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) = -2 として y″ + 5y′ + 6y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1) =
2.微分方程式むずかしい
tyK = 1ymax​ = ?

系が t ≥ 0 で y″ + 3y′ + 18.25y = 18.25 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。ステップ応答のピーク値 ymax を求めなさい。

y″ + 3y′ + 18.25y = 18.25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.行列と行列式ふつう
A =−31−64B =−16−5−1

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 = [−3 1; −6 4]B = [−1 6; −5 −1]
c21 =
4.行列と行列式むずかしい
A =−1−21−4

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [−1 −2; 1 −4]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (1, 6, 2) の b = (6, −2, −4) 上へのスカラー射影 compb a、つまり a の b 方向の成分を求めよ。

a = (1, 6, 2)b = (6, −2, −4)
compb a =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzABC

頂点 A(1, −3, 2)、B(−4, 2, 0)、C(2, −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(1, −3, 2)B(−4, 2, 0)C(2, −1, −1)
A = m²
7.積分ふつう
xyπ/3y = x·cos x

I = ∫₀π/3 x·cos x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
8.積分むずかしい
xyy = 0.5x2​y = 3x

y = 0.5x2 と y = 3x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 0.5x2y = 3x
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy1−1P

(x, y) = (1, −1) の点での z = y·e2xy 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) = y·e2xy(a, b) = (1, −1)
c =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 1.2y = x1.2

積分 I = ∫01.2 ∫y1.2 cos(x²) dx dy は、この順序では計算できません。積分の順序を入れ替えて計算してください。

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1.2
I =
11.数列と級数ふつう
AΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞BΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞DΣ k/(k + 1)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 2ᵏ/k²B: Σ 1/(2ᵏ + k)C: Σ (k + 2)/k²D: Σ k/(k + 1)
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k²
  2. 2B: Σ 1/(2ᵏ + k)
  3. 3C: Σ (k + 2)/k²
  4. 4D: Σ k/(k + 1)
12.数列と級数むずかしい

級数を見抜いて、その和を求めましょう:S = Σk=1∞ (−1)k+1·0.2ᵏ/k。

ak = (−1)k+1·0.2ᵏ/k
S =
13.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 1.5f(1.5) = ?

F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(1.5) を計算せよ。

F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3))t = 1.5 s
f(1.5) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = −4、y′(0) = 14 の条件で y″ + 7y′ + 12y = 0 を解き、y(0.1) を求めよ。

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = −4y′(0) = 14t = 0.1 s
y(0.1) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t33h(t)t42

パルス x(t) = 3(0 ≤ t < 3 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 2(0 ≤ t < 4 s、それ以外は 0)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) = 3, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 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)0.51210−10

三角波が周期 T = 1 ms で −10 と +10 の間を直線的に上昇・下降します。1000 Hz のフーリエ成分の振幅 c1 を求めなさい。

±10T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(1) = 1.361

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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

初期値から求める定数

A + B = 5, −2A − 3B = -2
A = 13, B = −8

計算する

y(1) = 13·e−2 + (−8)·e−3 = 1.361

答え

y(1) = 1.361
2.微分方程式

答え: ymax = 1.308

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 = 1, r = −1.5 ± 4j

初期値から求める定数

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1.5A + 4B = 0 → B = −0.375

ピーク

t = π/4 = 0.7854
ymax = 1·(1 + e−1.5·π/4) = 1.308

答え

ymax = 1.308
3.行列と行列式

答え: c21 = −14

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 = (−6)·(−1) + 4·(−5) = −14

答え

c21 = −14
4.行列と行列式

答え: λ = −2

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 − (−5)λ + (6) = 0

解く

λ = (−5 ± √(1))/2 → λ = −3, −2
λ = −2

答え

λ = −2
5.ベクトル:内積と外積

答え: compb a = −1.871

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 = 1·6 + 6·(−2) + 2·(−4) = −14

b の長さ

|b| = √(6² + (−2)² + (−4)²) = 7.483

スカラー射影

compb a = a·b/|b| = −14/7.483 = −1.871

答え

compb a = −1.871

負:a には b と逆向きの成分があります。

6.ベクトル:内積と外積

答え: A = 12.6 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 = (−5, 5, −2)
AC = C − A = (1, 2, −3)

