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)19Ta​19 °C20 °C

Банку газировки температурой 3 °C достали из холодильника в комнату при 22 °C. Через 19 min температура равна 19 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 20 °C?

T0 = 3 °CTa = 22 °CT(19) = 19 °CT = 20 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
ty0,5y(0,5) = ?

Решите y′ + 3y = 8e−2t при y(0) = 0. Найдите y(0,5).

y′ + 3y = 8e−2ty(0) = 0
y(0.5) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−36−12B =−5642

Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c22 (строка 2, столбец 2).

A = [−3 6; −1 2]B = [−5 6; 4 2]
c22 =
4.Матрицы и определителиСложная
A =−326−6b =4−2

Решите систему −3x + 2y = 4 и 6x − 6y = −2. Найдите x.

−3x + 2y = 46x − 6y = −2
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzab

Найдите угол θ между векторами a = (−1, −5, 6) и b = (1, 5, −4) в градусах.

a = (−1, −5, 6)b = (1, 5, −4)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (2, −4, 4) и b = (5, 0, 3) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.

a = (2, −4, 4)b = (5, 0, 3)n̂z > 0
n̂y =
7.ИнтегралыСредняя
xyπ/2y = x·cos x

Вычислите I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x в радианах).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xy0,5y = x²eˣ

Вычислите I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy10,5∇fP

Для f(x, y) = 2 sin(3x − 2y) найдите наибольшую скорость изменения f в точке (1, 0,5), то есть |∇f|.

f(x, y) = 2 sin(3x − 2y)P = (1, 0,5)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−505−4−202(3, −1)(−3, −1)

Найдите критические точки функции f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 2y, классифицируйте их и укажите значение fmax функции f в её локальном максимуме.

f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 2y
fmax =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 2/k³k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ 2/k³B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ (7/4)ᵏD: Σ 2ᵏ/k!
  1. 1A: Σ 2/k³
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ (7/4)ᵏ
  4. 4D: Σ 2ᵏ/k!
12.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ (−2)ᵏ/k!.

ak = (−2)ᵏ/k!
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (5s + 38)/(s² + 2s + 1) и вычислите f(0,5).

F(s) = (5s + 38)/(s² + 2s + 1)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,75).

y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,75 s
y(0.75) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t4h(t)t11

Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−1tu(t). На входе ступенька x(t) = 4·u(t). Найдите выход y(0,4) при t = 0,4 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
5cos(20t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

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

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

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: t = 23,17 min

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.

Константа охлаждения

k = ln(-19/-3)/19 = 0,09715 min⁻¹

Время достижения целевой температуры

t = ln(-19/(−2))/0,09715 = 23,17 min

Ответ

t = 23,17 min
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.5) = 1,158

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 = e3t
(e3ty)′ = 8et

Общее решение

y = 8/1·e−2t + C·e−3t = 8·e−2t + C·e−3t

Начальное условие

0 = 8 + C → C = −8

Вычислите

y(0,5) = 8·0,3679 + (−8)·0,2231 = 1,158

Ответ

y(0,5) = 1,158
3.Матрицы и определители

Ответ: c22 = −2

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

c22 = (−1)·6 + 2·2 = −2

Ответ

c22 = −2
4.Матрицы и определители

Ответ: x = −3,333

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)·(−6) − 2·6 = 6

Замените столбец x

det Aₓ = 4·(−6) − 2·(−2) = −20
x = −20/6 = −3,333

Ответ

x = −3,333
y = −3
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: θ = 168,5 °

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 = (−1)·1 + (−5)·5 + 6·(−4) = −50

Модули

|a| = √((−1)² + (−5)² + 6²) = 7,874
|b| = √(1² + 5² + (−4)²) = 6,481

Угол

cos θ = −50/(7,874·6,481) = −0,9798
θ = arccos(−0,9798) = 168,5°

Ответ

θ = 168,5°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: n̂y = 0,5147

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 = (−4)·3 − 4·0 = −12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·5 − 2·3 = 14
(a × b)z = axby − aybx = 2·0 − (−4)·5 = 20

Нормирование

z-компонента a × b уже положительна.

|a × b| = √((−12)² + 14² + 20²) = 27,2
n̂ = (−12, 14, 20)/27,2 = (−0,4411, 0,5147, 0,7352)
n̂y = 0,5147

Ответ

n̂y = 0,5147
7.Интегралы

Ответ: I = 0,5708

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 = cos x dx, v = sin x

Первообразная

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

Пределы

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Ответ

I = 0,5708
8.Интегралы

Ответ: I = 0,0609

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.

Первый шаг

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Второй шаг

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Пределы

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Ответ

I = 0,0609
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: |∇f| = 3,001

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 = 6 cos(3x − 2y) → fx(1, 0,5) = −2,497
fy = −4 cos(3x − 2y) → fy(1, 0,5) = 1,665

Длина градиента

|∇f| = √((−2,497)² + 1,665²) = 3,001

Ответ

|∇f| = 3,001
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: fmax = 55

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 = −(3x² − 27) = 0
fy = −(2y + 2) = 0
(3, −1), (−3, −1)

Тест по вторым производным

(3, −1): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → локальный максимум
(−3, −1): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → седловая точка

Значение в экстремуме

f(3, −1) = 55

Ответ

fmax = 55
11.Последовательности и ряды

Ответ: C: Σ (7/4)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/k³ → p-ряд с p = 3 > 1: сходится.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Знакочередующийся, 1/k убывает к 0: сходится (условно).
C: Σ (7/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 7/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
D: Σ 2ᵏ/k! → Признак Даламбера: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, сходится.

Ответ

C: Σ (7/4)ᵏ

Ответ

C: Σ (7/4)ᵏ
12.Последовательности и ряды

Ответ: S = 0,1353

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 = −2
S = e−2 = 0,1353

Ответ

S = 0,1353
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.5) = 13,04

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

Простые дроби

5s + 38 = 5(s + 1) + 33
F(s) = 5/(s + 1) + 33/(s + 1)²

Обратное преобразование

f(t) = 5·e−t + 33·t·e−t
f(0,5) = (5 + 33·0,5)·e−0,5 = 13,04

Ответ

f(0,5) = 13,04
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.75) = 5,656

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 + 4s + 3)·Y(s) = 6s + 24 + 15/s
Y(s) = (6s² + 24s + 15)/(s(s + 1)(s + 3))

Простые дроби

A = 15/(1·3) = 5
B = −3/((−1)·2) = 1,5
C = −3/((−3)·(−2)) = −0,5

Результат

y(t) = 5 + 1,5·e−t − 0,5·e−3t
y(0,75) = 5,656

Ответ

y(0,75) = 5,656

Проверка: y(0) = A + B + C = 6.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(0.4) = 1,319

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) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)

Вычислите

y(0,4) = 4·(1 − e−0,4) = 1,319

Ответ

y(0,4) = 1,319
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: φ = −63,43 °

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) = 5/(10 + jω)

Фаза на частоте входа

φ = −atan(20/10) = −63,43°

Ответ

φ = −63,43°

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