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) = 2y(0,5) = ?

Решите y″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = 4. Найдите y(0,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
t (min)m (kg)t = ?3 kg

В баке 200 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,05 kg на литр поступает со скоростью 2 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Через сколько минут t в баке будет 3 kg соли?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.Матрицы и определителиСредняя
A =34−4−53−5−13−5

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [3 4 −4; −5 3 −5; −1 3 −5]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−25−5−4b =28

Решите систему −2x + 5y = 2 и −5x − 4y = 8. Найдите x.

−2x + 5y = 2−5x − 4y = 8
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите угол θ между векторами a = (5, −6, −5) и b = (−4, 2, 2) в градусах.

a = (5, −6, −5)b = (−4, 2, 2)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzabc

Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (4, 2, −1), b = (0, −5, −5) и c = (−1, −5, 4).

a = (4, 2, −1)b = (0, −5, −5)c = (−1, −5, 4)
V =
7.ИнтегралыСредняя
xy15y = x ln x

Вычислите I = ∫₁5 x·ln x dx.

∫₁5 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xyy = 2x2​y = 3x

Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy2−2P

Касательную плоскость к z = −2x³y² + 3x² + 5y³ + 4xy в точке, где (x, y) = (2, −2), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.

f(x, y) = −2x³y² + 3x² + 5y³ + 4xy(a, b) = (2, −2)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−202−202(0, 0)(1, 1)(−1, −1)

Найдите критические точки функции f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy, классифицируйте их и укажите значение fmin функции f в её локальном минимуме.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
fmin =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 1/(2k + 5)k = 1 … ∞BΣ 1/(k² + 3)k = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ k/(k + 2)k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ 1/(2k + 5)B: Σ 1/(k² + 3)C: Σ ln k / kD: Σ k/(k + 2)
  1. 1A: Σ 1/(2k + 5)
  2. 2B: Σ 1/(k² + 3)
  3. 3C: Σ ln k / k
  4. 4D: Σ k/(k + 2)
12.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,52k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·0,52k+1/(2k + 1)!
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (4s + 34)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,2).

F(s) = (4s + 34)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Решите y″ + 11y′ + 30y = 0 при y(0) = −10 и y′(0) = 11 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = −10y′(0) = 11t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t24h(t)t1

Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с h(t) = e−1tu(t). Найдите выход y(4) при t = 4 s, после окончания импульса.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 4 s
y(4) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
δ(t)y′ + 5y = 2xh(t)

Система подчиняется уравнению y′(t) + 5·y(t) = 2·x(t). Найдите её импульсную характеристику при t = 0,5 s, h(0,5).

y′ + 5y = 2xt = 0,5 s
h(0.5) =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.5) = 1,083

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 + 4)² = 0 → r = −4

Константы

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = 4 + 8 = 12

Вычислите

y(0,5) = (2 + 12·0,5)·e−2 = 1,083

Ответ

y(0,5) = 1,083
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: t = 35,67 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.

Результат

m(t) = 10 + (−10)·e−t/100

Найдите t

e−t/100 = (10 − 3)/(10 − 0) = 0,7
t = 100·ln(1,429) = 35,67 min

Ответ

t = 35,67 min
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = −32

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 = 0, M₁₂ = 20, M₁₃ = −12

Разложение по строке

det A = 3·0 − 4·20 + (−4)·(−12) = −32

Ответ

det A = −32
4.Матрицы и определители

Ответ: x = −1,455

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 = (−2)·(−4) − 5·(−5) = 33

Замените столбец x

det Aₓ = 2·(−4) − 5·8 = −48
x = −48/33 = −1,455

Ответ

x = −1,455
y = −0,1818
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: θ = 157,6 °

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 = 5·(−4) + (−6)·2 + (−5)·2 = −42

Модули

|a| = √(5² + (−6)² + (−5)²) = 9,274
|b| = √((−4)² + 2² + 2²) = 4,899

Угол

cos θ = −42/(9,274·4,899) = −0,9245
θ = arccos(−0,9245) = 157,6°

Ответ

θ = 157,6°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: V = 165

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−5)·4 − (−5)·(−5) = −45
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·(−1) − 0·4 = 5
(b × c)z = bxcy − bycx = 0·(−5) − (−5)·(−1) = −5

Скалярное произведение с a

a·(b × c) = 4·(−45) + 2·5 + (−1)·(−5) = −165
V = |−165| = 165

Ответ

V = 165
7.Интегралы

Ответ: I = 14,12

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

(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12

Ответ

I = 14,12
8.Интегралы

Ответ: A = 1,125

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

2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Ответ

A = 1,125
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: c = 340

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(2, −2) = −108
fx = −6x²y² + 6x + 4y → fx(2, −2) = −92
fy = −4x³y + 15y² + 4x → fy(2, −2) = 132

Касательная плоскость

z = −108 − 92(x − 2) + 132(y + 2)
z = −92x + 132y + 340

Постоянный член

c = 340

Ответ

c = 340
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: fmin = −2

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 = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

Тест по вторым производным

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → седловая точка
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальный минимум
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальный минимум

Значение в экстремуме

f(−1, −1) = −2

Ответ

fmin = −2
11.Последовательности и ряды

Ответ: B: Σ 1/(k² + 3)

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 1/(2k + 5) → При больших k ведёт себя как 1/(2k); при сравнении с гармоническим рядом расходится.
B: Σ 1/(k² + 3) → Меньше 1/k², сходящегося p-ряда: сходится по признаку сравнения.
C: Σ ln k / k → Больше 1/k при k ≥ 3: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.
D: Σ k/(k + 2) → Члены стремятся к 1, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).

Ответ

B: Σ 1/(k² + 3)

Ответ

B: Σ 1/(k² + 3)
12.Последовательности и ряды

Ответ: S = 0,4794

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.

Стандартные ряды

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Подставьте

x = 0,5
S = sin 0,5 = 0,4794

Ответ

S = 0,4794
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.2) = 3,415

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Простые дроби

4s + 34 = 4(s + 4) + 18
F(s) = 4/(s + 4) + 18/(s + 4)²

Обратное преобразование

f(t) = 4·e−4t + 18·t·e−4t
f(0,2) = (4 + 18·0,2)·e−4·0,2 = 3,415

Ответ

f(0,2) = 3,415
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.1) = −8,316

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 − (−10)s − 11 + 11(sY − (−10)) + 30Y = 0
Y(s) = (−10s − 99)/((s + 5)(s + 6))

Простые дроби

A = −49/1 = −49
B = −39/(−1) = 39

Результат

y(t) = −49·e−5t + 39·e−6t
y(0,1) = −8,316

Ответ

y(0,1) = −8,316

Проверка: y(0) = A + B = −10.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(4) = 0,4681

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).

Выход в конце импульса

y(2) = (4/1)(1 − e−2) = 3,459

Затухание после импульса

y(4) = 3,459·e−1·2 = 0,4681

Ответ

y(4) = 0,4681
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: h(0.5) = 0,1642

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)|.

Передаточная функция

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 5)

Импульсная характеристика

h(t) = 2·e−5tu(t)
h(0,5) = 2·e−2,5 = 0,1642

Ответ

h(0,5) = 0,1642

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