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) = 5y(1) = ?

y(0) = 5、y′(0) = 4 として y″ + 8y′ + 16y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
2.微分方程式むずかしい
ty0.5y(0.5) = ?

y′ + 0.5y = 9e−3t、y(0) = 2 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y′ + 0.5y = 9e−3ty(0) = 2
y(0.5) =
3.行列と行列式ふつう
A =5−4−25−3−2−514

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [5 −4 −2; 5 −3 −2; −5 1 4]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =−4−236b =63

連立方程式 −4x − 2y = 6、3x + 6y = 3 を解きなさい。x を求めなさい。

−4x − 2y = 63x + 6y = 3
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (5, −1, −6) と b = (1, 5, 5) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (5, −1, −6)b = (1, 5, 5)
θ = °
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzrFOA

力 F = (20, 60, −40) N が点 A(2, 0, 0) に作用している。座標の単位はメートルである。 点 O(3, −2, 2) まわりの力のモーメントの y 成分 My を求めよ。

F = (20, 60, −40) NA(2, 0, 0) mO(3, −2, 2) m
My = N·m
7.積分ふつう
xy15

I = ∫15 4/x dx を計算しなさい。

f(x) = 4/x[1, 5]
I =
8.積分むずかしい
xy−11

放物線 y = 1 − x² と x 軸で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 1 − x²
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−202024vP

f(x, y) = −2x²e0.5y について、(−1, 0) での v = (4, 4) の方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = −2x²e0.5yP = (−1, 0)v = (4, 4)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy02−1012(0, 0)(1, 1)

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy の臨界点を求めて分類し、極小での f の値 fmin を答えてください。

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy
fmin =
11.数列と級数ふつう
AΣ 1/(3k + 5)k = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞

4 つの級数のうち、ちょうど 1 つが収束します。それをクリックしてください。

A: Σ 1/(3k + 5)B: Σ ln k / kC: Σ (4/5)ᵏD: Σ (7/4)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(3k + 5)
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ (4/5)ᵏ
  4. 4D: Σ (7/4)ᵏ
12.数列と級数むずかしい

a = 1 のまわりでの f(x) = e3x のテイラー級数で、(x − 1)³ の係数 c₃ を求めてください。

f(x) = e3xa = 1k = 3
c₃ =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

F(s) = (s + 19)/(s² + 6s + 9) の f(t) を求め、f(0.4) を計算せよ。

F(s) = (s + 19)/(s² + 6s + 9)t = 0.4 s
f(0.4) =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm−22

ある系が微分方程式 y″ + 4y′ + 13y = 15u 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 = 0.75 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.75) を求めよ。

y″ + 4y′ + 13y = 15ut = 0.75 s
g(0.75) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t22h(t)t11

パルス x(t) = 2(0 ≤ t < 2 s)を、h(t)、すなわち t = 0 の 1 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) = 1, h(1) = 0
Ay =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
10cos(7.5t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 10·cos(7.5t) が、h(t) = 2·e−5tu(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) = 2e−5tu(t)x(t) = 10cos(7.5t)
φ = °

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1) = 0.5312

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) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 4 + 20 = 24

計算する

y(1) = (5 + 24·1)·e−4 = 0.5312

答え

y(1) = 0.5312
2.微分方程式

答え: y(0.5) = 3.558

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)′ = 9e−2.5t

一般解

y = 9/(−2.5)·e−3t + C·e−0.5t = −3.6·e−3t + C·e−0.5t

初期条件

2 = −3.6 + C → C = 5.6

計算する

y(0.5) = −3.6·0.2231 + 5.6·0.7788 = 3.558

答え

y(0.5) = 3.558
3.行列と行列式

答え: det A = 10

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 = −10, M₁₂ = 10, M₁₃ = −10

余因子展開

det A = 5·(−10) − (−4)·10 + (−2)·(−10) = 10

答え

det A = 10
4.行列と行列式

答え: x = −2.333

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 = (−4)·6 − (−2)·3 = −18

x の列を置き換える

det Aₓ = 6·6 − (−2)·3 = 42
x = 42/(−18) = −2.333

答え

x = −2.333
y = 1.667
5.ベクトル:内積と外積

答え: θ = 122.2 °

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 = 5·1 + (−1)·5 + (−6)·5 = −30

