Инженерная математика 2: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (16) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Дифференциальные уравнения

Экспоненциальный рост/убывание
dy/dt = ky → y = y0ekt
Период полураспада
k = ln 2 / t½
Закон охлаждения Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Интегрирующий множитель
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак смешения
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Матрицы и определители

определитель 2×2
det = ad − bc
Обратная матрица 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Собственные значения
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)

Векторы: скалярное и векторное произведения

Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Единичный вектор
û = a/|a|
Компоненты по углу
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярное произведение
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярная проекция a на b
a·b/|b|
Работа
W = F·d
Векторное произведение
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площади
параллелограмм |a × b|, треугольник ½|a × b|
Момент относительно O
MO = r × F, r = A − O
Объём параллелепипеда
V = |a·(b × c)|

Метод

  1. Записывайте каждый вектор в компонентах; для силы, заданной модулем и углом, используйте F·cos θ и F·sin θ.
  2. Для длин и направлений используйте модуль √(x² + y² + z²) и единичный вектор a/|a|.
  3. Скалярное произведение применяйте для углов, проекций, перпендикулярности и работы: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Векторное произведение применяйте для перпендикулярных векторов, площадей и моментов: аккуратно записывайте три компоненты, сохраняя порядок a × b.

Интегралы

Производная степени
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Определённый интеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
  2. Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для ex, 1/x, sin и cos.
  3. Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
  4. Для определённого интеграла вычислите F(b) − F(a).

Математический анализ функций нескольких переменных

Частные производные
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градиент
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Производная по направлению
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Касательная плоскость
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Цепное правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест по вторым производным
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Двойной интеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярные координаты
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Метод

  1. Для частной производной считайте другую переменную константой и используйте правила для одной переменной.
  2. В задачах на градиент вычислите ∇f = (fx, fy) в точке; используйте |∇f| для наибольшего наклона и ∇f·u с единичным вектором u для производной по направлению.
  3. Для экстремумов решите fx = 0 и fy = 0 совместно, затем классифицируйте каждую точку по D = fxx·fyy − fxy².
  4. Для двойного интеграла нарисуйте область, выберите порядок (или полярные координаты для кругов) так, чтобы пределы внутреннего интеграла были ограничивающими кривыми, и интегрируйте сначала внутренний.

Последовательности и ряды

Арифметическая прогрессия
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрическая прогрессия
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Бесконечный геометрический ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Признак Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радиус сходимости
R = lim |ck/ck+1|
Многочлен Тейлора
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Ряд Маклорена
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Оценка Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Метод

  1. Определите тип: арифметическая (постоянная разность), геометрическая (постоянное отношение), стандартный ряд, степенной ряд или многочлен Тейлора.
  2. Для сумм используйте Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) или S = a₁/(1 − r) при |r| < 1, где a₁ — первый член суммы.
  3. Для сходимости: сначала признак n-го члена, затем сравнение с Σ1/kᵖ или с геометрическим рядом, а для факториалов и k-х степеней используйте признак Даламбера или радикальный признак Коши.
  4. Для многочленов Тейлора выпишите f(a), f′(a), f″(a), …, разделите k-ю производную на k! и оцените погрешность по M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Свёртка и линейные стационарные системы

Дискретная свёртка
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Непрерывная свёртка
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Длина и сумма
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Начало, конец и площадь
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Ступенька на входе системы e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Система первого порядка
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Рекурсия первого порядка
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Синусоида на входе системы h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Амплитуды ряда Фурье
меандр ±A: 4A/(kπ), нечётные k; треугольная волна ±A: 8A/(π²k²), нечётные k; последовательность импульсов: A·D и (2A/(kπ))|sin kπD|

Метод

  1. Нарисуйте оба сигнала и отметьте, где каждый из них отличен от нуля.
  2. Отразите h и сдвигайте её: для каждого момента выхода найдите диапазон, где оба сигнала перекрываются.
  3. Перемножайте и складывайте (дискретный случай) или перемножайте и интегрируйте (непрерывный случай) только на этом перекрытии.
  4. Проверьте результат: выход начинается в сумме моментов начала, заканчивается в сумме моментов окончания, а его площадь или сумма равна произведению площадей или сумм входов.

2Тренировочные задачи

1.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 5y(2) = ?

Решите y″ + 6y′ + 9y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = -1. Найдите y(2).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyy(0) = 3y(0,25) = ?

Решите y″ + 4y′ + 8y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(0,25); углы в радианах.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =3−5−20B =−2−66−2

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c21 (строка 2, столбец 1).

