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)18Ta​30 °C24 °C

94 °C のコーヒーを 22 °C の部屋に置いておきます。 18 分後の温度は 30 °C です。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 開始から 24 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 94 °CTa = 22 °CT(18) = 30 °CT = 24 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 10y(0.5) = ?

y(0) = 10、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + 4y′ + 29y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.5) =
3.行列と行列式ふつう
A =−2−4−3415545

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [−2 −4 −3; 4 1 5; 5 4 5]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =−54−2−1b =−12−5

連立方程式 −5x + 4y = −12、−2x − y = −5 を解きなさい。x を求めなさい。

−5x + 4y = −12−2x − y = −5
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (7, 5, −4) と b = (4, 0, 3) の内積 a·b を求めよ。

a = (7, 5, −4)b = (4, 0, 3)
a·b =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzABC

頂点 A(2, 3, 2)、B(0, −4, −3)、C(−1, −1, −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(2, 3, 2)B(0, −4, −3)C(−1, −1, −1)
A = m²
7.積分ふつう
xy2y = √(4x)

y = √(4x) の下の x = 0 から x = 2 までの領域を x 軸のまわりに回転させます。立体(放物面体)の体積 V を求めなさい。

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 2
V =
8.積分むずかしい
xy−22

放物線 y = 4 − x² と x 軸で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 4 − x²
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy20.5P

(x, y) = (2, 0.5) の点での z = 3 ln(x² + 3y²) 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) = 3 ln(x² + 3y²)(a, b) = (2, 0.5)
c =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−505−202AB

印の付いた点は、f(x, y) = x³ − 27x + y² の臨界点です。鞍点をクリックしてください。

f(x, y) = x³ − 27x + y²
  1. 1A (−3, 0)
  2. 2B (3, 0)
11.数列と級数ふつう
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Σk=1∞ ((5k + 1)/(4k + 1))ᵏ に根判定法を適用してください。L = lim |ak|1/k を求めてください。

ak = ((5k + 1)/(4k + 1))ᵏ
L =
12.数列と級数むずかしい
xyfP₃−0.4

f(x) = 1/(1 + x) の 3 次のマクローリン多項式を使って、f(−0.4) を近似してください。P₃(−0.4) を答えてください。

f(x) = 1/(1 + x)n = 3x = −0.4
P₃(−0.4) =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

F(s) = (5s + 16)/(s² + 8s + 16) の f(t) を求め、f(0.3) を計算せよ。

F(s) = (5s + 16)/(s² + 8s + 16)t = 0.3 s
f(0.3) =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm−1−212

ある系が微分方程式 y″ + 4y′ + 8y = u′ + 2u 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 = 0.1 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.1) を求めよ。

y″ + 4y′ + 8y = u′ + 2ut = 0.1 s
g(0.1) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t4h(t)t1

入力 x(t) = 4·e−3tu(t) が、h(t) = e−4tu(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) = 4·e−3tu(t)h(t) = e−4tu(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)25102

パルス列の高さは 2、パルス幅は 2 ms、周期は 5 ms です。200 Hz にある高調波次数 1 の振幅 c1 を求めなさい。

A = 2τ = 2 msT = 5 ms
c1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 29.36 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。

冷却定数

k = ln(72/8)/18 = 0.1221 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(72/2)/0.1221 = 29.36 min

答え

t = 29.36 min
2.微分方程式

答え: y(0.5) = −2.067

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。

複素根

r = −2 ± 5j

定数

A = 10, B = 2·10/5 = 4

計算する

y(0.5) = e−1(10·cos 2.5 + 4·sin 2.5) = −2.067

答え

y(0.5) = −2.067
3.行列と行列式

答え: det A = −23

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 = −15, M₁₂ = −5, M₁₃ = 11

余因子展開

det A = (−2)·(−15) − (−4)·(−5) + (−3)·11 = −23

答え

det A = −23
4.行列と行列式

答え: x = 2.462

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)·(−1) − 4·(−2) = 13

x の列を置き換える

det Aₓ = (−12)·(−1) − 4·(−5) = 32
x = 32/13 = 2.462

答え

x = 2.462
y = 0.07692
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = 16

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 = 7·4 + 5·0 + (−4)·3 = 28 + 0 + (−12) = 16

