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)27Ta​T = ?

Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 24 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,06 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 27 min.

T0 = 6 °CTa = 24 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 27 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)t = ?56 kg

Бак містить 400 L чистої води. Розсіл із 0,2 kg солі на літр надходить зі швидкістю 5 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Через скільки хвилин t бак міститиме 56 kg солі?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.Матриці та визначникиСередня
A =0−6−3−4B =5−5−1−1

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

A = [0 −6; −3 −4]B = [5 −5; −1 −1]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−24−68

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [−2 4; −6 8]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (3, −7, −2) на b = (−3, 0, 3), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (3, −7, −2)b = (−3, 0, 3)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (0, −30, −40) N діє в точці A(−1, −2, 2). Координати подано в метрах. Знайдіть модуль |M| моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).

F = (0, −30, −40) NA(−1, −2, 2) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy14y = x ln x

Обчисліть I = ∫₁4 x·ln x dx.

∫₁4 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = 3x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy024−202PQ

Для f(x, y) = 2 ln(x² + 4y²) знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(0,5, −1) у напрямку до Q(3,5, 2).

f(x, y) = 2 ln(x² + 4y²)P = (0,5, −1)Q = (3,5, 2)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy02−1012(0, 0)(1, 1)

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy має критичну точку в (0, 0). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ + y³ − 3xyP = (0, 0)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/kk = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ 5/k³k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ (7/4)ᵏB: Σ 1/kC: Σ ln k / kD: Σ 5/k³
  1. 1A: Σ (7/4)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/k
  3. 3C: Σ ln k / k
  4. 4D: Σ 5/k³
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = sin x наближено в точці x = 1 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,0001.

f(x) = sin xx = 1M = 1ε = 0,0001
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 4)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,75).

F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−2−4−6−8−102

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 4y′ + 13y = u′ + 9u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,4 s. Знайдіть g(0,4).

y″ + 4y′ + 13y = u′ + 9ut = 0,4 s
g(0.4) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t410h(t)t43

Імпульс x(t) = 10 при 0 ≤ t < 4 s згортають із h(t) — трикутником, що лінійно спадає від 3 при t = 0 до 0 при t = 4 s. Знайдіть площу Ay під y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)1,6482

Послідовність імпульсів має висоту 2, ширину імпульсу 1,6 ms і період 4 ms. Знайдіть амплітуду c1 гармоніки номер 1 на частоті 250 Hz.

A = 2τ = 1,6 msT = 4 ms
c1 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 20,44 °C

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.

Розв’язок закону охолодження

T(t) = 24 + (−18)·e−0,06t

Підставте t

T(27) = 24 + (−18)·0,1979 = 20,44 °C

Відповідь

T = 20,44 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 96,32 min

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.

Результат

m(t) = 80 + (−80)·e−t/80

Розв’яжіть щодо t

e−t/80 = (80 − 56)/(80 − 0) = 0,3
t = 80·ln(3,333) = 96,32 min

Відповідь

t = 96,32 min
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = 19

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 = (−3)·(−5) + (−4)·(−1) = 19

Відповідь

c22 = 19
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 4

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 − (6)λ + (8) = 0

Розв’яжіть

λ = (6 ± √(4))/2 → λ = 2, 4
λ = 4

Відповідь

λ = 4
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = −3,536

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 = 3·(−3) + (−7)·0 + (−2)·3 = −15

Довжина b

|b| = √((−3)² + 0² + 3²) = 4,243

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = −15/4,243 = −3,536

Відповідь

compb a = −3,536

Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: |M| = 148,7 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 = (−1, −2, 2) − (0, 0, 0) = (−1, −2, 2) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−2)·(−40) − 2·(−30) = 140 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·0 − (−1)·(−40) = −40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·(−30) − (−2)·0 = 30 N·m

Модуль

|M| = √(140² + (−40)² + 30²) = 148,7 N·m

Відповідь

|M| = 148,7 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 7,34

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

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34

Відповідь

I = 7,34
8.Інтеграли

Відповідь: A = 1,125

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

2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Відповідь

A = 1,125
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = −2,329

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 = 4x/(x² + 4y²) → fx(0,5, −1) = 0,4706
fy = 16y/(x² + 4y²) → fy(0,5, −1) = −3,765

Одиничний вектор

|v| = √(3² + 3²) = 4,243
u = (0,7071, 0,7071)

Скалярний добуток

Duf = 0,4706·0,7071 + (−3,765)·0,7071 = −2,329

Відповідь

Duf = −2,329
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: D = −9

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).

Другі похідні

fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3

Дискримінант

D = 0·0 − (−3)² = −9
→ сідлова точка

Відповідь

D = −9
11.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ 5/k³

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 (7/4)ᵏ → Геометричний з r = 7/4 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
B: Σ 1/k → Кратне гармонічного ряду (p = 1): розбігається.
C: Σ ln k / k → Більший за 1/k для k ≥ 3: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
D: Σ 5/k³ → p-ряд з p = 3 > 1: збігається.

Відповідь

D: Σ 5/k³

Відповідь

D: Σ 5/k³
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 7

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.

n(n + 1)!оцінка011120,5260,16673240,0416741200,00833357200,001389650400,00019847403202,48 × 10⁻⁵

Оцінки для зростаючого n

n = 6: 0,0001984 ≥ 0,0001
n = 7: 2,48 × 10⁻⁵ < 0,0001

Найменший степінь

n = 7

Відповідь

n = 7
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.75) = 4,149

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 55/(2·4) = 6,875
B = 55/((−2)·2) = −13,75
C = 55/((−4)·(−2)) = 6,875

Обернене перетворення

f(t) = 6,875 − 13,75·e−2t + 6,875·e−4t

Обчисліть

f(0,75) = 6,875 − 13,75·e−2·0,75 + 6,875·e−4·0,75 = 4,149

Відповідь

f(0,75) = 4,149
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.4) = 1,14

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).

Передатна функція

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 9)/(s² + 4s + 13)

Простіші дроби

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (7/3)·3/((s + 2)² + 3²)

Імпульсна характеристика

g(t) = e−2t·(cos 3t + 2,333·sin 3t)
g(0,4) = 1,14

Відповідь

g(0,4) = 1,14
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ay = 240

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).

Площі входів

∫x dt = 10·4 = 40
∫h dt = ½·4·3 = 6

Площа виходу

Ay = 40·6 = 240

Відповідь

Ay = 240
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c1 = 1,211

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 = 1,6/4 = 0,4

Амплітуда гармоніки

c1 = (2·2/(1π))·|sin(1π·0,4)| = 1,211

Відповідь

c1 = 1,211

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