A = [3 −5; −2 0]B = [−2 −6; 6 −2]
c21 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =22−2−3

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [2 2; −2 −3]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzdFAB

Постоянная сила F = (20, −30, −20) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−2, 1, 0) в точку B(1, 1, −2). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (20, −30, −20) NA(−2, 1, 0) mB(1, 1, −2) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (4, −4, −3) и b = (−2, 1, −5) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.

a = (4, −4, −3)b = (−2, 1, −5)n̂z > 0
n̂y =
7.ИнтегралыСредняя
xy28

Вычислите I = ∫28 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 8]
I =
8.ИнтегралыСложная
xy−22

Найдите площадь A области между параболой y = 4 − x² и осью x.

y = 4 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy20,5∇fP

Для f(x, y) = sin(−x + y) найдите наибольшую скорость изменения f в точке (2, 0,5), то есть |∇f|.

f(x, y) = sin(−x + y)P = (2, 0,5)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−202−202AB

Отмеченные точки — критические точки функции f(x, y) = x³ − 12x + y² + 2y. Нажмите на седловую точку.

f(x, y) = x³ − 12x + y² + 2y
  1. 1A (−2, −1)
  2. 2B (2, −1)
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ (k + 4)/k²k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ (3/2)ᵏB: Σ k!/3ᵏC: Σ (−1)ᵏ/√kD: Σ (k + 4)/k²
  1. 1A: Σ (3/2)ᵏ
  2. 2B: Σ k!/3ᵏ
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/√k
  4. 4D: Σ (k + 4)/k²
12.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = ln(1 + x) приближается её многочленом Маклорена степени 4 в точке x = 0,3. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 4! = 24, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₄|.

f(x) = ln(1 + x)n = 4x = 0,3M = 24
|R₄| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−5−10−15−20−25−30

F(s) = (s + 29)/(s² + 5s + 6). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−2t + B·e−3t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (s + 29)/(s² + 5s + 6)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Решите y″ + 9y′ + 20y = 0 при y(0) = 8 и y′(0) = −6 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,25).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 8y′(0) = −6t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t4h(t)t1

На систему с h(t) = e−5tu(t) подан вход x(t) = 4·e−4tu(t). Найдите выход y(2) при t = 2 s.

x(t) = 4·e−4tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
u[n]0,5+y[n]−0,8·z⁻¹+

Система подчиняется уравнению y[n] = −0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[2].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,0818

Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.

Двойной корень

(r + 3)² = 0 → r = −3

Константы

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 15 = 14

Вычислите

y(2) = (5 + 14·2)·e−6 = 0,0818

Ответ

y(2) = 0,0818
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.25) = 2,469

Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.

Комплексные корни

r = −2 ± 2j

Константы

A = 3, B = 2·3/2 = 3

Вычислите

y(0,25) = e−0,5(3·cos 0,5 + 3·sin 0,5) = 2,469

Ответ

y(0,25) = 2,469
3.Матрицы и определители

Ответ: c21 = 4

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Строка на столбец

c21 = (−2)·(−2) + 0·6 = 4

Ответ

c21 = 4
4.Матрицы и определители

Ответ: λ = 1

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Характеристическое уравнение

λ² − (−1)λ + (−2) = 0

Решите

λ = (−1 ± √(9))/2 → λ = −2, 1
λ = 1

Ответ

λ = 1
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: W = 100 J

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.

Перемещение

d = B − A = (1, 1, −2) − (−2, 1, 0) = (3, 0, −2) m

Работа

W = F·d = 20·3 + (−30)·0 + (−20)·(−2) = 100 J

Ответ

W = 100 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: n̂y = −0,7441

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.

Векторное произведение

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·(−5) − (−3)·1 = 23
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−2) − 4·(−5) = 26
(a × b)z = axby − aybx = 4·1 − (−4)·(−2) = −4

Нормирование

z-компонента a × b отрицательна, поэтому берите −(a × b).

|a × b| = √(23² + 26² + (−4)²) = 34,94
n̂ = −(23, 26, −4)/34,94 = (−0,6582, −0,7441, 0,1145)
n̂y = −0,7441

Ответ

n̂y = −0,7441
7.Интегралы

Ответ: I = 5,545

Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.

Первообразная

F(x) = 4·ln x

Подставьте пределы

I = 4·(ln 8 − ln 2) = 4·ln 4 = 5,545

Ответ

I = 5,545
8.Интегралы

Ответ: A = 10,67

Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.

Нули

4 − x² = 0 → x = ±2

Интегрируйте

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Ответ

A = 10,67
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: |∇f| = 0,1

Градиент: ∇f = (fx, fy) указывает направление наискорейшего роста, а |∇f| — наибольшая скорость изменения. Производная по направлению v равна Duf = ∇f·u, где единичный вектор u = v/|v|. Касательная плоскость в точке (a, b) задаётся уравнением z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); она даёт линейное приближение f вблизи этой точки. Цепное правило: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Частные производные

fx = −1 cos(−x + y) → fx(2, 0,5) = −0,07074
fy = 1 cos(−x + y) → fy(2, 0,5) = 0,07074

Длина градиента

|∇f| = √((−0,07074)² + 0,07074²) = 0,1

Ответ

|∇f| = 0,1
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: A (−2, −1)

Критические точки и двойные интегралы: в критической точке fx = fy = 0. Тест по вторым производным с D = fxxfyy − fxy²: D > 0 и fxx > 0 — локальный минимум, D > 0 и fxx < 0 — локальный максимум, D < 0 — седловая точка, а D = 0 ничего не решает. Для двойного интеграла по произвольной области пусть пределы внутреннего интеграла будут кривыми, ограничивающими область; для кругов и секторов используйте полярные координаты, x = r cos θ, y = r sin θ и dA = r dr dθ (не забывайте множитель r).

