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″ + 6y′ + 9y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 4. Знайдіть y(0,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 2y′ + 26y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,5); кути в радіанах.

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−4−4−50B =0−6−2−4

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

A = [−4 −4; −5 0]B = [0 −6; −2 −4]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =4−363b =−11−8

Розв'яжіть систему 4x − 3y = −11 і 6x + 3y = −8. Знайдіть x.

4x − 3y = −116x + 3y = −8
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzdFAB

Стала сила F = (−5, −10, −15) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−1, −4, −4) до точки B(−2, −2, −3). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (−5, −10, −15) NA(−1, −4, −4) mB(−2, −2, −3) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Знайдіть площу A паралелограма, натягнутого на a = (−5, −5, −1) і b = (1, −5, 0).

a = (−5, −5, −1)b = (1, −5, 0)
A =
7.ІнтегралиСередня
xy4y = √(4x)

Область під y = √(4x) від x = 0 до x = 4 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (параболоїда).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 4
V =
8.ІнтегралиСкладна
xy2y = 2xy = x²

Область між прямою y = 2x і параболою y = x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 2xy = x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy3−2P

Дотичну площину до z = xy² − x³ + y² − 4xy у точці, де (x, y) = (3, −2), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = xy² − x³ + y² − 4xy(a, b) = (3, −2)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 1,2y = x1,2

Інтеграл I = ∫01,2 ∫y1,2 ex² dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k/(k + 1)k = 1 … ∞BΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/kk = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

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

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,75ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0,75ᵏ/k
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 20/(s(s + 3)(s + 6)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).

F(s) = 20/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t) при y(0) = 6 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 1. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,6).

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t2h(t)t1

Вхід x(t) = 2·e−4tu(t) подано на систему з h(t) = e−0,5tu(t). Знайдіть вихід y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 2·e−4tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)0,3121

Послідовність імпульсів має висоту 1, ширину імпульсу 0,3 ms і період 1 ms. Знайдіть амплітуду c3 гармоніки номер 3 на частоті 3000 Hz.

A = 1τ = 0,3 msT = 1 ms
c3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 3,235

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.

Подвійний корінь

(r + 3)² = 0 → r = −3

Сталі

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 4 + 15 = 19

Обчисліть

y(0,5) = (5 + 19·0,5)·e−1,5 = 3,235

Відповідь

y(0,5) = 3,235
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = −2,067

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.

Комплексні корені

r = −1 ± 5j

Сталі

A = 5, B = 1·5/5 = 1

Обчисліть

y(0,5) = e−0,5(5·cos 2,5 + 1·sin 2,5) = −2,067

Відповідь

y(0,5) = −2,067
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = 30

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 = (−5)·(−6) + 0·(−4) = 30

Відповідь

c22 = 30
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −1,9

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 = 4·3 − (−3)·6 = 30

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−11)·3 − (−3)·(−8) = −57
x = −57/30 = −1,9

Відповідь

x = −1,9
y = 1,133
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = −30 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 = (−2, −2, −3) − (−1, −4, −4) = (−1, 2, 1) m

Робота

W = F·d = (−5)·(−1) + (−10)·2 + (−15)·1 = −30 J

Відповідь

W = −30 J

Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 30,43

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

(a × b)x = aybz − azby = (−5)·0 − (−1)·(−5) = −5
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·1 − (−5)·0 = −1
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−5) − (−5)·1 = 30

Площа

A = |a × b| = √((−5)² + (−1)² + 30²) = 30,43

Відповідь

A = 30,43
7.Інтеграли

Відповідь: V = 100,5

Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.

Метод дисків

V = π∫₀4 4x dx

Інтегруйте

V = π·4·4²/2 = 100,5

Відповідь

V = 100,5
8.Інтеграли

Відповідь: V = 13,4

Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.

Точки перетину

2x = 1x² → x = 0, x = 2

Метод шайб

V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx

Інтегруйте

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

Відповідь

V = 13,4
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: c = 2

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.

Значення і нахили в точці

f(3, −2) = 13
fx = y² − 3x² − 4y → fx(3, −2) = −15
fy = 2xy + 2y − 4x → fy(3, −2) = −28

Дотична площина

z = 13 − 15(x − 3) − 28(y + 2)
z = −15x − 28y + 2

Сталий член

c = 2

Відповідь

c = 2
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 1,61

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).

Область

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,2

Змінений порядок

I = ∫01,2 ∫0x ex² dy dx = ∫01,2 x·ex² dx

Підстановка u = x²

I = [ex²/2]01,2 = 1,61

Відповідь

I = 1,61
11.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ (1/3)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 k/(k + 1) → Члени прямують до 1, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.
B: Σ (3/2)ᵏ → Геометричний з r = 3/2 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
C: Σ 1/k → Кратне гармонічного ряду (p = 1): розбігається.
D: Σ (1/3)ᵏ → Геометричний з r = 1/3, |r| < 1: збігається.

Відповідь

D: Σ (1/3)ᵏ

Відповідь

D: Σ (1/3)ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,5596

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 (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Підставте

x = 0,75
S = ln 1,75 = 0,5596

Відповідь

S = 0,5596
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.3) = 0,3913

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).

Простіші дроби

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)
A = 20/(3·6) = 1,111
B = 20/((−3)·3) = −2,222
C = 20/((−6)·(−3)) = 1,111

Обернене перетворення

f(t) = 1,111 − 2,222·e−3t + 1,111·e−6t

Обчисліть

f(0,3) = 1,111 − 2,222·e−3·0,3 + 1,111·e−6·0,3 = 0,3913

Відповідь

f(0,3) = 0,3913
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.6) = 5,481

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 + 4s + 3)·Y(s) = 6s + 24 + 12/s
Y(s) = (6s² + 24s + 12)/(s(s + 1)(s + 3))

Простіші дроби

A = 12/(1·3) = 4
B = −6/((−1)·2) = 3
C = −6/((−3)·(−2)) = −1

Результат

y(t) = 4 + 3·e−t − e−3t
y(0,6) = 5,481

Відповідь

y(0,6) = 5,481

Перевірка: y(0) = A + B + C = 6.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 0,2685

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) = 2e−0,5t∫₀ᵗ e−(4 − 0,5)τ dτ = 2(e−0,5t − e−4t)/(3,5)

Обчисліть

y(1,5) = 2·(0,4724 − 0,002479)/(3,5) = 0,2685

Відповідь

y(1,5) = 0,2685
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,06558

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)|.

Коефіцієнт заповнення

D = 0,3/1 = 0,3

Амплітуда гармоніки

c3 = (2·1/(3π))·|sin(3π·0,3)| = 0,06558

Відповідь

c3 = 0,06558

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