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)14Ta​36 °C

92 °C のコーヒーを 21 °C の部屋に置いておきます。 14 分後の温度は 36 °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。 定数 k を min⁻¹ で求めなさい。

T0 = 92 °CTa = 21 °CT(14) = 36 °C
k = min⁻¹
2.微分方程式むずかしい
tyK = 5y(0.25) = ?

系が t ≥ 0 で y″ + y′ + 4.25y = 21.25 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。y(0.25) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + y′ + 4.25y = 21.25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.行列と行列式ふつう
A =−5605B =−51−1−3

示された行列について C = AB とします。成分 c21(第 2 行、第 1 列)を求めなさい。

A = [−5 6; 0 5]B = [−5 1; −1 −3]
c21 =
4.行列と行列式むずかしい
A =06−410

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 6; −4 10]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (−1, −6, 6) と b = (−3, −1, 0) の内積 a·b を求めよ。

a = (−1, −6, 6)b = (−3, −1, 0)
a·b =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

a = (3, 3, 1)、b = (−3, 3, −2) のとき、外積 a × b の x 成分 (a × b)x を求めよ。

a = (3, 3, 1)b = (−3, 3, −2)
(a × b)x =
7.積分ふつう
xy12

I = ∫12 3/x dx を計算しなさい。

f(x) = 3/x[1, 2]
I =
8.積分むずかしい
xyy = x2​y = 4x

y = x2 と y = 4x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x2y = 4x
A =
9.多変数の微分積分ふつう

z = ln(x² + 2y²)、x = t、y = t² + 2 です。連鎖律を使って、t = 2 での dz/dt を求めてください。

z = ln(x² + 2y²)x = ty = t² + 2t = 2
dz/dt =
10.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−101(1, 0)(−1, 0)

f(x, y) = −x³ + 3x − y² は (−1, 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 + 3x − y²P = (−1, 0)
D =
11.数列と級数ふつう
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 3/k²k = 1 … ∞CΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞DΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞

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

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 3/k²C: Σ (k + 3)/k²D: Σ (1/2)ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 3/k²
  3. 3C: Σ (k + 3)/k²
  4. 4D: Σ (1/2)ᵏ
12.数列と級数むずかしい
xyfP₂2

f(x) = cos(0.5x) の 2 次のマクローリン多項式を使って、f(2) を近似してください。P₂(2) を答えてください。

f(x) = cos(0.5x)n = 2x = 2
P₂(2) =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−912

F(s) = (4s + 32)/(s² + 8s + 20) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.4) を計算せよ。

F(s) = (4s + 32)/(s² + 8s + 20)t = 0.4 s
f(0.4) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t) に従い、y(0) = 1、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 5 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.25) を求めよ。

y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.25 s
y(0.25) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t34h(t)t45

パルス x(t) = 4(0 ≤ t < 3 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 5(0 ≤ t < 4 s、それ以外は 0)のシステムに加えられます。t = 3 s での出力 y(3) を求めなさい。

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 3 s
y(3) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
δ[n]2+h[n]0.5·z⁻¹+

システムは y[n] = 0.5·y[n − 1] + 2·x[n] に従い、静止状態から始まります。そのインパルス応答の標本 h[3] を求めなさい。

y[n] = 0.5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3溶液

1.微分方程式

答え: k = 0.111 min⁻¹

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。

温度差の比

e−14k = 15/71

k について解く

k = ln(71/15)/14 = 0.111 min⁻¹

答え

k = 0.111 min⁻¹
2.微分方程式

答え: y(0.25) = 0.5988

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。

定常値と根

yss = 5, r = −0.5 ± 2j

初期値から求める定数

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0.5A + 2B = 0 → B = −1.25

計算する

y(0.25) = 5·(1 − e−0.125(cos 0.5 + 0.25·sin 0.5)) = 0.5988

答え

y(0.25) = 0.5988
3.行列と行列式

答え: c21 = −5

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。

行 × 列

c21 = 0·(−5) + 5·(−1) = −5

答え

c21 = −5
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 − (10)λ + (24) = 0

解く

λ = (10 ± √(4))/2 → λ = 4, 6
λ = 6

答え

λ = 6
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = 9

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)·(−3) + (−6)·(−1) + 6·0 = 3 + 6 + 0 = 9

答え

a·b = 9

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 × b)x = −9

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.

