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(1,5) = ?

Решите y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 2. Найдите y(1,5).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 1y(0,5) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 2y′ + 26y = 26 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(0,5); углы в радианах.

y″ + 2y′ + 26y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =303542−420

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [3 0 3; 5 4 2; −4 2 0]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−35−64b =1−7

Решите систему −3x + 5y = 1 и −6x + 4y = −7. Найдите x.

−3x + 5y = 1−6x + 4y = −7
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (−3, −7, −6) и b = (−6, 6, 0).

a = (−3, −7, −6)b = (−6, 6, 0)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Для a = (−5, 4, 0) и b = (5, −3, 3) найдите y-компоненту (a × b)y векторного произведения a × b.

a = (−5, 4, 0)b = (5, −3, 3)
(a × b)y =
7.ИнтегралыСредняя
xy03

Вычислите I = ∫03 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 3]
I =
8.ИнтегралыСложная
xy1y = 3xy = 3x²

Область между прямой y = 3x и параболой y = 3x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.

y = 3xy = 3x²
V =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy32∇fP

Для f(x, y) = −xy − 5x² + 2y³ найдите наибольшую скорость изменения f в точке (3, 2), то есть |∇f|.

f(x, y) = −xy − 5x² + 2y³P = (3, 2)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy1,5

Используйте полярные координаты, чтобы вычислить I = ∬R e−(x² + y²) dA, где R — верхняя половина круга x² + y² ≤ 2,25 (y ≥ 0).

f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 1,50 ≤ θ ≤ π
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 1/k³k = 1 … ∞BΣ k³/3ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ 1/k³B: Σ k³/3ᵏC: Σ 1/(3ᵏ + k)D: Σ k!/10ᵏ
  1. 1A: Σ 1/k³
  2. 2B: Σ k³/3ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(3ᵏ + k)
  4. 4D: Σ k!/10ᵏ
12.Последовательности и рядыСложная

Найдите коэффициент c₃ при (x − 2)³ в ряде Тейлора функции f(x) = 1/x в точке a = 2.

f(x) = 1/xa = 2k = 3
c₃ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 5)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,4).

F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 8y = 12·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(0,3).

y″ + 6y′ + 8y = 12·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t22h(t)t43

Импульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 3 при 0 ≤ t < 4 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(5) при t = 5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 5 s
y(5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)2481

Меандр переключается между 1 и 0 s периодом T = 4 ms (половину периода на каждом уровне). Найдите амплитуду c5 его фурье-компоненты на частоте 1250 Hz.

0 … 1T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 0,1283

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 + 4) = 0 → r = −3, −4

Константы по начальным значениям

A + B = 3, −3A − 4B = 2
A = 14, B = −11

Вычислите

y(1,5) = 14·e−4,5 + (−11)·e−6 = 0,1283

Ответ

y(1,5) = 0,1283
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.5) = 1,413

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

Вычислите

y(0,5) = 1·(1 − e−0,5(cos 2,5 + 0,2·sin 2,5)) = 1,413

Ответ

y(0,5) = 1,413
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = 66

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 = −4, M₁₂ = 8, M₁₃ = 26

Разложение по строке

det A = 3·(−4) − 0·8 + 3·26 = 66

Ответ

det A = 66
4.Матрицы и определители

Ответ: x = 2,167

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 = (−3)·4 − 5·(−6) = 18

Замените столбец x

det Aₓ = 1·4 − 5·(−7) = 39
x = 39/18 = 2,167

Ответ

x = 2,167
y = 1,5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: a·b = −24

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.

Перемножьте соответствующие компоненты и сложите

a·b = (−3)·(−6) + (−7)·6 + (−6)·0 = 18 + (−42) + 0 = −24

Ответ

a·b = −24

Отрицательное: угол между векторами больше 90°.

6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: (a × b)y = 15

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 = 4·3 − 0·(−3) = 12
(a × b)y = azbx − axbz = 0·5 − (−5)·3 = 15
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−3) − 4·5 = −5

Искомая компонента

(a × b)y = 15

Ответ

(a × b)y = 15

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

7.Интегралы

Ответ: I = 1,554

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) = e−0,5x/(−0,5)

Подставьте пределы

I = (e−1,5 − 1)/(−0,5) = (0,2231 − 1)/(−0,5) = 1,554

Ответ

I = 1,554
8.Интегралы

Ответ: V = 3,77

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.

Точки пересечения

3x = 3x² → x = 0, x = 1

Метод колец (шайб)

V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx

Интегрируйте

V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77

Ответ

V = 3,77
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: |∇f| = 38,28

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 = −y − 10x → fx(3, 2) = −32
fy = −x + 6y² → fy(3, 2) = 21

Длина градиента

|∇f| = √((−32)² + 21²) = 38,28

Ответ

|∇f| = 38,28
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 1,405

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).

Полярная форма

I = ∫0π ∫01,5 e−r²·r dr dθ

Интегрируйте

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 1,405

Ответ

I = 1,405
11.Последовательности и ряды

Ответ: D: Σ k!/10ᵏ

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/k³ → p-ряд с p = 3 > 1: сходится.
B: Σ k³/3ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/3 < 1, сходится.
C: Σ 1/(3ᵏ + k) → Меньше (1/3)ᵏ, сходящегося геометрического ряда: сходится по признаку сравнения.
D: Σ k!/10ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/10 = ∞, расходится.

Ответ

D: Σ k!/10ᵏ

Ответ

D: Σ k!/10ᵏ
12.Последовательности и ряды

Ответ: c₃ = −0,0625

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.

Производная f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = −6/x⁴

Коэффициент

c₃ = −6/(2⁴·6) = −0,0625
c₃ = −0,0625

Ответ

c₃ = −0,0625
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = 0,75

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).

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 25/(3·5) = 1,667
B = 25/((−3)·2) = −4,167
C = 25/((−5)·(−2)) = 2,5

Обратное преобразование

f(t) = 1,667 − 4,167·e−3t + 2,5·e−5t

Вычислите

f(0,4) = 1,667 − 4,167·e−3·0,4 + 2,5·e−5·0,4 = 0,75

Ответ

f(0,4) = 0,75
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.3) = 1,527

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) = 60/(s(s + 2)(s + 4))

Простые дроби

A = 60/(2·4) = 7,5
B = 60/((−2)·2) = −15
C = 60/((−4)·(−2)) = 7,5

Выделение

y(t) = 7,5 − 15·e−2t + 7,5·e−4t
y(0,3) = 1,527

Ответ

y(0,3) = 1,527
15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(5) = 6

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).

Перекрытие отражённого импульса

h(t − τ) — это импульс h, отражённый и сдвинутый так, что он заканчивается в точке τ = t.

τ ∈ [1, 2] → длина 1 s

Интеграл

y(5) = 2·3·1 = 6

Ответ

y(5) = 6

y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 12 и снова падает до 0 при t = 6 s.

16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c5 = 0,1273

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)|.

Номер гармоники

f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 1250/250 = 5

Амплитуда

c5 = 4·0,5/(5π) = 0,1273

Ответ

c5 = 0,1273

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