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(2) = ?

Решите y″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 2. Найдите y(2).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyy(0) = 5y(0,25) = ?

Решите y″ + 2y′ + 17y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(0,25); углы в радианах.

y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =204−5B =−14−2−4

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c21 (строка 2, столбец 1).

A = [2 0; 4 −5]B = [−1 4; −2 −4]
c21 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =12−3−4

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [1 2; −3 −4]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (4, 6, 4) на b = (5, 4, 5), то есть компоненту a в направлении b.

a = (4, 6, 4)b = (5, 4, 5)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Для a = (5, −6, −3) и b = (0, −6, −6) найдите z-компоненту (a × b)z векторного произведения a × b.

a = (5, −6, −3)b = (0, −6, −6)
(a × b)z =
7.ИнтегралыСредняя
xy01

Вычислите I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.ИнтегралыСложная
xyy = 0,5x2​y = 2x

Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy−13P

Используйте касательную плоскость к f(x, y) = −x³y³ + x³ + 3y³ + xy в точке (−1, 3), чтобы приблизить f(−0,8, 2,9). Укажите линейное приближение L.

f(x, y) = −x³y³ + x³ + 3y³ + xy(a, b) = (−1, 3)(x, y) = (−0,8, 2,9)
L =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−20−20(0, 0)(−2, −2)

Функция f(x, y) = x³ + y³ + 6xy имеет критическую точку (−2, −2). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ + y³ + 6xyP = (−2, −2)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ 5/k⁴k = 1 … ∞CΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ 1/(k(k + 2))k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ (3/2)ᵏB: Σ 5/k⁴C: Σ 10ᵏ/k!D: Σ 1/(k(k + 2))
  1. 1A: Σ (3/2)ᵏ
  2. 2B: Σ 5/k⁴
  3. 3C: Σ 10ᵏ/k!
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 2))
12.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = ln(1 + x) приближается её многочленом Маклорена степени 2 в точке x = 0,3. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 2! = 2, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₂|.

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = 0,3M = 2
|R₂| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (s + 8)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,5).

F(s) = (s + 8)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 5 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t44h(t)t43

Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 4 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 3 при t = 0 до 0 при t = 4 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
δ(t)y′ + 4y = 10xh(t)

Система подчиняется уравнению y′(t) + 4·y(t) = 10·x(t). Найдите её импульсную характеристику при t = 1 s, h(1).

y′ + 4y = 10xt = 1 s
h(1) =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,1648

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 + 2)² = 0 → r = −2

Константы

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 2 = 4

Вычислите

y(2) = (1 + 4·2)·e−4 = 0,1648

Ответ

y(2) = 0,1648
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.25) = 2,923

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.

Комплексные корни

r = −1 ± 4j

Константы

A = 5, B = 1·5/4 = 1,25

Вычислите

y(0,25) = e−0,25(5·cos 1 + 1,25·sin 1) = 2,923

Ответ

y(0,25) = 2,923
3.Матрицы и определители

Ответ: c21 = 6

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

c21 = 4·(−1) + (−5)·(−2) = 6

Ответ

c21 = 6
4.Матрицы и определители

Ответ: λ = −1

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 − (−3)λ + (2) = 0

Решите

λ = (−3 ± √(1))/2 → λ = −2, −1
λ = −1

Ответ

λ = −1
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: compb a = 7,878

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 = 4·5 + 6·4 + 4·5 = 64

Длина b

|b| = √(5² + 4² + 5²) = 8,124

Скалярная проекция

compb a = a·b/|b| = 64/8,124 = 7,878

Ответ

compb a = 7,878
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: (a × b)z = −30

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 по компонентам

(a × b)x = aybz − azby = (−6)·(−6) − (−3)·(−6) = 18
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·0 − 5·(−6) = 30
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−6) − (−6)·0 = −30

Искомая компонента

(a × b)z = −30

Ответ

(a × b)z = −30

Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.

7.Интегралы

Ответ: I = 2,333

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.

Замена переменной

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Проинтегрируйте и подставьте пределы

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Ответ

I = 2,333
8.Интегралы

Ответ: A = 5,333

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.

Точки пересечения

0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Ответ

A = 5,333
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: L = 78,3

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, 3) = 104
fx = −3x²y³ + 3x² + y → fx(−1, 3) = −75
fy = −3x³y² + 9y² + x → fy(−1, 3) = 107

Касательная плоскость

z = 104 − 75(x + 1) + 107(y − 3)
z = −75x + 107y − 292

Линейное приближение

L = 104 + (−75)·0,2 + 107·(−0,1) = 78,3

Ответ

L = 78,3

Точное значение равно f = 82,822168; плоскость близка, потому что шаг мал.

10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: D = 108

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).

Вторые производные

fxx = −12, fyy = −12, fxy = 6

Дискриминант

D = (−12)·(−12) − 6² = 108
→ локальный максимум

Ответ

D = 108
11.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ (3/2)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 (3/2)ᵏ → Геометрический ряд с r = 3/2 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
B: Σ 5/k⁴ → p-ряд с p = 4 > 1: сходится.
C: Σ 10ᵏ/k! → Признак Даламбера: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, сходится.
D: Σ 1/(k(k + 2)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.

Ответ

A: Σ (3/2)ᵏ

Ответ

A: Σ (3/2)ᵏ
12.Последовательности и ряды

Ответ: |R₂| = 0,009

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 = 2! = 2

Оценка Лагранжа

|R₂| ≤ 2·0,3³/3! = 0,009

Ответ

|R₂| = 0,009

Истинная погрешность меньше: |f(0,3) − P₂(0,3)| = 0,007364.

13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.5) = 0,406

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

s + 8 = 1(s + 4) + 4
F(s) = 1/(s + 4) + 4/(s + 4)²

Обратное преобразование

f(t) = e−4t + 4·t·e−4t
f(0,5) = (1 + 4·0,5)·e−4·0,5 = 0,406

Ответ

f(0,5) = 0,406
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 2,488

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

Y(s) = 150/(s(s + 3)(s + 5))

Простые дроби

A = 150/(3·5) = 10
B = 150/((−3)·2) = −25
C = 150/((−5)·(−2)) = 15

Выделение

y(t) = 10 − 25·e−3t + 15·e−5t
y(0,25) = 2,488

Ответ

y(0,25) = 2,488
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 = 4·4 = 16
∫h dt = ½·4·3 = 6

Площадь выхода

Ay = 16·6 = 96

Ответ

Ay = 96
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: h(1) = 0,1832

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) = 10/(s + 4)

Импульсная характеристика

h(t) = 10·e−4tu(t)
h(1) = 10·e−4 = 0,1832

Ответ

h(1) = 0,1832

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