Інженерна математика 2: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 16 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Диференціальні рівняння

Експоненціальне зростання/спадання
dy/dt = ky → y = y0ekt
Період напіврозпаду
k = ln 2 / t½
Закон охолодження Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Інтегрувальний множник
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак змішування
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Матриці та визначники

визначник 2×2
det = ad − bc
Обернена матриця 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Власні значення
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)

Вектори: скалярний і векторний добутки

Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Одиничний вектор
û = a/|a|
Компоненти за кутом
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярний добуток
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярна проєкція a на b
a·b/|b|
Робота
W = F·d
Векторний добуток
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площі
паралелограм |a × b|, трикутник ½|a × b|
Момент відносно O
MO = r × F, r = A − O
Об’єм паралелепіпеда
V = |a·(b × c)|

Метод

  1. Запишіть кожен вектор у компонентах; для сили, заданої модулем і кутом, використовуйте F·cos θ і F·sin θ.
  2. Для довжин і напрямів використовуйте модуль √(x² + y² + z²) та одиничний вектор a/|a|.
  3. Скалярний добуток використовуйте для кутів, проєкцій, перпендикулярності й роботи: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Векторний добуток використовуйте для перпендикулярних векторів, площ і моментів: акуратно запишіть три компоненти, зберігаючи порядок a × b.

Інтеграли

Похідна степеня
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Визначений інтеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основні інтеграли
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площа між кривими
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
  2. Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для ex, 1/x, sin і cos.
  3. Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
  4. Для визначеного інтеграла обчисліть F(b) − F(a).

Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Частинні похідні
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градієнт
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Похідна за напрямом
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Дотична площина
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Ланцюгове правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест другої похідної
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Подвійний інтеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярні координати
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Метод

  1. Для частинної похідної трактуйте іншу змінну як сталу й користуйтеся правилами для однієї змінної.
  2. Для задач про градієнт обчисліть ∇f = (fx, fy) у точці; використовуйте |∇f| для найкрутішого нахилу та ∇f·u з одиничним вектором u для похідної за напрямом.
  3. Для екстремумів розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом, а потім класифікуйте кожну точку за D = fxx·fyy − fxy².
  4. Для подвійного інтеграла накресліть область, оберіть порядок (або полярні координати для кругів), щоб внутрішні межі були обмежувальними кривими, і спершу інтегруйте всередині.

Послідовності та ряди

Арифметична послідовність
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрична послідовність
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Нескінченний геометричний ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ознака Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радіус збіжності
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 + …
Оцінка похибки Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Метод

  1. Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
  2. Для сум користуйтеся Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) або S = a₁/(1 − r) за |r| < 1, де a₁ — перший член суми.
  3. Для збіжності: спершу ознака n-го члена, потім порівняння з Σ1/kᵖ або геометричним рядом, а ознаку Даламбера чи Коші використовуйте для факторіалів і k-х степенів.
  4. Для многочленів Тейлора випишіть f(a), f′(a), f″(a), …, поділіть k-ту похідну на k! і оцініть похибку за M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Згортка та лінійні стаціонарні системи

Дискретна згортка
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Неперервна згортка
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Довжина й сума
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Початок, кінець і площа
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Східчастий сигнал на вході e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Система першого порядку
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Рекурсія першого порядку
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Синусоїда крізь h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Амплітуди ряду Фур’є
прямокутна ±A: 4A/(kπ), непарні k; трикутна ±A: 8A/(π²k²), непарні k; послідовність імпульсів: A·D і (2A/(kπ))|sin kπD|

Метод

  1. Накресліть обидва сигнали й позначте, де кожен з них ненульовий.
  2. Віддзеркаліть h і зсувайте її: для кожного моменту виходу знайдіть діапазон, де обидва сигнали перекриваються.
  3. Перемножуйте й додавайте (дискретно) або перемножуйте й інтегруйте (неперервно) лише на цьому перекритті.
  4. Перевірте результат: вихід починається в суму моментів початку, закінчується в суму моментів завершення, а його площа чи сума дорівнює добутку площ чи сум входів.

2Задачі для практики

1.Диференціальні рівнянняСередня
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 6. Знайдіть y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = 6
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, 5)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 4 при x > 0, y(1) = 5. Знайдіть y(3).

y′ + y/x = 4y(1) = 5
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =4−4−444012−4

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [4 −4 −4; 4 4 0; 1 2 −4]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =0−314

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [0 −3; 1 4]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzdFAB

Стала сила F = (5, 10, 10) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−1, −4, 3) до точки B(5, 5, 1). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (5, 10, 10) NA(−1, −4, 3) mB(5, 5, 1) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (10, −40, 60) N діє в точці A(−3, −3, −3). Координати подано в метрах. Знайдіть модуль |M| моменту сили відносно точка O(0, 2, 1).

