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)17Ta​253 °C125 °C

480 °C の鍛造鋼部品を 20 °C の作業場に置いて冷まします。 17 分後の温度は 253 °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 125 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 480 °CTa = 20 °CT(17) = 253 °CT = 125 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
xy12(1, 3)y(2) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + 2y/x = x、y(1) = 3 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + 2y/x = xy(1) = 3
y(2) =
3.行列と行列式ふつう
A =00−34−35−101

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [0 0 −3; 4 −3 5; −1 0 1]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =−362−6b =93

連立方程式 −3x + 6y = 9、2x − 6y = 3 を解きなさい。x を求めなさい。

−3x + 6y = 92x − 6y = 3
x =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−3, −1, 6) と b = (−2, 5, 5) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (−3, −1, 6)b = (−2, 5, 5)
θ = °
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzrFOA

力 F = (−10, −60, −50) N が点 A(−3, 3, −1) に作用している。座標の単位はメートルである。 点 O(3, −3, 3) まわりの力のモーメントの大きさ |M| を求めよ。

F = (−10, −60, −50) NA(−3, 3, −1) mO(3, −3, 3) m
|M| = N·m
7.積分ふつう
xy03

I = ∫03 e−x dx を計算しなさい。

f(x) = e−x[0, 3]
I =
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
xy−500246vP

f(x, y) = xy² − 2x³ + 5y³ + 4xy について、(−2, 3) での v = (1, 1) の方向の方向微分 Duf を求めてください。

f(x, y) = xy² − 2x³ + 5y³ + 4xyP = (−2, 3)v = (1, 1)
Duf =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 4y = x44

y = 0、x = 4、y = x 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 ≤ 40 ≤ y ≤ x
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ 5/k⁴k = 1 … ∞CΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞DΣ (5k + 1)/(k + 2)k = 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 (7/4)ᵏB: Σ 5/k⁴C: Σ k!/2ᵏD: Σ (5k + 1)/(k + 2)
  1. 1A: Σ (7/4)ᵏ
  2. 2B: Σ 5/k⁴
  3. 3C: Σ k!/2ᵏ
  4. 4D: Σ (5k + 1)/(k + 2)
12.数列と級数むずかしい
xyfP₂1.2

f(x) = cos x の 2 次のマクローリン多項式を使って、f(1.2) を近似してください。P₂(1.2) を答えてください。

f(x) = cos xn = 2x = 1.2
P₂(1.2) =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

F(s) = (3s + 37)/(s² + 4s + 4) の f(t) を求め、f(0.3) を計算せよ。

F(s) = (3s + 37)/(s² + 4s + 4)t = 0.3 s
f(0.3) =
14.ラプラス変換むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

ある系が微分方程式 y″ + 9y′ + 18y = u′ + 14u 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″ + 9y′ + 18y = u′ + 14ut = 0.1 s
g(0.1) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t23h(t)t43

パルス x(t) = 3(0 ≤ t < 2 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 3(0 ≤ t < 4 s、それ以外は 0)のシステムに加えられます。t = 1.5 s での出力 y(1.5) を求めなさい。

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1.5 s
y(1.5) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)1.55104

パルス列の高さは 4、パルス幅は 1.5 ms、周期は 5 ms です。400 Hz にある高調波次数 2 の振幅 c2 を求めなさい。

A = 4τ = 1.5 msT = 5 ms
c2 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 36.92 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(460/233)/17 = 0.04001 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(460/105)/0.04001 = 36.92 min

答え

t = 36.92 min
2.微分方程式

答え: y(2) = 1.688

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 = e∫2/x dx = x2

積分する

(x2y)′ = x3 → x2y = 1x4/4 + C

初期条件

3 = 1/4 + C → C = 2.75

計算する

y(2) = (1·24/4 + 2.75)/22 = 1.688

答え

y(2) = 1.688
3.行列と行列式

答え: det A = 9

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 = −3, M₁₂ = 9, M₁₃ = −3

余因子展開

det A = 0·(−3) − 0·9 + (−3)·(−3) = 9

答え

det A = 9
4.行列と行列式

答え: x = −12

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 = (−3)·(−6) − 6·2 = 6

x の列を置き換える

det Aₓ = 9·(−6) − 6·3 = −72
x = −72/6 = −12

答え

x = −12
y = −4.5
5.ベクトル:内積と外積

答え: θ = 51.54 °

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 = (−3)·(−2) + (−1)·5 + 6·5 = 31