大きさ

|a| = √(5² + (−1)² + (−6)²) = 7.874
|b| = √(1² + 5² + 5²) = 7.141

位相角

cos θ = −30/(7.874·7.141) = −0.5335
θ = arccos(−0.5335) = 122.2°

答え

θ = 122.2°
6.ベクトル:内積と外積

答え: My = −80 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 = (2, 0, 0) − (3, −2, 2) = (−1, 2, −2) m

モーメント M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 2·(−40) − (−2)·60 = 40 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·20 − (−1)·(−40) = −80 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·60 − 2·20 = −100 N·m

求める成分

My = −80 N·m

答え

My = −80 N·m
7.積分

答え: I = 6.438

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。

原始関数

F(x) = 4·ln x

上端と下端を代入する

I = 4·(ln 5 − ln 1) = 4·ln 5 = 6.438

答え

I = 6.438
8.積分

答え: A = 1.333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

積分する

A = [1x − x³/3]−11 = 0.6667 − (−0.6667) = 1.333

答え

A = 1.333
9.多変数の微分積分

答え: Duf = 2.121

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 = −4xe0.5y → fx(−1, 0) = 4
fy = −x²e0.5y → fy(−1, 0) = −1

単位ベクトル

|v| = √(4² + 4²) = 5.657
u = (0.7071, 0.7071)

内積

Duf = 4·0.7071 + (−1)·0.7071 = 2.121

答え

Duf = 2.121
10.多変数の微分積分

答え: fmin = −1

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 − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)

2 階微分判定法

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → 鞍点
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → 極小

極値での値

f(1, 1) = −1

答え

fmin = −1
11.数列と級数

答え: C: Σ (4/5)ᵏ

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/(3k + 5) → k が大きいと 1/(3k) のようにふるまいます。調和級数と比べると発散します。
B: Σ ln k / k → k ≥ 3 で 1/k より大きい:調和級数との比較により発散します。
C: Σ (4/5)ᵏ → r = 4/5 の等比級数で |r| < 1:収束します。
D: Σ (7/4)ᵏ → r = 7/4 > 1 の等比級数:項が大きくなるので発散します。

答え

C: Σ (4/5)ᵏ

答え

C: Σ (4/5)ᵏ
12.数列と級数

答え: c₃ = 90.38

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 f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 3³·e3x

係数

c₃ = 3³·e3/3! = 90.38
c₃ = 90.38

答え

c₃ = 90.38
13.ラプラス変換

答え: f(0.4) = 2.229

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 + 9 = (s + 3)²

部分分数展開

s + 19 = 1(s + 3) + 16
F(s) = 1/(s + 3) + 16/(s + 3)²

逆変換

f(t) = e−3t + 16·t·e−3t
f(0.4) = (1 + 16·0.4)·e−3·0.4 = 2.229

答え

f(0.4) = 2.229
14.ラプラス変換

答え: g(0.75) = 0.8681

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) = 15/(s² + 4s + 13)

部分分数展開

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = (15/3)·3/((s + 2)² + 3²)

インパルス応答

g(t) = e−2t·(5·sin 3t)
g(0.75) = 0.8681

答え

g(0.75) = 0.8681
15.たたみ込みと LTI システム

答え: Ay = 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。

入力の面積

∫x dt = 2·2 = 4
∫h dt = ½·1·1 = 0.5

出力の面積

Ay = 4·0.5 = 2

答え

Ay = 2
16.たたみ込みと LTI システム

答え: φ = −56.31 °

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) = 2/(5 + jω)

入力周波数での位相

φ = −atan(7.5/5) = −56.31°

答え

φ = −56.31°

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