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) = ?

Решите y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = -2. Найдите y(1).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 10ymax​ = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.

y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−622−3B =6065

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c11 (строка 1, столбец 1).

A = [−6 2; 2 −3]B = [6 0; 6 5]
c11 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =2−3−12b =2−12

Решите систему 2x − 3y = 2 и −x + 2y = −12. Найдите x.

2x − 3y = 2−x + 2y = −12
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzdFAB

Постоянная сила F = (−5, 0, −15) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(3, 2, −5) в точку B(0, −1, −2). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (−5, 0, −15) NA(3, 2, −5) mB(0, −1, −2) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzabc

Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (−5, 5, −4), b = (2, −5, 2) и c = (−4, −3, 2).

a = (−5, 5, −4)b = (2, −5, 2)c = (−4, −3, 2)
V =
7.ИнтегралыСредняя
xy26

Вычислите I = ∫26 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 6]
I =
8.ИнтегралыСложная
xyy = x2​y = 2x

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

y = x2y = 2x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy32∇fP

Для f(x, y) = −x³y² − 3x³ + 2y³ + 3xy найдите наибольшую скорость изменения f в точке (3, 2), то есть |∇f|.

f(x, y) = −x³y² − 3x³ + 2y³ + 3xyP = (3, 2)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xyy = 1,5y = x1,51,5

Интеграл I = ∫01,5 ∫x1,5 ey² dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.

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

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ (2/5)ᵏB: Σ 5ᵏ/k!C: Σ (3/2)ᵏD: Σ (−1)ᵏ/k
  1. 1A: Σ (2/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 5ᵏ/k!
  3. 3C: Σ (3/2)ᵏ
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/k
12.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=1∞ k·0,2ᵏ.

ak = k·0,2ᵏ
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−224

Найдите f(t) для F(s) = (3s + 1)/(s² + 6s + 25) выделением полного квадрата и вычислите f(0,6).

F(s) = (3s + 1)/(s² + 6s + 25)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t), где y(0) = 5 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).

y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t5h(t)t21

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

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 4 s
y(4) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
δ(t)y′ + 10y = 5xh(t)

Система подчиняется уравнению y′(t) + 10·y(t) = 5·x(t). Найдите её импульсную характеристику при t = 0,25 s, h(0,25).

y′ + 10y = 5xt = 0,25 s
h(0.25) =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1) = 0,07131

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 = 1, −3A − 5B = -2
A = 1,5, B = −0,5

Вычислите

y(1) = 1,5·e−3 + (−0,5)·e−5 = 0,07131

Ответ

y(1) = 0,07131
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: ymax = 13,9

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 = 10, r = −1,5 ± 5j

Константы по начальным значениям

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3

Максимум

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/5) = 13,9

Ответ

ymax = 13,9
3.Матрицы и определители

Ответ: c11 = −24

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

c11 = (−6)·6 + 2·6 = −24

Ответ

c11 = −24
4.Матрицы и определители

Ответ: x = −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.

Определитель матрицы коэффициентов

det A = 2·2 − (−3)·(−1) = 1

Замените столбец x

det Aₓ = 2·2 − (−3)·(−12) = −32
x = −32/1 = −32

Ответ

x = −32
y = −22
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: W = −30 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 = (0, −1, −2) − (3, 2, −5) = (−3, −3, 3) m

Работа

W = F·d = (−5)·(−3) + 0·(−3) + (−15)·3 = −30 J

Ответ

W = −30 J

Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.

6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: V = 64

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)·2 − 2·(−3) = −4
(b × c)y = bzcx − bxcz = 2·(−4) − 2·2 = −12
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·(−3) − (−5)·(−4) = −26

Скалярное произведение с a

a·(b × c) = (−5)·(−4) + 5·(−12) + (−4)·(−26) = 64
V = |64| = 64

Ответ

V = 64
7.Интегралы

Ответ: I = 4,394

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) = 4·ln x

Подставьте пределы

I = 4·(ln 6 − ln 2) = 4·ln 3 = 4,394

Ответ

I = 4,394
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.

Точки пересечения

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Ответ

A = 1,333
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: |∇f| = 197,8

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.

Частные производные

fx = −3x²y² − 9x² + 3y → fx(3, 2) = −183
fy = −2x³y + 6y² + 3x → fy(3, 2) = −75

Длина градиента

|∇f| = √((−183)² + (−75)²) = 197,8

Ответ

|∇f| = 197,8
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 4,244

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 ≤ 1,5

Изменённый порядок

I = ∫01,5 ∫0y ey² dx dy = ∫01,5 y·ey² dy

Замена u = y²

I = [ey²/2]01,5 = 4,244

Ответ

I = 4,244
11.Последовательности и ряды

Ответ: C: 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 (2/5)ᵏ → Геометрический ряд с r = 2/5, |r| < 1: сходится.
B: Σ 5ᵏ/k! → Признак Даламбера: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, сходится.
C: Σ (3/2)ᵏ → Геометрический ряд с r = 3/2 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
D: Σ (−1)ᵏ/k → Знакочередующийся, 1/k убывает к 0: сходится (условно).

Ответ

C: Σ (3/2)ᵏ

Ответ

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

Ответ: S = 0,3125

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 k·xᵏ = x/(1 − x)²

Подставьте

x = 0,2
S = 0,2/(1 − 0,2)² = 0,3125

Ответ

S = 0,3125
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.6) = −0,589

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 + 25 = (s + 3)² + 16 = (s + 3)² + 4²

Подбор числителя

F(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 4²) + (−8/4)·4/((s + 3)² + 4²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(3·cos 4t − 2·sin 4t)
f(0,6) = e−3·0,6·(3·cos(4·0,6) − 2·sin(4·0,6)) = −0,589

Ответ

f(0,6) = −0,589
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 5,078

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 + 7s + 6)·Y(s) = 5s + 35 + 36/s
Y(s) = (5s² + 35s + 36)/(s(s + 1)(s + 6))

Простые дроби

A = 36/(1·6) = 6
B = 6/((−1)·5) = −1,2
C = 6/((−6)·(−5)) = 0,2

Результат

y(t) = 6 − 1,2·e−t + 0,2·e−6t
y(0,2) = 5,078

Ответ

y(0,2) = 5,078

Проверка: y(0) = A + B + C = 5.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(4) = 8,647

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

Вычислите

y(4) = 10·(1 − e−2) = 8,647

Ответ

y(4) = 8,647
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: h(0.25) = 0,4104

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) = 5/(s + 10)

Импульсная характеристика

h(t) = 5·e−10tu(t)
h(0,25) = 5·e−2,5 = 0,4104

Ответ

h(0,25) = 0,4104

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