外積

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 5·(−3) − (−2)·2 = −11
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−2)·1 − (−5)·(−3) = −17
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−5)·2 − 5·1 = −15
|AB × AC| = √((−11)² + (−17)² + (−15)²) = 25.2

三角形の面積

A = ½·25.2 = 12.6 m²

答え

A = 12.6 m²
7.積分

答え: I = 0.4069

部分積分:∫u·dv = u·v − ∫v·du。積の微分公式から導かれます。u には、微分すると簡単になるほうの因子(x のべき乗や ln x)を選び、dv には、積分できるほうの因子(eˣ、sin x、cos x、または u = ln x のときの x)を選びます。定積分では、u·v を両端で評価します:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。因子 x² があるときは 2 回行います。

u と dv を選ぶ

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

原始関数

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

極限

(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0.4069

答え

I = 0.4069
8.積分

答え: A = 18

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

0.5x2 = 3x → x = 0, x = 6

上から下を引いて積分する

A = [1.5x2 − 0.1667x3]06 = 18

答え

A = 18
9.多変数の微分積分

答え: c = −0.5413

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(1, −1) = −0.1353
fx = 2y²e2xy → fx(1, −1) = 0.2707
fy = e2xy(1 + 2xy) → fy(1, −1) = −0.1353

接平面

z = −0.1353 + 0.2707(x − 1) − 0.1353(y + 1)
z = 0.2707x − 0.1353y − 0.5413

定数項

c = −0.5413

答え

c = −0.5413
10.多変数の微分積分

答え: I = 0.4957

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)。

領域

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1.2

順序の入れ替え

I = ∫01.2 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫01.2 x·cos(x²) dx

置換 u = x²

I = [sin(x²)/2]01.2 = 0.4957

答え

I = 0.4957
11.数列と級数

答え: B: Σ 1/(2ᵏ + 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 2ᵏ/k² → 比判定法:L = 2 > 1 なので発散します。
B: Σ 1/(2ᵏ + k) → 収束する等比級数 (1/2)ᵏ より小さい:比較により収束します。
C: Σ (k + 2)/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 k/(k + 1) → 項は 0 ではなく 1 に近づきます:第 n 項判定法により発散します。

答え

B: Σ 1/(2ᵏ + k)

答え

B: Σ 1/(2ᵏ + k)
12.数列と級数

答え: S = 0.1823

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。

標準的な級数

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

代入する

x = 0.2
S = ln 1.2 = 0.1823

答え

S = 0.1823
13.ラプラス変換

答え: f(1.5) = 11.18

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)。

部分分数展開

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 50/(1·3) = 16.67
B = 50/((−1)·2) = −25
C = 50/((−3)·(−2)) = 8.333

逆変換

f(t) = 16.67 − 25·e−t + 8.333·e−3t

計算する

f(1.5) = 16.67 − 25·e−1.5 + 8.333·e−3·1.5 = 11.18

答え

f(1.5) = 11.18
14.ラプラス変換

答え: y(0.1) = −2.822

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

s²Y − (−4)s − 14 + 7(sY − (−4)) + 12Y = 0
Y(s) = (−4s − 14)/((s + 3)(s + 4))

部分分数展開

A = −2/1 = −2
B = 2/(−1) = −2

結果

y(t) = −2·e−3t − 2·e−4t
y(0.1) = −2.822

答え

y(0.1) = −2.822

検算:y(0) = A + B = −4。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 6

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] → 長さ 1 s

積分

y(1) = 3·2·1 = 6

答え

y(1) = 6

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、18 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: c1 = 8.106

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。

高調波次数

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 1

振幅

c1 = 8·10/(π²·1²) = 8.106

答え

c1 = 8.106

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