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(1) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 0 として y″ + 8y′ + 15y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
2.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 2y(1.5) = ?

y(0) = 2、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + y′ + 16.25y = 0 を解きなさい。y(1.5) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + y′ + 16.25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.行列と行列式ふつう
A =−5−4−4−1−25−4−32

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [−5 −4 −4; −1 −2 5; −4 −3 2]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =−1−25−1b =35

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

−x − 2y = 35x − y = 5
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (−1, 5, 5) と b = (−7, −7, 7) の内積 a·b を求めよ。

a = (−1, 5, 5)b = (−7, −7, 7)
a·b =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

単位ベクトル n̂ は、a = (4, −4, −4) と b = (2, 2, −5) の両方に垂直で、z 成分が正である。その y 成分 n̂y を求めよ。

a = (4, −4, −4)b = (2, 2, −5)n̂z > 0
n̂y =
7.積分ふつう
xy02

I = ∫02 e−x dx を計算しなさい。

f(x) = e−x[0, 2]
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
xy23∇fP

f(x, y) = 5x³y² + 4x² + 2y³ − 4xy について、(2, 3) で最も急に増加する方向を、正の x 軸からの角度 θ として、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

f(x, y) = 5x³y² + 4x² + 2y³ − 4xyP = (2, 3)
θ = °
10.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 3y = 2x36

y = 0、x = 3、y = 2x で囲まれた三角形 T 上で、I = ∬T (3x + 4y) dA を計算してください。

f = 3x + 4y0 ≤ x ≤ 30 ≤ y ≤ 2x
I =
11.数列と級数ふつう
kSn​12345678910S = ?

和 S = Σk=1∞ 4/(k(k + 3)) を求めてください。

ak = 4/(k(k + 3))
S =
12.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 0.2 で 4 次のマクローリン多項式で近似します。M = e0.2 = 1.221 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 |R₄| を求めてください。

f(x) = eˣn = 4x = 0.2M = 1.221
|R₄| =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

F(s) = (2s + 24)/(s² + 6s + 9) の f(t) を求め、f(0.25) を計算せよ。

F(s) = (2s + 24)/(s² + 6s + 9)t = 0.25 s
f(0.25) =
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″ + 10y′ + 24y = 96·u(t) に従い、y(0) = 5、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″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)y(0) = 5y′(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)t1h(t)t21

システムのインパルス応答は h(t) = e−0.5tu(t) です。入力はステップ x(t) = 1·u(t) です。t = 4 s での出力 y(4) を求めなさい。

h(t) = e−0.5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 4 s
y(4) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
δ(t)y′ + 4y = 10xh(t)

システムは y′(t) + 4·y(t) = 10·x(t) に従います。t = 0.2 s でのインパルス応答 h(0.2) を求めなさい。

y′ + 4y = 10xt = 0.2 s
h(0.2) =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1) = 0.1144

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。

特性方程式の根

(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

初期値から求める定数

A + B = 1, −3A − 5B = 0
A = 2.5, B = −1.5

計算する

y(1) = 2.5·e−3 + (−1.5)·e−5 = 0.1144

答え

y(1) = 0.1144
2.微分方程式

答え: y(1.5) = 0.8741

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 = −0.5 ± 4j

定数

A = 2, B = 0.5·2/4 = 0.25

計算する

y(1.5) = e−0.75(2·cos 6 + 0.25·sin 6) = 0.8741

答え

y(1.5) = 0.8741
3.行列と行列式

答え: det A = 37

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 = 11, M₁₂ = 18, M₁₃ = −5

余因子展開

det A = (−5)·11 − (−4)·18 + (−4)·(−5) = 37

答え

det A = 37
4.行列と行列式

答え: x = 0.6364

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 = (−1)·(−1) − (−2)·5 = 11

x の列を置き換える

det Aₓ = 3·(−1) − (−2)·5 = 7
x = 7/11 = 0.6364

答え

x = 0.6364
y = −1.818
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = 7

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 = (−1)·(−7) + 5·(−7) + 5·7 = 7 + (−35) + 35 = 7

答え

a·b = 7

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: n̂y = 0.3487

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

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·(−5) − (−4)·2 = 28
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·2 − 4·(−5) = 12
(a × b)z = axby − aybx = 4·2 − (−4)·2 = 16

正規化する

a × b の z 成分はすでに正です。

|a × b| = √(28² + 12² + 16²) = 34.41
n̂ = (28, 12, 16)/34.41 = (0.8137, 0.3487, 0.465)
n̂y = 0.3487

答え

n̂y = 0.3487
7.積分

答え: I = 0.8647

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) = e−x/(−1)

上端と下端を代入する

I = (e−2 − 1)/(−1) = (0.1353 − 1)/(−1) = 0.8647

答え

I = 0.8647
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: θ = 27.73 °

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。

偏導関数

fx = 15x²y² + 8x − 4y → fx(2, 3) = 544
fy = 10x³y + 6y² − 4x → fy(2, 3) = 286

向き

θ = atan2(286, 544) = 27.73°

答え

θ = 27.73°
10.多変数の微分積分

答え: I = 126

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)。

極限

0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 2x

内側の積分

∫02x (3x + 4y) dy = 3x·2x + 4·(2x)²/2 = 14x²

外側の積分

I = 14·3³/3 = 126

答え

I = 126
11.数列と級数

答え: S = 2.444

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

4/(k(k + 3)) = (4/3)·(1/k − 1/(k + 3))

キャンセル

S = (4/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 2.444

答え

S = 2.444
12.数列と級数

答え: |R₄| = 3.257 × 10⁻⁶

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 = e0.2 = 1.221

ラグランジュの評価

|R₄| ≤ 1.221·0.2⁵/5! = 3.257 × 10⁻⁶

答え

|R₄| = 3.257 × 10⁻⁶

真の誤差はもっと小さくなります:|f(0.2) − P₄(0.2)| = 2.758 × 10⁻⁶。

13.ラプラス変換

答え: f(0.25) = 3.07

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

2s + 24 = 2(s + 3) + 18
F(s) = 2/(s + 3) + 18/(s + 3)²

逆変換

f(t) = 2·e−3t + 18·t·e−3t
f(0.25) = (2 + 18·0.25)·e−3·0.25 = 3.07

答え

f(0.25) = 3.07
14.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 5.763

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 + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 192/s
Y(s) = (5s² + 50s + 192)/(s(s + 4)(s + 6))

部分分数展開

A = 192/(4·6) = 8
B = 72/((−4)·2) = −9
C = 72/((−6)·(−2)) = 6

結果

y(t) = 8 − 9·e−4t + 6·e−6t
y(0.2) = 5.763

答え

y(0.2) = 5.763

検算:y(0) = A + B + C = 5。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(4) = 1.729

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。

ステップとのたたみ込み

y(t) = 1·∫₀ᵗ e−0.5τ dτ = (1/0.5)·(1 − e−0.5t)

計算する

y(4) = 2·(1 − e−2) = 1.729

答え

y(4) = 1.729
16.たたみ込みと LTI システム

答え: h(0.2) = 4.493

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。

伝達関数

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 4)

インパルス応答

h(t) = 10·e−4tu(t)
h(0.2) = 10·e−0.8 = 4.493

答え

h(0.2) = 4.493

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