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) = 3y(2) = ?

Решите y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = -2. Найдите y(2).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 1ymax​ = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 2y′ + 26y = 26 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.

y″ + 2y′ + 26y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =06−52B =−2−65−2

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c12 (строка 1, столбец 2).

A = [0 6; −5 2]B = [−2 −6; 5 −2]
c12 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−1−346

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [−1 −3; 4 6]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (3, 0, 4) на b = (−4, 2, −5), то есть компоненту a в направлении b.

a = (3, 0, 4)b = (−4, 2, −5)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzrFOA

Сила F = (−50, −30, 50) N действует в точке A(3, 3, −3). Координаты даны в метрах. Найдите модуль |M| момента силы относительно точка O(1, −3, −1).

F = (−50, −30, 50) NA(3, 3, −3) mO(1, −3, −1) m
|M| = N·m
7.ИнтегралыСредняя
xy24

Вычислите I = ∫24 5/x dx.

f(x) = 5/x[2, 4]
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
xy−4−20−20PQ

Для f(x, y) = x²y + 4x² − y³ − 3xy найдите производную по направлению Duf в точке P(−2, −1) в направлении к Q(0, 1).

f(x, y) = x²y + 4x² − y³ − 3xyP = (−2, −1)Q = (0, 1)
Duf =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xyy = 1,2y = x1,21,2

Интеграл I = ∫01,2 ∫x1,2 ey² dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.

f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

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

Функция f(x) = eˣ приближается её многочленом Маклорена степени 5 в точке x = 0,5. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = e0,5 = 1,649, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₅|.

f(x) = eˣn = 5x = 0,5M = 1,649
|R₅| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−5−10−15−20−25−30−35−40

F(s) = (s + 39)/(s² + 9s + 14). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−2t + B·e−7t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (s + 39)/(s² + 9s + 14)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t), где y(0) = 1 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 4. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t24h(t)t01

Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = 2 s и t = 4 s, а h(t) — только между t = 0 s и t = 1 s. Найдите момент времени tstart, в который начинается y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 4 sh: 0 … 1 s
tstart = s
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
δ[n]0,5+h[n]−0,8·z⁻¹+

Система подчиняется уравнению y[n] = −0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] и начинает с состояния покоя. Найдите отсчёт h[4] её импульсной характеристики.

y[n] = −0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,01595

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 3, −3A − 5B = -2
A = 6,5, B = −3,5

Вычислите

y(2) = 6,5·e−6 + (−3,5)·e−10 = 0,01595

Ответ

y(2) = 0,01595
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: ymax = 1,533

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 = 1, r = −1 ± 5j

Константы по начальным значениям

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −0,2

Максимум

t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−1·π/5) = 1,533

Ответ

ymax = 1,533
3.Матрицы и определители

Ответ: c12 = −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

c12 = 0·(−6) + 6·(−2) = −12

Ответ

c12 = −12
4.Матрицы и определители

Ответ: λ = 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.

Характеристическое уравнение

λ² − (5)λ + (6) = 0

Решите

λ = (5 ± √(1))/2 → λ = 2, 3
λ = 3

Ответ

λ = 3
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: compb a = −4,77

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·(−4) + 0·2 + 4·(−5) = −32

Длина b

|b| = √((−4)² + 2² + (−5)²) = 6,708

Скалярная проекция

compb a = a·b/|b| = −32/6,708 = −4,77

Ответ

compb a = −4,77

Отрицательная: у a есть компонента, направленная против b.

6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: |M| = 339,4 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, 3, −3) − (1, −3, −1) = (2, 6, −2) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 6·50 − (−2)·(−30) = 240 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·(−50) − 2·50 = 0 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 2·(−30) − 6·(−50) = 240 N·m

Модуль

|M| = √(240² + 0² + 240²) = 339,4 N·m

Ответ

|M| = 339,4 N·m
7.Интегралы

Ответ: I = 3,466

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) = 5·ln x

Подставьте пределы

I = 5·(ln 4 − ln 2) = 5·ln 2 = 3,466

Ответ

I = 3,466
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: Duf = −1,414

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.

Градиент в точке

fx = 2xy + 8x − 3y → fx(−2, −1) = −9
fy = x² − 3y² − 3x → fy(−2, −1) = 7

Единичный вектор

|v| = √(2² + 2²) = 2,828
u = (0,7071, 0,7071)

Скалярное произведение

Duf = (−9)·0,7071 + 7·0,7071 = −1,414

Ответ

Duf = −1,414
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 1,61

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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2

Изменённый порядок

I = ∫01,2 ∫0y ey² dx dy = ∫01,2 y·ey² dy

Замена u = y²

I = [ey²/2]01,2 = 1,61

Ответ

I = 1,61
11.Последовательности и ряды

Ответ: D: Σ ln k / k

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 k²/5ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/5 < 1, сходится.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Знакочередующийся, 1/√k убывает к 0: сходится (условно).
C: Σ 1/(3ᵏ + k) → Меньше (1/3)ᵏ, сходящегося геометрического ряда: сходится по признаку сравнения.
D: Σ ln k / k → Больше 1/k при k ≥ 3: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.

Ответ

D: Σ ln k / k

Ответ

D: Σ ln k / k
12.Последовательности и ряды

Ответ: |R₅| = 3,578 × 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 = e0,5 = 1,649

Оценка Лагранжа

|R₅| ≤ 1,649·0,5⁶/6! = 3,578 × 10⁻⁵

Ответ

|R₅| = 3,578 × 10⁻⁵

Истинная погрешность меньше: |f(0,5) − P₅(0,5)| = 2,335 × 10⁻⁵.

13.Преобразования Лапласа

Ответ: A = 7,4

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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 2) и положите s = −2: слагаемое с B обращается в нуль.

A = (s + 39)/(s + 7) |s = −2 = 37/5 = 7,4

Ответ

A = 7,4
(B = −6,4, поэтому f(t) = 7,4·e−2t − 6,4·e−7t)
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 1,747

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 + 8s + 15)·Y(s) = 1s + 8 + 60/s
Y(s) = (s² + 8s + 60)/(s(s + 3)(s + 5))

Простые дроби

A = 60/(3·5) = 4
B = 45/((−3)·2) = −7,5
C = 45/((−5)·(−2)) = 4,5

Результат

y(t) = 4 − 7,5·e−3t + 4,5·e−5t
y(0,25) = 1,747

Ответ

y(0,25) = 1,747

Проверка: y(0) = A + B + C = 1.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: tstart = 2 s

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).

Начало и конец

tstart = 2 + 0 = 2 s
tend = 4 + 1 = 5 s

Ответ

tstart = 2 s

Ответ

tstart = 2 s
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: h[4] = 0,2048

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

h[0] = 0,5
h[1] = −0,4
h[2] = 0,32
h[3] = −0,256
h[4] = 0,2048

Результат

h[4] = 0,5·(−0,8)4 = 0,2048

Ответ

h[4] = 0,2048

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