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(1,5) = ?

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

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
xy12(1, −2)y(2) = ?

Решите задачу Коши y′ + 3y/x = 5x2 при x > 0, y(1) = −2. Найдите y(2).

y′ + 3y/x = 5x2y(1) = −2
y(2) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−6−534B =513−3

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

A = [−6 −5; 3 4]B = [5 1; 3 −3]
c11 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =61−7−2

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [6 1; −7 −2]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzdFAB

Постоянная сила F = (−15, 15, −30) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(1, −4, 2) в точку B(4, 2, 1). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (−15, 15, −30) NA(1, −4, 2) mB(4, 2, 1) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzabc

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

a = (4, 5, 5)b = (−3, −2, −4)c = (2, −3, −3)
V =
7.ИнтегралыСредняя
xy03

Вычислите I = ∫03 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 3]
I =
8.ИнтегралыСложная
xy2y = 4xy = 2x²

Область между прямой y = 4x и параболой y = 2x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.

y = 4xy = 2x²
V =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy13P

Касательную плоскость к z = x³y² − 4x² − xy в точке, где (x, y) = (1, 3), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.

f(x, y) = x³y² − 4x² − xy(a, b) = (1, 3)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−505−4−202(3, −3)(−3, −3)

Функция f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 6y имеет критическую точку (3, −3). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 6yP = (3, −3)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞BΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞CΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/k²k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ (1 + 1/k)ᵏB: Σ (k + 2)/k²C: Σ k!/10ᵏD: Σ 1/k²
  1. 1A: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  2. 2B: Σ (k + 2)/k²
  3. 3C: Σ k!/10ᵏ
  4. 4D: Σ 1/k²
12.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ 3ᵏ/k!.

ak = 3ᵏ/k!
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (4s + 18)/(s² + 11s + 30). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−5t + B·e−6t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (4s + 18)/(s² + 11s + 30)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 2y′ + 2y = u′ + 4u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,3 s. Найдите g(0,3).

y″ + 2y′ + 2y = u′ + 4ut = 0,3 s
g(0.3) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t32h(t)t42

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

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 3 s
y(3) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)1,2481

Последовательность импульсов имеет высоту 1, длительность импульса 1,2 ms и период 4 ms. Найдите её постоянную составляющую (среднее значение) c0.

A = 1τ = 1,2 msT = 4 ms
c0 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = 0,7432

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 + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Константы по начальным значениям

A + B = 1, −1A − 2B = 2
A = 4, B = −3

Вычислите

y(1,5) = 4·e−1,5 + (−3)·e−3 = 0,7432

Ответ

y(1,5) = 0,7432
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 6,313

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)′ = 5x5 → x3y = 5x6/6 + C

Начальное условие

−2 = 5/6 + C → C = −2,833

Вычислите

y(2) = (5·26/6 + (−2,833))/23 = 6,313

Ответ

y(2) = 6,313
3.Матрицы и определители

Ответ: c11 = −45

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)·5 + (−5)·3 = −45

Ответ

c11 = −45
4.Матрицы и определители

Ответ: λ = 5

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 − (4)λ + (−5) = 0

Решите

λ = (4 ± √(36))/2 → λ = −1, 5
λ = 5

Ответ

λ = 5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: W = 75 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 = (4, 2, 1) − (1, −4, 2) = (3, 6, −1) m

Работа

W = F·d = (−15)·3 + 15·6 + (−30)·(−1) = 75 J

Ответ

W = 75 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: V = 44

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 = (−2)·(−3) − (−4)·(−3) = −6
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−4)·2 − (−3)·(−3) = −17
(b × c)z = bxcy − bycx = (−3)·(−3) − (−2)·2 = 13

Скалярное произведение с a

a·(b × c) = 4·(−6) + 5·(−17) + 5·13 = −44
V = |−44| = 44

Ответ

V = 44
7.Интегралы

Ответ: I = 0,9502

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−x/(−1)

Подставьте пределы

I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502

Ответ

I = 0,9502
8.Интегралы

Ответ: V = 53,62

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

4x = 2x² → x = 0, x = 2

Метод колец (шайб)

V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx

Интегрируйте

V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62

Ответ

V = 53,62
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: c = −29

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) = 2
fx = 3x²y² − 8x − y → fx(1, 3) = 16
fy = 2x³y − x → fy(1, 3) = 5

Касательная плоскость

z = 2 + 16(x − 1) + 5(y − 3)
z = 16x + 5y − 29

Постоянный член

c = −29

Ответ

c = −29
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: D = 36

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 = −18, fyy = −2, fxy = 0

Дискриминант

D = (−18)·(−2) − 0² = 36
→ локальный максимум

Ответ

D = 36
11.Последовательности и ряды

Ответ: D: Σ 1/k²

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 + 1/k)ᵏ → Члены стремятся к e, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
B: Σ (k + 2)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.
C: Σ k!/10ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/10 = ∞, расходится.
D: Σ 1/k² → p-ряд с p = 2 > 1: сходится.

Ответ

D: Σ 1/k²

Ответ

D: Σ 1/k²
12.Последовательности и ряды

Ответ: S = 20,09

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 xᵏ/k! = eˣ

Подставьте

x = 3
S = e3 = 20,09

Ответ

S = 20,09
13.Преобразования Лапласа

Ответ: A = −2

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 + 11s + 30 = (s + 5)(s + 6)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 6)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 5) и положите s = −5: слагаемое с B обращается в нуль.

A = (4s + 18)/(s + 6) |s = −5 = −2/1 = −2

Ответ

A = −2
(B = 6, поэтому f(t) = −2·e−5t + 6·e−6t)
14.Преобразования Лапласа

Ответ: g(0.3) = 1,365

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).

Передаточная функция

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 4)/(s² + 2s + 2)

Простые дроби

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (3/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Импульсная характеристика

g(t) = e−t·(cos 1t + 3·sin 1t)
g(0,3) = 1,365

Ответ

g(0,3) = 1,365
15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(3) = 12

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 ∈ [0, 3] → длина 3 s

Интеграл

y(3) = 2·2·3 = 12

Ответ

y(3) = 12

y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 12 и снова падает до 0 при t = 7 s.

16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c0 = 0,3

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)|.

Коэффициент заполнения

D = 1,2/4 = 0,3

Среднее значение

c₀ = 1·0,3 = 0,3

Ответ

c0 = 0,3

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