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
t (min)T (°C)21Ta​T = ?

Банку газировки температурой 6 °C достали из холодильника в комнату при 23 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,03 min⁻¹ найдите температуру T через 21 min.

T0 = 6 °CTa = 23 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 21 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
ty1,5y(1,5) = ?

Решите y′ + y = 2e−0,5t при y(0) = 0. Найдите y(1,5).

y′ + y = 2e−0,5ty(0) = 0
y(1.5) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−3335−3−4204

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−3 3 3; 5 −3 −4; 2 0 4]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−5−153b =89

Решите систему −5x − y = 8 и 5x + 3y = 9. Найдите x.

−5x − y = 85x + 3y = 9
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (5, −7, −7) и b = (2, −6, 0).

a = (5, −7, −7)b = (2, −6, 0)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzrFOA

Сила F = (20, 50, 40) N действует в точке A(3, −1, −3). Координаты даны в метрах. Найдите модуль |M| момента силы относительно точка O(−2, 0, 2).

F = (20, 50, 40) NA(3, −1, −3) mO(−2, 0, 2) m
|M| = N·m
7.ИнтегралыСредняя
xy14y = x ln x

Вычислите I = ∫₁4 x·ln x dx.

∫₁4 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xy−11

Найдите площадь A области между параболой y = 1 − x² и осью x.

y = 1 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя

z = 3x³y² + 3x² − 3y² − 4xy, где x = −t − 2 и y = −t². Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = −1.

z = 3x³y² + 3x² − 3y² − 4xyx = −t − 2y = −t²t = −1
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−20−2−101(0, 0)(−1, −1)

Функция f(x, y) = x³ + y³ + 3xy имеет критическую точку (0, 0). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ + y³ + 3xyP = (0, 0)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ k/(k + 4)k = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ k/(k + 4)B: Σ 1/(k(k + 4))C: Σ k!/3ᵏD: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ k/(k + 4)
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 4))
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = sin x приближается её многочленом Маклорена степени 3 в точке x = 0,2. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 1, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₃|.

f(x) = sin xn = 3x = 0,2M = 1
|R₃| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 3)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,6).

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 3))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Решите y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 10 и y′(0) = −15 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 10y′(0) = −15t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t4h(t)t0,51

Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−2tu(t). На входе ступенька x(t) = 4·u(t). Найдите выход y(0,5) при t = 0,5 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
u[n]2+y[n]−0,5·z⁻¹+

Система подчиняется уравнению y[n] = −0,5·y[n − 1] + 2·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[3].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[3] =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 13,95 °C

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.

Решение закона охлаждения

T(t) = 23 + (−17)·e−0,03t

Подставьте t

T(21) = 23 + (−17)·0,5326 = 13,95 °C

Ответ

T = 13,95 °C
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 0,9969

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.

Интегрирующий множитель

μ = et
(ety)′ = 2e0,5t

Общее решение

y = 2/0,5·e−0,5t + C·e−t = 4·e−0,5t + C·e−t

Начальное условие

0 = 4 + C → C = −4

Вычислите

y(1,5) = 4·0,4724 + (−4)·0,2231 = 0,9969

Ответ

y(1,5) = 0,9969
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = −30

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.

Миноры 2×2 первой строки

M₁₁ = −12, M₁₂ = 28, M₁₃ = 6

Разложение по строке

det A = (−3)·(−12) − 3·28 + 3·6 = −30

Ответ

det A = −30
4.Матрицы и определители

Ответ: x = −3,3

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.

Определитель матрицы коэффициентов

det A = (−5)·3 − (−1)·5 = −10

Замените столбец x

det Aₓ = 8·3 − (−1)·9 = 33
x = 33/(−10) = −3,3

Ответ

x = −3,3
y = 8,5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: a·b = 52

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.

Перемножьте соответствующие компоненты и сложите

a·b = 5·2 + (−7)·(−6) + (−7)·0 = 10 + 42 + 0 = 52

Ответ

a·b = 52

Положительное: угол между векторами меньше 90°.

6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: |M| = 455 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.

Радиус-вектор из O в A

r = A − O = (3, −1, −3) − (−2, 0, 2) = (5, −1, −5) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·40 − (−5)·50 = 210 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−5)·20 − 5·40 = −300 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 5·50 − (−1)·20 = 270 N·m

Модуль

|M| = √(210² + (−300)² + 270²) = 455 N·m

Ответ

|M| = 455 N·m
7.Интегралы

Ответ: I = 7,34

Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.

Выберите u и dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Первообразная

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Пределы

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34

Ответ

I = 7,34
8.Интегралы

Ответ: A = 1,333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

Интегрируйте

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Ответ

A = 1,333
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: dz/dt = 25

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.

Точка и скорости

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

Частные производные

fx = 9x²y² + 6x − 4y = 7
fy = 6x³y − 6y − 4x = 16

Цепное правило

dz/dt = 7·(−1) + 16·2 = 25

Ответ

dz/dt = 25
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: D = −9

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).

Вторые производные

fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3

Дискриминант

D = 0·0 − 3² = −9
→ седловая точка

Ответ

D = −9
11.Последовательности и ряды

Ответ: B: Σ 1/(k(k + 4))

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 k/(k + 4) → Члены стремятся к 1, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
B: Σ 1/(k(k + 4)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.
C: Σ k!/3ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, расходится.
D: Σ ln k / k → Больше 1/k при k ≥ 3: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.

Ответ

B: Σ 1/(k(k + 4))

Ответ

B: Σ 1/(k(k + 4))
12.Последовательности и ряды

Ответ: |R₃| = 6,667 × 10⁻⁵

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 = 1

Оценка Лагранжа

|R₃| ≤ 1·0,2⁴/4! = 6,667 × 10⁻⁵

Ответ

|R₃| = 6,667 × 10⁻⁵

Истинная погрешность меньше: |f(0,2) − P₃(0,2)| = 2,664 × 10⁻⁶.

13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.6) = 1,73

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).

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 20/(1·3) = 6,667
B = 20/((−1)·2) = −10
C = 20/((−3)·(−2)) = 3,333

Обратное преобразование

f(t) = 6,667 − 10·e−t + 3,333·e−3t

Вычислите

f(0,6) = 6,667 − 10·e−0,6 + 3,333·e−3·0,6 = 1,73

Ответ

f(0,6) = 1,73
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.5) = 4,155

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 − 10s − (−15) + 7(sY − 10) + 10Y = 0
Y(s) = (10s + 55)/((s + 2)(s + 5))

Простые дроби

A = 35/3 = 11,67
B = 5/(−3) = −1,667

Результат

y(t) = 11,67·e−2t − 1,667·e−5t
y(0,5) = 4,155

Ответ

y(0,5) = 4,155

Проверка: y(0) = A + B = 10.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(0.5) = 1,264

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).

Свёртка со ступенькой

y(t) = 4·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (4/2)·(1 − e−2t)

Вычислите

y(0,5) = 2·(1 − e−1) = 1,264

Ответ

y(0,5) = 1,264
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y[3] = 1,25

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] = 2
y[1] = 1
y[2] = 1,5
y[3] = 1,25

Результат

y[3] = 2·(1 − (−0,5)4)/(1 − (−0,5)) = 1,25

Ответ

y[3] = 1,25

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