答え

a·b = 16

正:2 つのベクトルのなす角は 90° より小さい。

6.ベクトル:内積と外積

答え: A = 7.921 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 = (−2, −7, −5)
AC = C − A = (−3, −4, −3)

外積

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−7)·(−3) − (−5)·(−4) = 1
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−5)·(−3) − (−2)·(−3) = 9
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−2)·(−4) − (−7)·(−3) = −13
|AB × AC| = √(1² + 9² + (−13)²) = 15.84

三角形の面積

A = ½·15.84 = 7.921 m²

答え

A = 7.921 m²
7.積分

答え: V = 25.13

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∫₀2 4x dx

積分する

V = π·4·2²/2 = 25.13

答え

V = 25.13
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。

零点

4 − x² = 0 → x = ±2

積分する

A = [4x − x³/3]−22 = 5.333 − (−5.333) = 10.67

答え

A = 10.67
9.多変数の微分積分

答え: c = −1.326

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(2, 0.5) = 4.674
fx = 6x/(x² + 3y²) → fx(2, 0.5) = 2.526
fy = 18y/(x² + 3y²) → fy(2, 0.5) = 1.895

接平面

z = 4.674 + 2.526(x − 2) + 1.895(y − 0.5)
z = 2.526x + 1.895y − 1.326

定数項

c = −1.326

答え

c = −1.326
10.多変数の微分積分

答え: A (−3, 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 = (3x² − 27) = 0
fy = (2y) = 0
(3, 0), (−3, 0)

2 階微分判定法

(3, 0): fxx = 18, fyy = 2, fxy = 0, D = 36 → 極小
(−3, 0): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → 鞍点

その点

A (−3, 0): 鞍点

答え

A (−3, 0)
11.数列と級数

答え: L = 1.25

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。

項の累乗根

|ak|1/k = (5k + 1)/(4k + 1) → 5/4

結論

L = 1.25 > 1

答え

L = 1.25

L > 1 なので、級数は発散します。

12.数列と級数

答え: P₃(−0.4) = 1.624

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) = 1 − x + x² − x³

代入する

P₃(−0.4) = 1 + 0.4 + 0.16 + 0.064 = 1.624

答え

P₃(−0.4) = 1.624

厳密な値は f(−0.4) = 1.666667 です。項を増やすか、0 に近い点を取ると、誤差 0.0426667 は小さくなります。

13.ラプラス変換

答え: f(0.3) = 1.145

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

部分分数展開

5s + 16 = 5(s + 4) + −4
F(s) = 5/(s + 4) − 4/(s + 4)²

逆変換

f(t) = 5·e−4t − 4·t·e−4t
f(0.3) = (5 − 4·0.3)·e−4·0.3 = 1.145

答え

f(0.3) = 1.145
14.ラプラス変換

答え: g(0.1) = 0.8024

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) = (s + 2)/(s² + 4s + 8)

部分分数展開

s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2²
G(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (0/2)·2/((s + 2)² + 2²)

インパルス応答

g(t) = e−2t·(cos 2t)
g(0.1) = 0.8024

答え

g(0.1) = 0.8024
15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 0.1259

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) = 4e−4t∫₀ᵗ e−(3 − 4)τ dτ = 4(e−4t − e−3t)/(−1)

計算する

y(1) = 4·(0.01832 − 0.04979)/(−1) = 0.1259

答え

y(1) = 0.1259
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c1 = 1.211

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。

デューティ比

D = 2/5 = 0.4

高調波の振幅

c1 = (2·2/(1π))·|sin(1π·0.4)| = 1.211

答え

c1 = 1.211

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