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)10Ta​39 °C26 °C

Чашку кофе температурой 82 °C оставили в комнате при 21 °C. Через 10 min температура равна 39 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 26 °C?

T0 = 82 °CTa = 21 °CT(10) = 39 °CT = 26 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
xy13(1, −3)y(3) = ?

Решите задачу Коши y′ + 3y/x = 2x при x > 0, y(1) = −3. Найдите y(3).

y′ + 3y/x = 2xy(1) = −3
y(3) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =2−13−1B =−3−5−5−3

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c22 (строка 2, столбец 2).

A = [2 −1; 3 −1]B = [−3 −5; −5 −3]
c22 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−13−66b =−711

Решите систему −x + 3y = −7 и −6x + 6y = 11. Найдите x.

−x + 3y = −7−6x + 6y = 11
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzdFAB

Постоянная сила F = (20, 25, −15) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−4, 2, 5) в точку B(5, 4, −4). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (20, 25, −15) NA(−4, 2, 5) mB(5, 4, −4) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzrFOA

Сила F = (20, 20, −40) N действует в точке A(−1, −2, 0). Координаты даны в метрах. Найдите x-компоненту Mx момента силы относительно точка O(1, 1, −1).

F = (20, 20, −40) NA(−1, −2, 0) mO(1, 1, −1) m
Mx = N·m
7.ИнтегралыСредняя
xy2y = √(2x)

Область под y = √(2x) от x = 0 до x = 2 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (параболоида).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 2
V =
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
xy10,5P

Используйте касательную плоскость к f(x, y) = 2 ln(x² + 2y²) в точке (1, 0,5), чтобы приблизить f(1,2, 0,3). Укажите линейное приближение L.

f(x, y) = 2 ln(x² + 2y²)(a, b) = (1, 0,5)(x, y) = (1,2, 0,3)
L =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xyy = xy = x²11

Вычислите I = ∬R x dA, где R — область между параболой y = x² и прямой y = x.

y = x²y = xf = x
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Примените признак Даламбера к Σk=1∞ 2ᵏ·k!/kᵏ. Найдите L = lim |ak+1/ak|.

ak = 2ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = eˣ приближается в точке x = 1 её многочленом Маклорена степени n. С оценкой Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! и M = 3 найдите наименьшую степень n, гарантирующую погрешность меньше 0,0005.

f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 0,0005
n =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−1−2−3−4−5−6−712

Найдите f(t) для F(s) = (3s + 19)/(s² + 6s + 13) выделением полного квадрата и вычислите f(0,6).

F(s) = (3s + 19)/(s² + 6s + 13)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Решите y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 10 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,3).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = 10t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t34h(t)t42

Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 3 s свёртывается с импульсом h(t) = 2 при 0 ≤ t < 4 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
2cos(4t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

На систему с h(t) = 10·e−2tu(t) подан вход x(t) = 2·cos(4t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
φ = °

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: t = 20,5 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(61/18)/10 = 0,1221 min⁻¹

Время достижения целевой температуры

t = ln(61/5)/0,1221 = 20,5 min

Ответ

t = 20,5 min
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(3) = 3,474

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 = e∫3/x dx = x3

Интегрируйте

(x3y)′ = 2x4 → x3y = 2x5/5 + C

Начальное условие

−3 = 2/5 + C → C = −3,4

Вычислите

y(3) = (2·35/5 + (−3,4))/33 = 3,474

Ответ

y(3) = 3,474
3.Матрицы и определители

Ответ: c22 = −12

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

c22 = 3·(−5) + (−1)·(−3) = −12

Ответ

c22 = −12
4.Матрицы и определители

Ответ: x = −6,25

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 = (−1)·6 − 3·(−6) = 12

Замените столбец x

det Aₓ = (−7)·6 − 3·11 = −75
x = −75/12 = −6,25

Ответ

x = −6,25
y = −4,417
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: W = 365 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 = (5, 4, −4) − (−4, 2, 5) = (9, 2, −9) m

Работа

W = F·d = 20·9 + 25·2 + (−15)·(−9) = 365 J

Ответ

W = 365 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: Mx = 100 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, 0) − (1, 1, −1) = (−2, −3, 1) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·(−40) − 1·20 = 100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·20 − (−2)·(−40) = −60 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·20 − (−3)·20 = 20 N·m

Искомая компонента

Mx = 100 N·m

Ответ

Mx = 100 N·m
7.Интегралы

Ответ: V = 12,57

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.

Метод дисков

V = π∫₀2 2x dx

Интегрируйте

V = π·2·2²/2 = 12,57

Ответ

V = 12,57
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: L = 0,8109

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(1, 0,5) = 0,8109
fx = 4x/(x² + 2y²) → fx(1, 0,5) = 2,667
fy = 8y/(x² + 2y²) → fy(1, 0,5) = 2,667

Касательная плоскость

z = 0,8109 + 2,667(x − 1) + 2,667(y − 0,5)
z = 2,667x + 2,667y − 3,189

Линейное приближение

L = 0,8109 + 2,667·0,2 + 2,667·(−0,2) = 0,8109

Ответ

L = 0,8109

Точное значение равно f = 0,964852; плоскость близка, потому что шаг мал.

10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 0,08333

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).

Точки пересечения

x² = x → x = 0, x = 1

Внутренний интеграл

∫x²x x dy = x(x − x²) = x² − x³

Внешний интеграл

I = ∫01 (x² − x³) dx = 0,08333

Ответ

I = 0,08333
11.Последовательности и ряды

Ответ: L = 0,7358

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.

Отношение соседних членов

|ak+1/ak| = 2·(k/(k + 1))ᵏ = 2/(1 + 1/k)ᵏ → 2/e

Вывод

L = 0,7358 < 1

Ответ

L = 0,7358

L < 1, поэтому ряд сходится.

12.Последовательности и ряды

Ответ: n = 7

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.

n(n + 1)!оценка013121,5260,53240,12541200,02557200,004167650400,00059527403207,44 × 10⁻⁵

Оценки при возрастающем n

n = 6: 0,0005952 ≥ 0,0005
n = 7: 7,44 × 10⁻⁵ < 0,0005

Наименьшая степень

n = 7

Ответ

n = 7
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.6) = 0,95

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).

Выделение полного квадрата

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

Подбор числителя

F(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (10/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(3·cos 2t + 5·sin 2t)
f(0,6) = e−3·0,6·(3·cos(2·0,6) + 5·sin(2·0,6)) = 0,95

Ответ

f(0,6) = 0,95
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.3) = 2,962

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 − 3s − 10 + 8(sY − 3) + 15Y = 0
Y(s) = (3s + 34)/((s + 3)(s + 5))

Простые дроби

A = 25/2 = 12,5
B = 19/(−2) = −9,5

Результат

y(t) = 12,5·e−3t − 9,5·e−5t
y(0,3) = 2,962

Ответ

y(0,3) = 2,962

Проверка: y(0) = A + B = 3.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: Ay = 96

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).

Площади входов

∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = 2·4 = 8

Площадь выхода

Ay = 12·8 = 96

Ответ

Ay = 96
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: φ = −63,43 °

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) = 10/(2 + jω)

Фаза на частоте входа

φ = −atan(4/2) = −63,43°

Ответ

φ = −63,43°

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