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) = 1y(1,5) = ?

Решите y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 4. Найдите y(1,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 2ymax​ = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 8y = 16 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.

y″ + 4y′ + 8y = 16y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−2523−22−4−23

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−2 5 2; 3 −2 2; −4 −2 3]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =0−1−21

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [0 −1; −2 1]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (3, 4, 0) на b = (−2, 4, −4), то есть компоненту a в направлении b.

a = (3, 4, 0)b = (−2, 4, −4)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzrFOA

Сила F = (−30, 30, −30) N действует в точке A(−1, 2, 1). Координаты даны в метрах. Найдите x-компоненту Mx момента силы относительно точка O(−3, 3, −2).

F = (−30, 30, −30) NA(−1, 2, 1) mO(−3, 3, −2) m
Mx = N·m
7.ИнтегралыСредняя
xy12,5y = x ln x

Вычислите I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xy2y = 2xy = x²

Область между прямой y = 2x и параболой y = x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.

y = 2xy = x²
V =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy0,52P

Используйте касательную плоскость к f(x, y) = sin(−x + 3y) в точке (0,5, 2), чтобы приблизить f(0,6, 2,2). Укажите линейное приближение L.

f(x, y) = sin(−x + 3y)(a, b) = (0,5, 2)(x, y) = (0,6, 2,2)
L =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy1,5

Используйте полярные координаты, чтобы вычислить I = ∬R (x² + y²) dA, где R — круг x² + y² ≤ 2,25.

f = x² + y²0 ≤ r ≤ 1,50 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Примените радикальный признак Коши к Σk=1∞ ((2k + 2)/(3k + 3))ᵏ. Найдите L = lim |ak|1/k.

ak = ((2k + 2)/(3k + 3))ᵏ
L =
12.Последовательности и рядыСложная

Найдите коэффициент c₂ при (x − 2)² в ряде Тейлора функции f(x) = e2x в точке a = 2.

f(x) = e2xa = 2k = 2
c₂ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,6).

F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 6))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 9y′ + 18y = u′ + 14u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,3 s. Найдите g(0,3).

y″ + 9y′ + 18y = u′ + 14ut = 0,3 s
g(0.3) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t10h(t)t0,21

Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−5tu(t). На входе ступенька x(t) = 10·u(t). Найдите выход y(0,4) при t = 0,4 s.

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)10204010−10

Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −10 и +10 s периодом T = 20 ms. Найдите амплитуду c1 её фурье-компоненты на частоте 50 Hz.

±10T = 20 msf = 50 Hz
c1 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 0,1483

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.

Характеристические корни

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 1, −2A − 5B = 4
A = 3, B = −2

Вычислите

y(1,5) = 3·e−3 + (−2)·e−7,5 = 0,1483

Ответ

y(1,5) = 0,1483
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: ymax = 2,086

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.

Установившееся значение и корни

yss = 2, r = −2 ± 2j

Константы по начальным значениям

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

Максимум

t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−2·π/2) = 2,086

Ответ

ymax = 2,086
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = −109

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 = −2, M₁₂ = 17, M₁₃ = −14

Разложение по строке

det A = (−2)·(−2) − 5·17 + 2·(−14) = −109

Ответ

det A = −109
4.Матрицы и определители

Ответ: λ = 2

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 = −1, 2
λ = 2

Ответ

λ = 2
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: compb a = 1,667

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.

Скалярное произведение

a·b = 3·(−2) + 4·4 + 0·(−4) = 10

Длина b

|b| = √((−2)² + 4² + (−4)²) = 6

Скалярная проекция

compb a = a·b/|b| = 10/6 = 1,667

Ответ

compb a = 1,667
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: Mx = −60 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 = (−1, 2, 1) − (−3, 3, −2) = (2, −1, 3) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·(−30) − 3·30 = −60 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 3·(−30) − 2·(−30) = −30 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 2·30 − (−1)·(−30) = 30 N·m

Искомая компонента

Mx = −60 N·m

Ответ

Mx = −60 N·m
7.Интегралы

Ответ: I = 1,551

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

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Ответ

I = 1,551
8.Интегралы

Ответ: V = 13,4

Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.

Точки пересечения

2x = 1x² → x = 0, x = 2

Метод колец (шайб)

V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx

Интегрируйте

V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4

Ответ

V = 13,4
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: L = −0,3512

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.

Значение и наклоны в точке

f(0,5, 2) = −0,7055
fx = −1 cos(−x + 3y) → fx(0,5, 2) = −0,7087
fy = 3 cos(−x + 3y) → fy(0,5, 2) = 2,126

Касательная плоскость

z = −0,7055 − 0,7087(x − 0,5) + 2,126(y − 2)
z = −0,7087x + 2,126y − 4,603

Линейное приближение

L = −0,7055 + (−0,7087)·0,1 + 2,126·0,2 = −0,3512

Ответ

L = −0,3512

Точное значение равно f = −0,279415; плоскость близка, потому что шаг мал.

10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 7,952

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).

Полярная форма

I = ∫02π ∫01,5 r²·r dr dθ

Интегрируйте

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 7,952

Ответ

I = 7,952
11.Последовательности и ряды

Ответ: L = 0,6667

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.

Корень из членов

|ak|1/k = (2k + 2)/(3k + 3) → 2/3

Вывод

L = 0,6667 < 1

Ответ

L = 0,6667

L < 1, поэтому ряд сходится.

12.Последовательности и ряды

Ответ: c₂ = 109,2

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) = 2²·e2x

Коэффициент

c₂ = 2²·e4/2! = 109,2
c₂ = 109,2

Ответ

c₂ = 109,2
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.6) = 3,18

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 + 6)
A = 55/(1·6) = 9,167
B = 55/((−1)·5) = −11
C = 55/((−6)·(−5)) = 1,833

Обратное преобразование

f(t) = 9,167 − 11·e−t + 1,833·e−6t

Вычислите

f(0,6) = 9,167 − 11·e−0,6 + 1,833·e−6·0,6 = 3,18

Ответ

f(0,6) = 3,18
14.Преобразования Лапласа

Ответ: g(0.3) = 1,05

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).

Передаточная функция

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 14)/(s² + 9s + 18)

Простые дроби

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 3,667, B = −2,667

Импульсная характеристика

g(t) = 3,667·e−3t − 2,667·e−6t
g(0,3) = 1,05

Ответ

g(0,3) = 1,05
15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(0.4) = 1,729

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) = 10·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (10/5)·(1 − e−5t)

Вычислите

y(0,4) = 2·(1 − e−2) = 1,729

Ответ

y(0,4) = 1,729
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c1 = 8,106

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)|.

Номер гармоники

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 1

Амплитуда

c1 = 8·10/(π²·1²) = 8,106

Ответ

c1 = 8,106

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