F = (10, −40, 60) NA(−3, −3, −3) mO(0, 2, 1) m
|M| = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 0,5x2​y = 4x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 4x.

y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−202−2024vP

Для f(x, y) = 2 sin(2x − 2y) знайдіть похідну за напрямом Duf у (0,5, 2) у напрямку v = (−1, −4).

f(x, y) = 2 sin(2x − 2y)P = (0,5, 2)v = (−1, −4)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−202(2, 1)(−2, 1)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 2y, класифікуйте їх і дайте значення fmax функції f у її локальному максимумі.

f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 2y
fmax =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/(4k + 2)k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 1/(4k + 2)B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 5ᵏ/k!D: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(4k + 2)
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 5ᵏ/k!
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₃ при (x − 1)³ у ряді Тейлора функції f(x) = e3x у точці a = 1.

f(x) = e3xa = 1k = 3
c₃ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 21)/(s² + 8s + 16) і обчисліть f(0,2).

F(s) = (3s + 21)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = 13 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,3).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = 13t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t0,55h(t)t1

Імпульс x(t) = 5 при 0 ≤ t < 0.5 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−2tu(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−2tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]4+y[n]−0,8·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = −0,8·y[n − 1] + 4·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[4].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 4,155

Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.

Характеристичні корені

(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Сталі за початковими значеннями

A + B = 5, −2A − 3B = 6
A = 21, B = −16

Обчисліть

y(0,5) = 21·e−1 + (−16)·e−1,5 = 4,155

Відповідь

y(0,5) = 4,155
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 7

Диференціальні рівняння першого порядку: dy/dt = k·y має розв’язок y = y₀·ekt (зростання при k > 0, спадання при k < 0); період напіврозпаду T дає k = ln 2/T. Закон охолодження Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) дає T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Лінійне рівняння y′ + p(x)·y = q(x) розв’язують з інтегрувальним множником μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, тож μy = ∫μq dx + C.

Інтегрувальний множник

μ = e∫1/x dx = x1

Інтегруйте

(x1y)′ = 4x → x1y = 4x2/2 + C

Початкова умова

5 = 4/2 + C → C = 3

Обчисліть

y(3) = (4·32/2 + 3)/31 = 7

Відповідь

y(3) = 7
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −144

Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.

Мінори 2×2 першого рядка

M₁₁ = −16, M₁₂ = −16, M₁₃ = 4

Розклад за рядком

det A = 4·(−16) − (−4)·(−16) + (−4)·4 = −144

Відповідь

det A = −144
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 3

Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.

Характеристичне рівняння

λ² − (4)λ + (3) = 0

Розв’яжіть

λ = (4 ± √(4))/2 → λ = 1, 3
λ = 3

Відповідь

λ = 3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = 100 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.

Переміщення

d = B − A = (5, 5, 1) − (−1, −4, 3) = (6, 9, −2) m

Робота

W = F·d = 5·6 + 10·9 + 10·(−2) = 100 J

Відповідь

W = 100 J
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: |M| = 510 N·m

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.

Радіус-вектор від O до A

r = A − O = (−3, −3, −3) − (0, 2, 1) = (−3, −5, −4) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−5)·60 − (−4)·(−40) = −460 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−4)·10 − (−3)·60 = 140 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−3)·(−40) − (−5)·10 = 170 N·m

Модуль

|M| = √((−460)² + 140² + 170²) = 510 N·m

Відповідь

|M| = 510 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 0,7869

Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.

Первісна

F(x) = e−0,5x/(−0,5)

Підставте межі

I = (e−0,5 − 1)/(−0,5) = (0,6065 − 1)/(−0,5) = 0,7869

Відповідь

I = 0,7869
8.Інтеграли

Відповідь: A = 42,67

Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.

Точки перетину

0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67

Відповідь

A = 42,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = −2,881

Градієнт: ∇f = (fx, fy) вказує напрямок найшвидшого зростання, а |∇f| — найбільша швидкість зміни. Похідна за напрямом v дорівнює Duf = ∇f·u з одиничним вектором u = v/|v|. Дотична площина в точці (a, b): z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); вона дає лінійне наближення f поблизу цієї точки. Правило ланцюга: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Градієнт у точці

fx = 4 cos(2x − 2y) → fx(0,5, 2) = −3,96
fy = −4 cos(2x − 2y) → fy(0,5, 2) = 3,96

Одиничний вектор

|v| = √((−1)² + (−4)²) = 4,123
u = (−0,2425, −0,9701)

Скалярний добуток

Duf = (−3,96)·(−0,2425) + 3,96·(−0,9701) = −2,881

Відповідь

Duf = −2,881
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmax = 17

Критичні точки та подвійні інтеграли: критична точка має fx = fy = 0. Тест другої похідної з D = fxxfyy − fxy²: D > 0 і fxx > 0 — локальний мінімум, D > 0 і fxx < 0 — локальний максимум, D < 0 — сідлова точка, а D = 0 нічого не вирішує. Для подвійного інтеграла по довільній області нехай внутрішні межі будуть кривими, що обмежують область; для кругів і секторів використовуйте полярні координати, x = r cos θ, y = r sin θ і dA = r dr dθ (не забудьте множник r).