外積を成分ごとに計算する

(a × b)x = aybz − azby = 3·(−2) − 1·3 = −9
(a × b)y = azbx − axbz = 1·(−3) − 3·(−2) = 3
(a × b)z = axby − aybx = 3·3 − 3·(−3) = 18

求める成分

(a × b)x = −9

答え

(a × b)x = −9

検算:a × b は両方のベクトルに垂直なので、a および b との内積は 0 です。

7.積分

答え: I = 2.079

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) = 3·ln x

上端と下端を代入する

I = 3·(ln 2 − ln 1) = 3·ln 2 = 2.079

答え

I = 2.079
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。

交点

x2 = 4x → x = 0, x = 4

上から下を引いて積分する

A = [2x2 − 0.3333x3]04 = 10.67

答え

A = 10.67
9.多変数の微分積分

答え: dz/dt = 1.316

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。

点と変化率

x(2) = 2, y(2) = 6
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 4

偏導関数

fx = 2x/(x² + 2y²) = 0.05263
fy = 4y/(x² + 2y²) = 0.3158

連鎖律

dz/dt = 0.05263·1 + 0.3158·4 = 1.316

答え

dz/dt = 1.316
10.多変数の微分積分

答え: D = −12

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 = 6, fyy = −2, fxy = 0

判別式

D = 6·(−2) − 0² = −12
→ 鞍点

答え

D = −12
11.数列と級数

答え: C: Σ (k + 3)/k²

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)ᵏ/√k → 交代級数で、1/√k が 0 に減少します:(条件)収束します。
B: Σ 3/k² → p = 2 > 1 の p 級数:収束します。
C: Σ (k + 3)/k² → k が大きいと 1/k のようにふるまいます:調和級数との比較により発散します。
D: Σ (1/2)ᵏ → r = 1/2 の等比級数で |r| < 1:収束します。

答え

C: Σ (k + 3)/k²

答え

C: Σ (k + 3)/k²
12.数列と級数

答え: P₂(2) = 0.5

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 − 0.125x²

代入する

P₂(2) = 1 − 0.5 = 0.5

答え

P₂(2) = 0.5

厳密な値は f(2) = 0.540302 です。項を増やすか、0 に近い点を取ると、誤差 0.0403023 は小さくなります。

13.ラプラス変換

答え: f(0.4) = 1.721

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)。

平方完成する

s² + 8s + 20 = (s + 4)² + 4 = (s + 4)² + 2²

分子を合わせる

F(s) = 4·(s + 4)/((s + 4)² + 2²) + (16/2)·2/((s + 4)² + 2²)

逆変換

f(t) = e−4t·(4·cos 2t + 8·sin 2t)
f(0.4) = e−4·0.4·(4·cos(2·0.4) + 8·sin(2·0.4)) = 1.721

答え

f(0.4) = 1.721
14.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 2.752

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 + 5s + 6)·Y(s) = 1s + 5 + 90/s
Y(s) = (s² + 5s + 90)/(s(s + 2)(s + 3))

部分分数展開

A = 90/(2·3) = 15
B = 84/((−2)·1) = −42
C = 84/((−3)·(−1)) = 28

結果

y(t) = 15 − 42·e−2t + 28·e−3t
y(0.25) = 2.752

答え

y(0.25) = 2.752

検算:y(0) = A + B + C = 1。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(3) = 60

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, 3] → 長さ 3 s

積分

y(3) = 4·5·3 = 60

答え

y(3) = 60

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、60 を保ち、t = 7 s で 0 に戻ります。

16.たたみ込みと LTI システム

答え: h[3] = 0.25

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。

反復計算

h[0] = 2
h[1] = 1
h[2] = 0.5
h[3] = 0.25

結果

h[3] = 2·(0.5)3 = 0.25

答え

h[3] = 0.25

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