s + 23)/(s² + 7s + 12)
A =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

ある系が y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t) に従い、y(0) = 6、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 2 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.2) を求めよ。

y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.2 s
y(0.2) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t2h(t)t1

入力 x(t) = 2·e−6tu(t) が、h(t) = e−5tu(t) 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·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
2cos(30t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 2·cos(30t) が、h(t) = 10·e−10tu(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) = 10e−10tu(t)x(t) = 2cos(30t)
φ = °

3溶液

1.微分方程式

答え: y(0.5) = 1.227

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 + 3)² = 0 → r = −3

定数

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 6 = 7

計算する

y(0.5) = (2 + 7·0.5)·e−1.5 = 1.227

答え

y(0.5) = 1.227
2.微分方程式

答え: y(1.5) = 1.69

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。

積分因子

μ = e0.5t
(e0.5ty)′ = 6e−1.5t

一般解

y = 6/(−1.5)·e−2t + C·e−0.5t = −4·e−2t + C·e−0.5t

初期条件

0 = −4 + C → C = 4

計算する

y(1.5) = −4·0.04979 + 4·0.4724 = 1.69

答え

y(1.5) = 1.69
3.行列と行列式

答え: det A = 62

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 = 2, M₁₃ = 23

余因子展開

det A = (−1)·5 − 1·2 + 3·23 = 62

答え

det A = 62
4.行列と行列式

答え: x = −1.6

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 = 2·(−3) − (−4)·(−1) = −10

x の列を置き換える

det Aₓ = 8·(−3) − (−4)·10 = 16
x = 16/(−10) = −1.6

答え

x = −1.6
y = −2.8
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = −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.

対応する成分を掛けて足す

a·b = (−4)·(−1) + 2·(−4) + 0·(−5) = 4 + (−8) + 0 = −4

答え

a·b = −4

負:2 つのベクトルのなす角は 90° より大きい。

6.ベクトル:内積と外積

答え: V = 138

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 4·4 − 0·(−1) = 16
(b × c)y = bzcx − bxcz = 0·(−3) − 2·4 = −8
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·(−1) − 4·(−3) = 10

a との内積

a·(b × c) = (−4)·16 + 3·(−8) + (−5)·10 = −138
V = |−138| = 138

答え

V = 138
7.積分

答え: I = 7.34

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

原始関数

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

極限

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0.25) = 7.34

答え

I = 7.34
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: c = 243

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(3, 3) = −135
fx = y − 12x² → fx(3, 3) = −105
fy = x − 8y → fy(3, 3) = −21

接平面

z = −135 − 105(x − 3) − 21(y − 3)
z = −105x − 21y + 243

定数項

c = 243

答え

c = 243
10.多変数の微分積分

答え: D = 24

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 = 12, fyy = 2, fxy = 0

判別式

D = 12·2 − 0² = 24
→ 極小

答え

D = 24
11.数列と級数

答え: C: Σ 1/(2k + 3)

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 → 交代級数で、1/k が 0 に減少します:(条件)収束します。
B: Σ 1/(k(k + 4)) → 1/k² より小さい:比較により収束します。
C: Σ 1/(2k + 3) → k が大きいと 1/(2k) のようにふるまいます。調和級数と比べると発散します。
D: Σ k²/5ᵏ → 比判定法:L = 1/5 < 1 なので収束します。

答え

C: Σ 1/(2k + 3)

答え

C: Σ 1/(2k + 3)
12.数列と級数

答え: |R₅| = 0.0003641

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

|R₅| ≤ 1·0.8⁶/6! = 0.0003641

答え

|R₅| = 0.0003641

真の誤差はもっと小さくなります:|f(0.8) − P₅(0.8)| = 4.124 × 10⁻⁵。

13.ラプラス変換

答え: A = 14

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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

隠蔽法

(s + 3) を掛けて s = −3 とおくと、B の項は消えます。

A = (3s + 23)/(s + 4) |s = −3 = 14/1 = 14

答え

A = 14
(B = −11 なので、f(t) = 14·e−3t − 11·e−4t)
14.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 6.45

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 + 9s + 20)·Y(s) = 6s + 54 + 160/s
Y(s) = (6s² + 54s + 160)/(s(s + 4)(s + 5))

部分分数展開

A = 160/(4·5) = 8
B = 40/((−4)·1) = −10
C = 40/((−5)·(−1)) = 8

結果

y(t) = 8 − 10·e−4t + 8·e−5t
y(0.2) = 6.45

答え

y(0.2) = 6.45

検算:y(0) = A + B + C = 6。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(0.5) = 0.0646

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) = 2e−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 2(e−5t − e−6t)/(1)

計算する

y(0.5) = 2·(0.08208 − 0.04979)/(1) = 0.0646

答え

y(0.5) = 0.0646
16.たたみ込みと LTI システム

答え: φ = −71.57 °

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) = 10/(10 + jω)

入力周波数での位相

φ = −atan(30/10) = −71.57°

答え

φ = −71.57°

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