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)6Ta​62 °C72 °C

Чашку кофе температурой 88 °C оставили в комнате при 19 °C. Через 6 min температура равна 62 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 72 °C?

T0 = 88 °CTa = 19 °CT(6) = 62 °CT = 72 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
ty1,5y(1,5) = ?

Решите y′ + 0,5y = 6e−2t при y(0) = 2. Найдите y(1,5).

y′ + 0,5y = 6e−2ty(0) = 2
y(1.5) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−3−315−4−2−20−4

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−3 −3 1; 5 −4 −2; −2 0 −4]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−6−526b =−2−7

Решите систему −6x − 5y = −2 и 2x + 6y = −7. Найдите x.

−6x − 5y = −22x + 6y = −7
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (7, 7, −7) и b = (2, −3, 5).

a = (7, 7, −7)b = (2, −3, 5)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (0, 4, 5) и b = (−4, −1, −1) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.

a = (0, 4, 5)b = (−4, −1, −1)n̂z > 0
n̂y =
7.ИнтегралыСредняя
xy01

Вычислите I = ∫01 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 1]
I =
8.ИнтегралыСложная
xyy = x2​y = 3x

Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя

z = 5x²y − 2xy, где x = −t − 1 и y = −2t² − 2. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 2.

z = 5x²y − 2xyx = −t − 1y = −2t² − 2t = 2
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xyx = 1y = x1

Интеграл I = ∫01 ∫y1 ex² dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.

f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
kSn​12345678910

Найдите сумму S = Σk=135 1/(k(k + 1)).

ak = 1/(k(k + 1))n = 35
S =
12.Последовательности и рядыСложная

Найдите коэффициент c₂ при (x − 25)² в ряде Тейлора функции f(x) = √x в точке a = 25.

f(x) = √xa = 25k = 2
c₂ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−5−10−15−20

F(s) = (2s + 40)/(s² + 13s + 40). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (2s + 40)/(s² + 13s + 40)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 1. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,25).

y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t24h(t)t45

Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 5 при 0 ≤ t < 4 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
10cos(20t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

На систему с h(t) = 5·e−10tu(t) подан вход x(t) = 10·cos(20t). Найдите амплитуду Ym установившегося выхода.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(20t)
Ym =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: t = 3,347 min

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.

Константа охлаждения

k = ln(69/43)/6 = 0,07882 min⁻¹

Время достижения целевой температуры

t = ln(69/53)/0,07882 = 3,347 min

Ответ

t = 3,347 min
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 2,635

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 6e−1,5t

Общее решение

y = 6/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −4·e−2t + C·e−0,5t

Начальное условие

2 = −4 + C → C = 6

Вычислите

y(1,5) = −4·0,04979 + 6·0,4724 = 2,635

Ответ

y(1,5) = 2,635
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = −128

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 = 16, M₁₂ = −24, M₁₃ = −8

Разложение по строке

det A = (−3)·16 − (−3)·(−24) + 1·(−8) = −128

Ответ

det A = −128
4.Матрицы и определители

Ответ: x = 1,808

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 = (−6)·6 − (−5)·2 = −26

Замените столбец x

det Aₓ = (−2)·6 − (−5)·(−7) = −47
x = −47/(−26) = 1,808

Ответ

x = 1,808
y = −1,769
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: a·b = −42

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 = 7·2 + 7·(−3) + (−7)·5 = 14 + (−21) + (−35) = −42

Ответ

a·b = −42

Отрицательное: угол между векторами больше 90°.

6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: n̂y = −0,7803

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·(−1) − 5·(−1) = 1
(a × b)y = azbx − axbz = 5·(−4) − 0·(−1) = −20
(a × b)z = axby − aybx = 0·(−1) − 4·(−4) = 16

Нормирование

z-компонента a × b уже положительна.

|a × b| = √(1² + (−20)² + 16²) = 25,63
n̂ = (1, −20, 16)/25,63 = (0,03901, −0,7803, 0,6242)
n̂y = −0,7803

Ответ

n̂y = −0,7803
7.Интегралы

Ответ: I = 0,6321

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) = e−x/(−1)

Подставьте пределы

I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321

Ответ

I = 0,6321
8.Интегралы

Ответ: A = 4,5

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.

Точки пересечения

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Ответ

A = 4,5
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: dz/dt = −728

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(2) = −3, y(2) = −10
dx/dt = −1, dy/dt = −4t = −8

Частные производные

fx = 10xy − 2y = 320
fy = 5x² − 2x = 51

Цепное правило

dz/dt = 320·(−1) + 51·(−8) = −728

Ответ

dz/dt = −728
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 0,8591

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).

Область

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1

Изменённый порядок

I = ∫01 ∫0x ex² dy dx = ∫01 x·ex² dx

Замена u = x²

I = [ex²/2]01 = 0,8591

Ответ

I = 0,8591
11.Последовательности и ряды

Ответ: S = 0,9722

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.

Простые дроби

1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))

Отмена

S = 1·(1 − 1/36) = 0,9722

Ответ

S = 0,9722
12.Последовательности и ряды

Ответ: c₂ = −0,001

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.

Производная f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2

Коэффициент

c₂ = −0,25·251/2 − 2/2! = −0,001
c₂ = −0,001

Ответ

c₂ = −0,001
13.Преобразования Лапласа

Ответ: A = 10

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 5) и положите s = −5: слагаемое с B обращается в нуль.

A = (2s + 40)/(s + 8) |s = −5 = 30/3 = 10

Ответ

A = 10
(B = −8, поэтому f(t) = 10·e−5t − 8·e−8t)
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 5,45

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

(s² + 7s + 6)·Y(s) = 6s + 42 + 6/s
Y(s) = (6s² + 42s + 6)/(s(s + 1)(s + 6))

Простые дроби

A = 6/(1·6) = 1
B = −30/((−1)·5) = 6
C = −30/((−6)·(−5)) = −1

Результат

y(t) = 1 + 6·e−t − e−6t
y(0,25) = 5,45

Ответ

y(0,25) = 5,45

Проверка: y(0) = A + B + C = 6.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1.5) = 30

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).

Перекрытие отражённого импульса

h(t − τ) — это импульс h, отражённый и сдвинутый так, что он заканчивается в точке τ = t.

τ ∈ [0, 1,5] → длина 1,5 s

Интеграл

y(1,5) = 4·5·1,5 = 30

Ответ

y(1,5) = 30

y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 40 и снова падает до 0 при t = 6 s.

16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: Ym = 2,236

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)|.

Частотная характеристика

H(jω) = 5/(10 + jω)

Коэффициент передачи на частоте входа

|H(j20)| = 5/√(10² + 20²) = 0,2236
Ym = 10·0,2236 = 2,236

Ответ

Ym = 2,236

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