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)9Ta​11 °C

Банку газировки температурой 5 °C достали из холодильника в комнату при 22 °C. Через 9 min температура равна 11 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.

T0 = 5 °CTa = 22 °CT(9) = 11 °C
k = min⁻¹
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Решите y″ + 4y′ + 8y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(1,5); углы в радианах.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матрицы и определителиСредняя
A =−415−214502

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−4 1 5; −2 1 4; 5 0 2]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
A =315−1

Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.

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

Постоянная сила F = (−15, −25, 20) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(0, 2, 5) в точку B(2, 1, 1). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (−15, −25, 20) NA(0, 2, 5) mB(2, 1, 1) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (1, −2, 2) и b = (1, −5, −2) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его x-компоненту n̂x.

a = (1, −2, 2)b = (1, −5, −2)n̂z > 0
n̂x =
7.ИнтегралыСредняя
xy13y = x ln x

Вычислите I = ∫₁3 x·ln x dx.

∫₁3 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
xy2y = 2xy = x²

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

y = 2xy = x²
V =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy22∇fP

Для f(x, y) = 5x²y³ − 2x² + 2y² + xy найдите наибольшую скорость изменения f в точке (2, 2), то есть |∇f|.

f(x, y) = 5x²y³ − 2x² + 2y² + xyP = (2, 2)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−20−101(−2, 0)

Функция f(x, y) = 3x² − 2xy + 3y² + 12x − 4y − 5 имеет критическую точку (−2, 0). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = 3x² − 2xy + 3y² + 12x − 4y − 5P = (−2, 0)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
kSn​12345678910

Найдите сумму S = Σk=17 1/(k(k + 1)).

ak = 1/(k(k + 1))n = 7
S =
12.Последовательности и рядыСложная

Найдите коэффициент c₃ при (x − 5)³ в ряде Тейлора функции f(x) = 1/x в точке a = 5.

f(x) = 1/xa = 5k = 3
c₃ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−2−4−6−8−10−1224

Найдите f(t) для F(s) = (3s + 33)/(s² + 4s + 20) выделением полного квадрата и вычислите f(0,75).

F(s) = (3s + 33)/(s² + 4s + 20)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Решите y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 7 и y′(0) = −11 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,1).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 7y′(0) = −11t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t10h(t)t1

На систему с h(t) = e−0,5tu(t) подан вход x(t) = 10·e−4tu(t). Найдите выход y(1) при t = 1 s.

x(t) = 10·e−4tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)1,255102

Последовательность импульсов имеет высоту 2, длительность импульса 1,25 ms и период 5 ms. Найдите амплитуду c3 гармоники номер 3 на частоте 600 Hz.

A = 2τ = 1,25 msT = 5 ms
c3 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: k = 0,04837 min⁻¹

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.

Отношение разностей температур

e−9k = -11/-17

Найдите k

k = ln(-17/-11)/9 = 0,04837 min⁻¹

Ответ

k = 0,04837 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = −0,04226

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.

Комплексные корни

r = −2 ± 2j

Константы

A = 1, B = 2·1/2 = 1

Вычислите

y(1,5) = e−3(1·cos 3 + 1·sin 3) = −0,04226

Ответ

y(1,5) = −0,04226
3.Матрицы и определители

Ответ: det A = −9

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 = 2, M₁₂ = −24, M₁₃ = −5

Разложение по строке

det A = (−4)·2 − 1·(−24) + 5·(−5) = −9

Ответ

det A = −9
4.Матрицы и определители

Ответ: λ = 4

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 − (2)λ + (−8) = 0

Решите

λ = (2 ± √(36))/2 → λ = −2, 4
λ = 4

Ответ

λ = 4
5.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: W = −85 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 = (2, 1, 1) − (0, 2, 5) = (2, −1, −4) m

Работа

W = F·d = (−15)·2 + (−25)·(−1) + 20·(−4) = −85 J

Ответ

W = −85 J

Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.

6.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: n̂x = −0,9417

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 = (−2)·(−2) − 2·(−5) = 14
(a × b)y = azbx − axbz = 2·1 − 1·(−2) = 4
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−5) − (−2)·1 = −3

Нормирование

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

|a × b| = √(14² + 4² + (−3)²) = 14,87
n̂ = −(14, 4, −3)/14,87 = (−0,9417, −0,2691, 0,2018)
n̂x = −0,9417

Ответ

n̂x = −0,9417
7.Интегралы

Ответ: I = 2,944

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Первообразная

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Пределы

(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944

Ответ

I = 2,944
8.Интегралы

Ответ: V = 13,4

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

2x = 1x² → x = 0, x = 2

Метод колец (шайб)

V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx

Интегрируйте

V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4

Ответ

V = 13,4
9.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: |∇f| = 293,6

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 = 10xy³ − 4x + y → fx(2, 2) = 154
fy = 15x²y² + 4y + x → fy(2, 2) = 250

Длина градиента

|∇f| = √(154² + 250²) = 293,6

Ответ

|∇f| = 293,6
10.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: D = 32

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 = 6, fyy = 6, fxy = −2

Дискриминант

D = 6·6 − (−2)² = 32
→ локальный минимум

Ответ

D = 32
11.Последовательности и ряды

Ответ: S = 0,875

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.

Простые дроби

1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))

Отмена

S = 1·(1 − 1/8) = 0,875

Ответ

S = 0,875
12.Последовательности и ряды

Ответ: c₃ = −0,0016

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/(5⁴·6) = −0,0016
c₃ = −0,0016

Ответ

c₃ = −0,0016
13.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.75) = −0,4501

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 + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²

Подбор числителя

F(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (27/4)·4/((s + 2)² + 4²)

Обратное преобразование

f(t) = e−2t·(3·cos 4t + 6,75·sin 4t)
f(0,75) = e−2·0,75·(3·cos(4·0,75) + 6,75·sin(4·0,75)) = −0,4501

Ответ

f(0,75) = −0,4501
14.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.1) = 5,891

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 − 7s − (−11) + 7(sY − 7) + 12Y = 0
Y(s) = (7s + 38)/((s + 3)(s + 4))

Простые дроби

A = 17/1 = 17
B = 10/(−1) = −10

Результат

y(t) = 17·e−3t − 10·e−4t
y(0,1) = 5,891

Ответ

y(0,1) = 5,891

Проверка: y(0) = A + B = 7.

15.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1) = 1,681

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).

Интеграл свёртки

y(t) = 10e−0,5t∫₀ᵗ e−(4 − 0,5)τ dτ = 10(e−0,5t − e−4t)/(3,5)

Вычислите

y(1) = 10·(0,6065 − 0,01832)/(3,5) = 1,681

Ответ

y(1) = 1,681
16.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c3 = 0,3001

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 = 1,25/5 = 0,25

Амплитуда гармоники

c3 = (2·2/(3π))·|sin(3π·0,25)| = 0,3001

Ответ

c3 = 0,3001

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