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
t (min)T (°C)47Ta​122 °C

Кувану сталеву деталь температурою 420 °C залишили остигати в цеху з температурою 26 °C. Через 47 min її температура становить 122 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 420 °CTa = 26 °CT(47) = 122 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)10 minm = ?

Бак містить 400 L води, у якій розчинено 10 kg солі. Розсіл із 0,1 kg солі на літр надходить зі швидкістю 4 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 10 min?

V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.Матриці та визначникиСередня
A =55−62B =−24−53

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).

A = [5 5; −6 2]B = [−2 4; −5 3]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−31−46b =−22

Розв'яжіть систему −3x + y = −2 і −4x + 6y = 2. Знайдіть x.

−3x + y = −2−4x + 6y = 2
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть кут θ між векторами a = (−1, 2, 3) і b = (3, −3, −2) у градусах.

a = (−1, 2, 3)b = (3, −3, −2)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (−3, −3, 0) і b = (4, 6, −2) знайдіть y-компоненту (a × b)y векторного добутку a × b.

a = (−3, −3, 0)b = (4, 6, −2)
(a × b)y =
7.ІнтегралиСередня
xy12,5y = x ln x

Обчисліть I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy0,5y = x²eˣ

Обчисліть I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = −4x²y³ + 5x³ − 2y² − 3xy, де x = −2t + 2 і y = 2t². Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 1.

z = −4x²y³ + 5x³ − 2y² − 3xyx = −2t + 2y = 2t²t = 1
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy2

Скористайтеся полярними координатами, щоб обчислити I = ∬R e−(x² + y²) dA, де R — верхній півкруг x² + y² ≤ 4 (y ≥ 0).

f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞BΣ 5/kk = 1 … ∞CΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

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

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=1∞ k·0,2ᵏ.

ak = k·0,2ᵏ
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 3)/(s² + 8s + 16) і обчисліть f(0,1).

F(s) = (s + 3)/(s² + 8s + 16)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t) при y(0) = 4 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 1. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,2).

y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t5h(t)t1

Вхід x(t) = 5·e−6tu(t) подано на систему з h(t) = e−5tu(t). Знайдіть вихід y(0,5) при t = 0,5 s.

x(t) = 5·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
10cos(10t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 10·cos(10t) подано на систему з h(t) = 5·e−10tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(10t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,03004 min⁻¹

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.

Відношення різниць температур

e−47k = 96/394

Розв’яжіть щодо k

k = ln(394/96)/47 = 0,03004 min⁻¹

Відповідь

k = 0,03004 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: m = 12,85 kg

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.

Складіть рівняння

dm/dt = 4·0,1 − (4/400)·m = 0,4 − 0,01·m

Розв’яжіть

Інтегрувальний множник ert/V; розв’язок наближається до рівноважного c·V.

m(t) = 40 + (−30)·e−t/100

Підставте t

m(10) = 40 + (−30)·0,9048 = 12,85 kg

Відповідь

m = 12,85 kg
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = −18

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.

Рядок на стовпець

c22 = (−6)·4 + 2·3 = −18

Відповідь

c22 = −18
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 1

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.

Визначник матриці коефіцієнтів

det A = (−3)·6 − 1·(−4) = −14

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−2)·6 − 1·2 = −14
x = −14/(−14) = 1

Відповідь

x = 1
y = 1
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 148,7 °

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.

Скалярний добуток

a·b = (−1)·3 + 2·(−3) + 3·(−2) = −15

Модулі

|a| = √((−1)² + 2² + 3²) = 3,742
|b| = √(3² + (−3)² + (−2)²) = 4,69

Кут

cos θ = −15/(3,742·4,69) = −0,8547
θ = arccos(−0,8547) = 148,7°

Відповідь

θ = 148,7°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)y = −6

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.

Векторний добуток покомпонентно

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·(−2) − 0·6 = 6
(a × b)y = azbx − axbz = 0·4 − (−3)·(−2) = −6
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·6 − (−3)·4 = −6

Потрібна компонента

(a × b)y = −6

Відповідь

(a × b)y = −6

Перевірка: a × b перпендикулярний до обох векторів, тож його скалярний добуток з a і з b дорівнює нулю.

7.Інтеграли

Відповідь: I = 1,551

Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.

Оберіть u та dv

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

Первісна

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

Границі

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Відповідь

I = 1,551
8.Інтеграли

Відповідь: I = 0,0609

Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.

Перший крок

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Другий крок

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

Границі

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Відповідь

I = 0,0609
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = −20

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.

Точка і швидкості

x(1) = 0, y(1) = 2
dx/dt = −2, dy/dt = 4t = 4

Частинні похідні

fx = −8xy³ + 15x² − 3y = −6
fy = −12x²y² − 4y − 3x = −8

Ланцюгове правило

dz/dt = (−6)·(−2) + (−8)·4 = −20

Відповідь

dz/dt = −20
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 1,542

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).

Полярна форма

I = ∫0π ∫02 e−r²·r dr dθ

Інтегруйте

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 1,542

Відповідь

I = 1,542
11.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ 1/(3ᵏ + k)

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/(3ᵏ + k) → Менший за (1/3)ᵏ, збіжний геометричний ряд: збігається за ознакою порівняння.
B: Σ 5/k → Кратне гармонічного ряду (p = 1): розбігається.
C: Σ (4/3)ᵏ → Геометричний з r = 4/3 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
D: Σ k!/3ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, розбігається.

Відповідь

A: Σ 1/(3ᵏ + k)

Відповідь

A: Σ 1/(3ᵏ + k)
12.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,3125

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.

Стандартні ряди

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

Підставте

x = 0,2
S = 0,2/(1 − 0,2)² = 0,3125

Відповідь

S = 0,3125
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.1) = 0,6033

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

s + 3 = 1(s + 4) + −1
F(s) = 1/(s + 4) − 1/(s + 4)²

Обернене перетворення

f(t) = e−4t − t·e−4t
f(0,1) = (1 − 1·0,1)·e−4·0,1 = 0,6033

Відповідь

f(0,1) = 0,6033
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = 4

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

(s² + 7s + 12)·Y(s) = 4s + 28 + 48/s
Y(s) = (4s² + 28s + 48)/(s(s + 3)(s + 4))

Простіші дроби

A = 48/(3·4) = 4
B = 0/((−3)·1) = 0
C = 0/((−4)·(−1)) = 0

Результат

y(t) = 4
y(0,2) = 4

Відповідь

y(0,2) = 4

Перевірка: y(0) = A + B + C = 4.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(0.5) = 0,1615

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).

Інтеграл згортки

y(t) = 5e−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 5(e−5t − e−6t)/(1)

Обчисліть

y(0,5) = 5·(0,08208 − 0,04979)/(1) = 0,1615

Відповідь

y(0,5) = 0,1615
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 3,536

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)|.

Частотна характеристика

H(jω) = 5/(10 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j10)| = 5/√(10² + 10²) = 0,3536
Ym = 10·0,3536 = 3,536

Відповідь

Ym = 3,536

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