Критические точки

Решите fx = 0 и fy = 0 совместно.

fx = (3x² − 12) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(2, −1), (−2, −1)

Тест по вторым производным

(2, −1): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → локальный минимум
(−2, −1): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → седловая точка

Точка

A (−2, −1): седловая точка

Ответ

A (−2, −1)
11.Последовательности и ряды

Ответ: C: Σ (−1)ᵏ/√k

Сходимость: если члены не стремятся к 0, ряд расходится (необходимый признак сходимости, признак n-го члена). Σ1/kᵖ сходится только при p > 1, а Σrᵏ — только при |r| < 1. Сравнивайте ряд с одним из них, когда его члены при больших k ведут себя так же. Признак Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; радикальный признак Коши: L = lim |ak|1/k. При L < 1 ряд сходится, при L > 1 расходится, при L = 1 вывода нет. Степенной ряд Σck(x − x₀)ᵏ сходится при |x − x₀| < R, где R = lim |ck/ck+1|; знакочередующийся ряд с членами, убывающими к 0, сходится.

Проверьте каждый ряд

A: Σ (3/2)ᵏ → Геометрический ряд с r = 3/2 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
B: Σ k!/3ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, расходится.
C: Σ (−1)ᵏ/√k → Знакочередующийся, 1/√k убывает к 0: сходится (условно).
D: Σ (k + 4)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.

Ответ

C: Σ (−1)ᵏ/√k

Ответ

C: Σ (−1)ᵏ/√k
12.Последовательности и ряды

Ответ: |R₄| = 0,000486

Многочлены Тейлора: вблизи x = a гладкая функция приближается многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; при a = 0 это многочлен Маклорена. Стандартные ряды: 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. Оценка остатка по Лагранжу: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, где M — наибольшее значение |f⁽ⁿ⁺¹⁾| между a и x.

Оценка производной

M = 4! = 24

Оценка Лагранжа

|R₄| ≤ 24·0,3⁵/5! = 0,000486

Ответ

|R₄| = 0,000486

Истинная погрешность меньше: |f(0,3) − P₄(0,3)| = 0,0003893.

13.Преобразования Лапласа

Ответ: A = 27

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Разложение знаменателя на множители

s² + 5s + 6 = (s + 2)(s + 3)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 3)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 2) и положите s = −2: слагаемое с B обращается в нуль.

A = (s + 29)/(s + 3) |s = −2 = 27/1 = 27

Ответ

A = 27
(B = −26, поэтому f(t) = 27·e−2t − 26·e−3t)
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 5,059

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Преобразование уравнения

s²Y − 8s − (−6) + 9(sY − 8) + 20Y = 0
Y(s) = (8s + 66)/((s + 4)(s + 5))

Простые дроби

A = 34/1 = 34
B = 26/(−1) = −26

Результат

y(t) = 34·e−4t − 26·e−5t
y(0,25) = 5,059

Ответ

y(0,25) = 5,059

Проверка: y(0) = A + B = 8.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(2) = 0,00116

Непрерывная свёртка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Отразите h, сдвиньте в положение t и проинтегрируйте произведение перекрывающихся частей. Для причинных сигналов интеграл берётся от 0 до t. Полезные факты: площадь y равна площади x, умноженной на площадь h; если x длится от t₁ до t₂, а h — от t₃ до t₄, то y длится от t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) и ступеньки высотой A получаем y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Интеграл свёртки

y(t) = 4e−5t∫₀ᵗ e−(4 − 5)τ dτ = 4(e−5t − e−4t)/(−1)

Вычислите

y(2) = 4·(4,54 × 10⁻⁵ − 0,0003355)/(−1) = 0,00116

Ответ

y(2) = 0,00116
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y[2] = 0,42

Импульсная характеристика и ряд Фурье: импульсная характеристика h(t) полностью описывает линейную стационарную систему: для y′ + a·y = b·x она равна h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоида cos ωt проходит с коэффициентом передачи |H(jω)| и фазой ∠H(jω), где H — преобразование Фурье функции h. Периодический сигнал — это сумма гармоник на частотах k/T: меандр с амплитудой ±A содержит только нечётные гармоники с амплитудами 4A/(kπ), треугольная волна с пиком A — 8A/(π²k²), а последовательность импульсов высотой A и коэффициентом заполнения D имеет среднее значение A·D и гармоники (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Итерации

y[0] = 0,5
y[1] = 0,1
y[2] = 0,42

Результат

y[2] = 0,5·(1 − (−0,8)3)/(1 − (−0,8)) = 0,42

Ответ

y[2] = 0,42

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2