Критичні точки

Розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом.

fx = −(3x² − 12) = 0
fy = −(2y − 2) = 0
(2, 1), (−2, 1)

Тест другої похідної

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

Значення в екстремумі

f(2, 1) = 17

Відповідь

fmax = 17
11.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ 1/(4k + 2)

Збіжність: якщо члени не прямують до 0, ряд розбігається (необхідна умова збіжності, ознака n-го члена). Σ1/kᵖ збігається лише за p > 1, а Σrᵏ лише за |r| < 1. Порівнюйте ряд з одним із них, коли його члени для великих k поводяться як вони. Ознака Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; ознака Коші: L = lim |ak|1/k. L < 1 — збігається, L > 1 — розбігається, L = 1 нічого не вирішує. Степеневий ряд Σck(x − x₀)ᵏ збігається для |x − x₀| < R, де R = lim |ck/ck+1|; знакозмінний ряд із членами, що спадають до 0, збігається.

Перевірте кожен ряд

A: Σ 1/(4k + 2) → Для великих k поводиться як 1/(4k); порівняно з гармонічним рядом розбігається.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Знакозмінний, із 1/k, що спадає до 0: збігається (умовно).
C: Σ 5ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
D: Σ (1/3)ᵏ → Геометричний з r = 1/3, |r| < 1: збігається.

Відповідь

A: Σ 1/(4k + 2)

Відповідь

A: Σ 1/(4k + 2)
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₃ = 90,38

Многочлени Тейлора: поблизу x = a гладка функція наближається многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; для a = 0 це многочлен Маклорена. Стандартні ряди: 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. Оцінка похибки Лагранжа: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, де M — найбільше значення |f⁽ⁿ⁺¹⁾| між a і x.

Похідна f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 3³·e3x

Коефіцієнт

c₃ = 3³·e3/3! = 90,38
c₃ = 90,38

Відповідь

c₃ = 90,38
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.2) = 2,157

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

Простіші дроби

3s + 21 = 3(s + 4) + 9
F(s) = 3/(s + 4) + 9/(s + 4)²

Обернене перетворення

f(t) = 3·e−4t + 9·t·e−4t
f(0,2) = (3 + 9·0,2)·e−4·0,2 = 2,157

Відповідь

f(0,2) = 2,157
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.3) = 3,919

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

s²Y − 4s − 13 + 8(sY − 4) + 15Y = 0
Y(s) = (4s + 45)/((s + 3)(s + 5))

Простіші дроби

A = 33/2 = 16,5
B = 25/(−2) = −12,5

Результат

y(t) = 16,5·e−3t − 12,5·e−5t
y(0,3) = 3,919

Відповідь

y(0,3) = 3,919

Перевірка: y(0) = A + B = 4.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 0,07868

Неперервна згортка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Відобразіть h дзеркально, посуньте її в положення t та проінтегруйте добуток частин, що перекриваються. Для причинних сигналів інтеграл береться від 0 до t. Корисні результати: площа y дорівнює площі x, помноженій на площу h; якщо x триває від t₁ до t₂, а h — від t₃ до t₄, то y триває від t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) і східчастого сигналу висотою A маємо y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Вихід наприкінці імпульсу

y(0,5) = (5/2)(1 − e−1) = 1,58

Спад після імпульсу

y(2) = 1,58·e−2·1,5 = 0,07868

Відповідь

y(2) = 0,07868
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[4] = 2,95

Імпульсна характеристика та ряд Фур’є: імпульсна характеристика h(t) повністю описує лінійну стаціонарну систему: для y′ + a·y = b·x вона має вигляд h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоїда cos ωt проходить із коефіцієнтом підсилення |H(jω)| і фазою ∠H(jω), де H — перетворення Фур’є функції h. Періодичний сигнал є сумою гармонік на частотах k/T: прямокутна хвиля ±A має лише непарні гармоніки з амплітудами 4A/(kπ), трикутна хвиля з піком A має 8A/(π²k²), а послідовність імпульсів висотою A з коефіцієнтом заповнення D має середнє значення A·D і гармоніки (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Ітерація

y[0] = 4
y[1] = 0,8
y[2] = 3,36
y[3] = 1,312
y[4] = 2,95

Результат

y[4] = 4·(1 − (−0,8)5)/(1 − (−0,8)) = 2,95

Відповідь

y[4] = 2,95

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