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(2) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 1 として y″ + 6y′ + 9y = 0 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(2) =
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)60 minm = ?

タンクに、塩 5 kg を溶かした水が 500 L 入っています。 1 L あたり 0.2 kg の塩を含む塩水が 4 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。 60 分後にタンク内にある塩の量 m を求めなさい。

V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0.2 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.行列と行列式ふつう
A =−3−320−233−42

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [−3 −3 2; 0 −2 3; 3 −4 2]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =0462

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [0 4; 6 2]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (−6, 2, 2) の b = (4, 3, −3) 上へのスカラー射影 compb a、つまり a の b 方向の成分を求めよ。

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

力 F = (−40, 50, 20) N が点 A(−4, −4, 1) に作用している。座標の単位はメートルである。 点 O(−3, 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, 20) NA(−4, −4, 1) mO(−3, 0, 0) m
My = N·m
7.積分ふつう
xy2y = x·cos x

I = ∫₀2 x·cos x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀2 x·cos x dx
I =
8.積分むずかしい
xy2.5y = x²eˣ

I = ∫₀2.5 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀2.5 x²eˣ dx
I =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−2002PQ

f(x, y) = −2x²e3y について、P(−1, 1) から Q(1, −1) へ向かう方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = −2x²e3yP = (−1, 1)Q = (1, −1)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy05−2024(0, 0)(3, 3)

f(x, y) = x³ + y³ − 9xy は (0, 0) 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 + y³ − 9xyP = (0, 0)
D =
11.数列と級数ふつう
kSn​12345678910

和 S = Σk=112 3/(k(k + 1)) を求めてください。

ak = 3/(k(k + 1))n = 12
S =
12.数列と級数むずかしい
xyfP₃−1.5

f(x) = sin(−x) の 3 次のマクローリン多項式を使って、f(−1.5) を近似してください。P₃(−1.5) を答えてください。

f(x) = sin(−x)n = 3x = −1.5
P₃(−1.5) =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

F(s) = (s + 3)/(s² + 2s + 1) の f(t) を求め、f(0.75) を計算せよ。

F(s) = (s + 3)/(s² + 2s + 1)t = 0.75 s
f(0.75) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 6、y′(0) = 14 の条件で y″ + 7y′ + 6y = 0 を解き、y(1) を求めよ。

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 6y′(0) = 14t = 1 s
y(1) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t22h(t)t13

パルス x(t) = 2(0 ≤ t < 2 s)を、h(t)、すなわち t = 0 の 3 から t = 1 s の 0 まで直線的に下がる三角形とたたみ込みます。y(t) = x(t) ∗ h(t) の下の面積 Ay を求めなさい。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 3, h(1) = 0
Ay =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)2.55105−5

三角波が周期 T = 5 ms で −5 と +5 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。

±5T = 5 msf = 1000 Hz
c5 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(2) = 0.02231

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) = 1
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 3 = 4

計算する

y(2) = (1 + 4·2)·e−6 = 0.02231

答え

y(2) = 0.02231
2.微分方程式

答え: m = 41.22 kg

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。

方程式を立てる

dm/dt = 4·0.2 − (4/500)·m = 0.8 − 0.008·m

解く

積分因子は ert/V で、解は平衡量 c·V に近づきます。

m(t) = 100 + (−95)·e−t/125

t を代入する

m(60) = 100 + (−95)·0.6188 = 41.22 kg

答え

m = 41.22 kg
3.行列と行列式

答え: det A = −39

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 = 8, M₁₂ = −9, M₁₃ = 6

余因子展開

det A = (−3)·8 − (−3)·(−9) + 2·6 = −39

答え

det A = −39
4.行列と行列式

答え: λ = 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。

固有方程式

λ² − (2)λ + (−24) = 0

解く

λ = (2 ± √(100))/2 → λ = −4, 6
λ = 6

答え

λ = 6
5.ベクトル:内積と外積

答え: compb a = −4.116

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 = (−6)·4 + 2·3 + 2·(−3) = −24

b の長さ

|b| = √(4² + 3² + (−3)²) = 5.831

スカラー射影

compb a = a·b/|b| = −24/5.831 = −4.116

答え

compb a = −4.116

負:a には b と逆向きの成分があります。

6.ベクトル:内積と外積

答え: My = −20 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 = (−4, −4, 1) − (−3, 0, 0) = (−1, −4, 1) m

モーメント M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−4)·20 − 1·50 = −130 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·(−40) − (−1)·20 = −20 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·50 − (−4)·(−40) = −210 N·m

求める成分

My = −20 N·m

答え

My = −20 N·m
7.積分

答え: I = 0.4024

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 = cos x dx, v = sin x

原始関数

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

極限

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0.4024

答え

I = 0.4024
8.積分

答え: I = 37.59

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

12.18·(3.25) − 1·2 = 37.59

答え

I = 37.59
9.多変数の微分積分

答え: Duf = 142

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 = −4xe3y → fx(−1, 1) = 80.34
fy = −6x²e3y → fy(−1, 1) = −120.5

単位ベクトル

|v| = √(2² + (−2)²) = 2.828
u = (0.7071, −0.7071)

内積

Duf = 80.34·0.7071 + (−120.5)·(−0.7071) = 142

答え

Duf = 142
10.多変数の微分積分

答え: D = −81

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 = 0, fyy = 0, fxy = −9

判別式

D = 0·0 − (−9)² = −81
→ 鞍点

答え

D = −81
11.数列と級数

答え: S = 2.769

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。

部分分数展開

3/(k(k + 1)) = 3·(1/k − 1/(k + 1))

キャンセル

S = 3·(1 − 1/13) = 2.769

答え

S = 2.769
12.数列と級数

答え: P₃(−1.5) = 0.9375

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。

マクローリン多項式

P₃(x) = −x + 0.1667x³

代入する

P₃(−1.5) = 1.5 − 0.5625 = 0.9375

答え

P₃(−1.5) = 0.9375

厳密な値は f(−1.5) = 0.997495 です。項を増やすか、0 に近い点を取ると、誤差 0.059995 は小さくなります。

13.ラプラス変換

答え: f(0.75) = 1.181

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

部分分数展開

s + 3 = 1(s + 1) + 2
F(s) = 1/(s + 1) + 2/(s + 1)²

逆変換

f(t) = e−t + 2·t·e−t
f(0.75) = (1 + 2·0.75)·e−0.75 = 1.181

答え

f(0.75) = 1.181
14.ラプラス変換

答え: y(1) = 3.669

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 − 6s − 14 + 7(sY − 6) + 6Y = 0
Y(s) = (6s + 56)/((s + 1)(s + 6))

部分分数展開

A = 50/5 = 10
B = 20/(−5) = −4

結果

y(t) = 10·e−t − 4·e−6t
y(1) = 3.669

答え

y(1) = 3.669

検算:y(0) = A + B = 6。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: Ay = 6

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。

入力の面積

∫x dt = 2·2 = 4
∫h dt = ½·1·3 = 1.5

出力の面積

Ay = 4·1.5 = 6

答え

Ay = 6
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c5 = 0.1621

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 = 8·5/(π²·5²) = 0.1621

答え

c5 = 0.1621

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