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(0,5) = ?

Решите y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = -2. Найдите y(0,5).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 5y(1) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 13y = 65 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(1); углы в радианах.

y″ + 4y′ + 13y = 65y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−15531−153−4

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−1 5 5; 3 1 −1; 5 3 −4]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =3181

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

A = [3 1; 8 1]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzdFAB

Постоянная сила F = (5, −15, −10) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(5, 0, 3) в точку B(−5, −1, −5). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (5, −15, −10) NA(5, 0, 3) mB(−5, −1, −5) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Для a = (4, −2, 6) и b = (4, 5, 4) найдите y-компоненту (a × b)y векторного произведения a × b.

a = (4, −2, 6)b = (4, 5, 4)
(a × b)y =
7.ИнтегралыСредняя
xyπ/3y = x·sin x

Вычислите I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x в радианах).

∫₀π/3 x·sin x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xy−33

Найдите площадь A области между параболой y = 9 − x² и осью x.

y = 9 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy21P

Касательную плоскость к z = 5 sin(2x + y) в точке, где (x, y) = (2, 1), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.

f(x, y) = 5 sin(2x + y)(a, b) = (2, 1)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−202−202(2, −1)(−2, −1)

Найдите критические точки функции f(x, y) = −x³ + 12x − y² − 2y, классифицируйте их и укажите значение fmax функции f в её локальном максимуме.

f(x, y) = −x³ + 12x − y² − 2y
fmax =
11.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞DΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ (2k + 1)/(k + 2)B: Σ (5/4)ᵏC: Σ 1/(k(k + 1))D: Σ (k + 2)/k²
  1. 1A: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ (5/4)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 1))
  4. 4D: Σ (k + 2)/k²
12.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,25ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0,25ᵏ/k
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−0,5−1−1,5−20,51

F(s) = (4s + 2)/(s² + 3s + 2). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−2t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (4s + 2)/(s² + 3s + 2)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Решите y″ + 10y′ + 24y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = −2 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,25).

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 5y′(0) = −2t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t31h(t)t43

Импульс x(t) = 1 при 0 ≤ t < 3 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(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
δ[n]4+h[n]0,6·z⁻¹+

Система подчиняется уравнению y[n] = 0,6·y[n − 1] + 4·x[n] и начинает с состояния покоя. Найдите отсчёт h[4] её импульсной характеристики.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.5) = 0,4754

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 + 5) = 0 → r = −1, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 1, −1A − 5B = -2
A = 0,75, B = 0,25

Вычислите

y(0,5) = 0,75·e−0,5 + 0,25·e−2,5 = 0,4754

Ответ

y(0,5) = 0,4754
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1) = 5,606

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 = 5, r = −2 ± 3j

Константы по начальным значениям

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −3,333

Вычислите

y(1) = 5·(1 − e−2(cos 3 + 0,6667·sin 3)) = 5,606

Ответ

y(1) = 5,606
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = 56

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 = −1, M₁₂ = −7, M₁₃ = 4

Разложение по строке

det A = (−1)·(−1) − 5·(−7) + 5·4 = 56

Ответ

det A = 56
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 = 45 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 = (−5, −1, −5) − (5, 0, 3) = (−10, −1, −8) m

Работа

W = F·d = 5·(−10) + (−15)·(−1) + (−10)·(−8) = 45 J

Ответ

W = 45 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: (a × b)y = 8

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 = (−2)·4 − 6·5 = −38
(a × b)y = azbx − axbz = 6·4 − 4·4 = 8
(a × b)z = axby − aybx = 4·5 − (−2)·4 = 28

Искомая компонента

(a × b)y = 8

Ответ

(a × b)y = 8

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

7.Интегралы

Ответ: I = 0,3424

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

(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424

Ответ

I = 0,3424
8.Интегралы

Ответ: A = 36

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.

Нули

9 − x² = 0 → x = ±3

Интегрируйте

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Ответ

A = 36
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: c = −11,89

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(2, 1) = −4,795
fx = 10 cos(2x + y) → fx(2, 1) = 2,837
fy = 5 cos(2x + y) → fy(2, 1) = 1,418

Касательная плоскость

z = −4,795 + 2,837(x − 2) + 1,418(y − 1)
z = 2,837x + 1,418y − 11,89

Постоянный член

c = −11,89

Ответ

c = −11,89
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: fmax = 17

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 − 12) = 0
fy = −(2y + 2) = 0
(2, −1), (−2, −1)

Тест по вторым производным

(2, −1): fxx = −12, fyy = −2, fxy = 0, D = 24 → локальный максимум
(−2, −1): fxx = 12, fyy = −2, fxy = 0, D = −24 → седловая точка

Значение в экстремуме

f(2, −1) = 17

Ответ

fmax = 17
11.Последовательности и ряды

Ответ: C: Σ 1/(k(k + 1))

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 (2k + 1)/(k + 2) → Члены стремятся к 2, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
B: Σ (5/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 5/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
C: Σ 1/(k(k + 1)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.
D: Σ (k + 2)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.

Ответ

C: Σ 1/(k(k + 1))

Ответ

C: Σ 1/(k(k + 1))
12.Последовательности и ряды

Ответ: S = 0,2231

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 (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Подставьте

x = 0,25
S = ln 1,25 = 0,2231

Ответ

S = 0,2231
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 + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.

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

Ответ

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

Ответ: y(0.25) = 3,142

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

s²Y − 5s − (−2) + 10(sY − 5) + 24Y = 0
Y(s) = (5s + 48)/((s + 4)(s + 6))

Простые дроби

A = 28/2 = 14
B = 18/(−2) = −9

Результат

y(t) = 14·e−4t − 9·e−6t
y(0,25) = 3,142

Ответ

y(0,25) = 3,142

Проверка: y(0) = A + B = 5.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1.5) = 4,5

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, 1,5] → длина 1,5 s

Интеграл

y(1,5) = 1·3·1,5 = 4,5

Ответ

y(1,5) = 4,5

y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 9 и снова падает до 0 при t = 7 s.

16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: h[4] = 0,5184

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)|.

Итерации

h[0] = 4
h[1] = 2,4
h[2] = 1,44
h[3] = 0,864
h[4] = 0,5184

Результат

h[4] = 4·(0,6)4 = 0,5184

Ответ

h[4] = 0,5184

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