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
t (min)T (°C)29Ta​T = ?

Чашку кофе температурой 83 °C оставили в комнате при 24 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,1 min⁻¹ найдите температуру T через 29 min.

T0 = 83 °CTa = 24 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 29 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
xy12(1, 1)y(2) = ?

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

y′ + y/x = 5x2y(1) = 1
y(2) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−42−5−40−5−1−15

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−4 2 −5; −4 0 −5; −1 −1 5]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−16−510

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [−1 6; −5 10]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (−3, 5, 1) на b = (−5, 3, −5), то есть компоненту a в направлении b.

a = (−3, 5, 1)b = (−5, 3, −5)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (−3, 1, −2) и b = (4, 2, −3) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.

a = (−3, 1, −2)b = (4, 2, −3)n̂z > 0
n̂y =
7.ИнтегралыСредняя
xy1y = x·sin x

Вычислите I = ∫₀1 x·sin x dx (x в радианах).

∫₀1 x·sin x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xyy = 2x2​y = 2x

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

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

z = 5 sin(x + 2y), где x = −3t − 1 и y = 2t² − 1. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 1.

z = 5 sin(x + 2y)x = −3t − 1y = 2t² − 1t = 1
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−202−202ABC

Отмеченные точки — критические точки функции f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy. Нажмите на седловую точку.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
  1. 1A (−1, −1)
  2. 2B (0, 0)
  3. 3C (1, 1)
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 3/kk = 1 … ∞CΣ k/(k + 6)k = 1 … ∞DΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 3/kC: Σ k/(k + 6)D: Σ (k + 2)/k²
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 3/k
  3. 3C: Σ k/(k + 6)
  4. 4D: Σ (k + 2)/k²
12.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=1∞ k·0,5ᵏ.

ak = k·0,5ᵏ
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−55

Найдите f(t) для F(s) = (4s + 25)/(s² + 4s + 29) выделением полного квадрата и вычислите f(0,75).

F(s) = (4s + 25)/(s² + 4s + 29)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t), где y(0) = 4 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 4. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,25).

y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t−20h(t)t24

Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = −2 s и t = 0 s, а h(t) — только между t = 2 s и t = 4 s. Найдите длительность D сигнала y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −2 … 0 sh: 2 … 4 s
D = s
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
5cos(20t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

На систему с h(t) = 10·e−20tu(t) подан вход x(t) = 5·cos(20t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(20t)
φ = °

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 27,25 °C

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.

Решение закона охлаждения

T(t) = 24 + 59·e−0,1t

Подставьте t

T(29) = 24 + 59·0,05502 = 27,25 °C

Ответ

T = 27,25 °C
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 9,875

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∫1/x dx = x1

Интегрируйте

(x1y)′ = 5x3 → x1y = 5x4/4 + C

Начальное условие

1 = 5/4 + C → C = −0,25

Вычислите

y(2) = (5·24/4 + (−0,25))/21 = 9,875

Ответ

y(2) = 9,875
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = 50

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 = −5, M₁₂ = −25, M₁₃ = 4

Разложение по строке

det A = (−4)·(−5) − 2·(−25) + (−5)·4 = 50

Ответ

det A = 50
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 − (9)λ + (20) = 0

Решите

λ = (9 ± √(1))/2 → λ = 4, 5
λ = 5

Ответ

λ = 5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: compb a = 3,255

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)·(−5) + 5·3 + 1·(−5) = 25

Длина b

|b| = √((−5)² + 3² + (−5)²) = 7,681

Скалярная проекция

compb a = a·b/|b| = 25/7,681 = 3,255

Ответ

compb a = 3,255
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: n̂y = 0,8608

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

(a × b)x = aybz − azby = 1·(−3) − (−2)·2 = 1
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·4 − (−3)·(−3) = −17
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·2 − 1·4 = −10

Нормирование

z-компонента a × b отрицательна, поэтому берите −(a × b).

|a × b| = √(1² + (−17)² + (−10)²) = 19,75
n̂ = −(1, −17, −10)/19,75 = (−0,05064, 0,8608, 0,5064)
n̂y = 0,8608

Ответ

n̂y = 0,8608
7.Интегралы

Ответ: I = 0,3012

Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.

Выберите u и dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Первообразная

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Пределы

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Ответ

I = 0,3012
8.Интегралы

Ответ: A = 0,3333

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

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Ответ

A = 0,3333
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: dz/dt = −10,4

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.

Точка и скорости

x(1) = −4, y(1) = 1
dx/dt = −3, dy/dt = 4t = 4

Частные производные

fx = 5 cos(x + 2y) = −2,081
fy = 10 cos(x + 2y) = −4,161

Цепное правило

dz/dt = (−2,081)·(−3) + (−4,161)·4 = −10,4

Ответ

dz/dt = −10,4
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: B (0, 0)

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).

Критические точки

Решите fx = 0 и fy = 0 совместно.

fx = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

Тест по вторым производным

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → седловая точка
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальный минимум
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальный минимум

Точка

B (0, 0): седловая точка

Ответ

B (0, 0)
11.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ (−1)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 (−1)ᵏ/√k → Знакочередующийся, 1/√k убывает к 0: сходится (условно).
B: Σ 3/k → Кратное гармонического ряда (p = 1): расходится.
C: Σ k/(k + 6) → Члены стремятся к 1, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
D: Σ (k + 2)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.

Ответ

A: Σ (−1)ᵏ/√k

Ответ

A: Σ (−1)ᵏ/√k
12.Последовательности и ряды

Ответ: S = 2

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 = 0,5
S = 0,5/(1 − 0,5)² = 2

Ответ

S = 2
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.75) = −1,166

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 + 4s + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

Подбор числителя

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (17/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Обратное преобразование

f(t) = e−2t·(4·cos 5t + 3,4·sin 5t)
f(0,75) = e−2·0,75·(4·cos(5·0,75) + 3,4·sin(5·0,75)) = −1,166

Ответ

f(0,75) = −1,166
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 4,587

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 + 3s + 2)·Y(s) = 4s + 12 + 32/s
Y(s) = (4s² + 12s + 32)/(s(s + 1)(s + 2))

Простые дроби

A = 32/(1·2) = 16
B = 24/((−1)·1) = −24
C = 24/((−2)·(−1)) = 12

Результат

y(t) = 16 − 24·e−t + 12·e−2t
y(0,25) = 4,587

Ответ

y(0,25) = 4,587

Проверка: y(0) = A + B + C = 4.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: D = 4 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 + 2 = 0 s
tend = 0 + 4 = 4 s

Ответ

D = 4 s

Ответ

D = 4 s
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: φ = −45 °

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)|.

Частотная характеристика

H(jω) = 10/(20 + jω)

Фаза на частоте входа

φ = −atan(20/20) = −45°

Ответ

φ = −45°

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