大きさ

|a| = √((−3)² + (−1)² + 6²) = 6.782
|b| = √((−2)² + 5² + 5²) = 7.348

位相角

cos θ = 31/(6.782·7.348) = 0.622
θ = arccos(0.622) = 51.54°

答え

θ = 51.54°
6.ベクトル:内積と外積

答え: |M| = 731.8 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 = (−3, 3, −1) − (3, −3, 3) = (−6, 6, −4) m

モーメント M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 6·(−50) − (−4)·(−60) = −540 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−4)·(−10) − (−6)·(−50) = −260 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−6)·(−60) − 6·(−10) = 420 N·m

大きさ

|M| = √((−540)² + (−260)² + 420²) = 731.8 N·m

答え

|M| = 731.8 N·m
7.積分

答え: I = 0.9502

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−3 − 1)/(−1) = (0.04979 − 1)/(−1) = 0.9502

答え

I = 0.9502
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: Duf = 79.2

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 = y² − 6x² + 4y → fx(−2, 3) = −3
fy = 2xy + 15y² + 4x → fy(−2, 3) = 115

単位ベクトル

|v| = √(1² + 1²) = 1.414
u = (0.7071, 0.7071)

内積

Duf = (−3)·0.7071 + 115·0.7071 = 79.2

答え

Duf = 79.2
10.多変数の微分積分

答え: I = 106.7

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 ≤ 4, 0 ≤ y ≤ x

内側の積分

∫0x (3x + 4y) dy = 3x·x + 4·(x)²/2 = 5x²

外側の積分

I = 5·4³/3 = 106.7

答え

I = 106.7
11.数列と級数

答え: B: Σ 5/k⁴

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 (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。
B: Σ 5/k⁴ → p = 4 > 1 の p 級数:収束します。
C: Σ k!/2ᵏ → 比判定法:L = lim (k + 1)/2 = ∞ なので発散します。
D: Σ (5k + 1)/(k + 2) → 項は 0 ではなく 5 に近づきます:第 n 項判定法により発散します。

答え

B: Σ 5/k⁴

答え

B: Σ 5/k⁴
12.数列と級数

答え: P₂(1.2) = 0.28

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

P₂(x) = 1 − 0.5x²

代入する

P₂(1.2) = 1 − 0.72 = 0.28

答え

P₂(1.2) = 0.28

厳密な値は f(1.2) = 0.362358 です。項を増やすか、0 に近い点を取ると、誤差 0.0823578 は小さくなります。

13.ラプラス変換

答え: f(0.3) = 6.75

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

部分分数展開

3s + 37 = 3(s + 2) + 31
F(s) = 3/(s + 2) + 31/(s + 2)²

逆変換

f(t) = 3·e−2t + 31·t·e−2t
f(0.3) = (3 + 31·0.3)·e−2·0.3 = 6.75

答え

f(0.3) = 6.75
14.ラプラス変換

答え: g(0.1) = 1.253

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 + 14)/(s² + 9s + 18)

部分分数展開

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 3.667, B = −2.667

インパルス応答

g(t) = 3.667·e−3t − 2.667·e−6t
g(0.1) = 1.253

答え

g(0.1) = 1.253
15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1.5) = 13.5

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。

反転したパルスとの重なり

h(t − τ) は、h のパルスを反転し、τ = t で終わるようにずらしたものです。

τ ∈ [0, 1.5] → 長さ 1.5 s

積分

y(1.5) = 3·3·1.5 = 13.5

答え

y(1.5) = 13.5

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、18 を保ち、t = 6 s で 0 に戻ります。

16.たたみ込みと LTI システム

答え: c2 = 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 = 1.5/5 = 0.3

高調波の振幅

c2 = (2·4/(2π))·|sin(2π·0.3)| = 1.211

答え

c2 = 1.211

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