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) = 3y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 1. Знайдіть y(1,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 1y(1) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1); кути в радіанах.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =3−55401−312

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [3 −5 5; 4 0 1; −3 1 2]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =0154

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

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

Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (7, 3, −6) і b = (−7, −4, −1).

a = (7, 3, −6)b = (−7, −4, −1)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−60, −20, −20) N діє в точці A(−2, −1, −1). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно точка O(−2, −3, 1).

F = (−60, −20, −20) NA(−2, −1, −1) mO(−2, −3, 1) m
Mx = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy13

Обчисліть I = ∫13 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 3]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy−22

Знайдіть площу A області між параболою y = 4 − x² і віссю x.

y = 4 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−1−1∇fP

Для f(x, y) = 2 ln(x² + 4y²) знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (−1, −1), тобто |∇f|.

f(x, y) = 2 ln(x² + 4y²)P = (−1, −1)
|∇f| =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 1,2y = x1,21,2

Інтеграл I = ∫01,2 ∫x1,2 1/(1 + y²)² dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
kSn​12345678910S = ?

Знайдіть суму S = Σk=1∞ 12/(k(k + 4)).

ak = 12/(k(k + 4))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = eˣ наближено в точці x = 2 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 8 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 1 × 10⁻⁵.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−10−15−20−25−30−355

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 31)/(s² + 2s + 37), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,1).

F(s) = (s + 31)/(s² + 2s + 37)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t) при y(0) = 5 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 2. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,3).

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t32h(t)t43

Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 3 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 3 при 0 ≤ t < 4 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)0,5123−3

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −3 і +3 з періодом T = 1 ms. Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 5000 Hz.

±3T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,05577

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 + 4)² = 0 → r = −4

Сталі

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = 1 + 12 = 13

Обчисліть

y(1,5) = (3 + 13·1,5)·e−6 = 0,05577

Відповідь

y(1,5) = 0,05577
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = −0,4538

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 = −0,5 ± 4j

Сталі

A = 1, B = 0,5·1/4 = 0,125

Обчисліть

y(1) = e−0,5(1·cos 4 + 0,125·sin 4) = −0,4538

Відповідь

y(1) = −0,4538
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 72

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 = −1, M₁₂ = 11, M₁₃ = 4

Розклад за рядком

det A = 3·(−1) − (−5)·11 + 5·4 = 72

Відповідь

det A = 72
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 5

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 + (−5) = 0

Розв’яжіть

λ = (4 ± √(36))/2 → λ = −1, 5
λ = 5

Відповідь

λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: a·b = −55

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.

Перемножте відповідні компоненти й додайте

a·b = 7·(−7) + 3·(−4) + (−6)·(−1) = (−49) + (−12) + 6 = −55

Відповідь

a·b = −55

Від’ємний: кут між векторами більший за 90°.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mx = −80 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 = (−2, −1, −1) − (−2, −3, 1) = (0, 2, −2) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 2·(−20) − (−2)·(−20) = −80 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·(−60) − 0·(−20) = 120 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 0·(−20) − 2·(−60) = 120 N·m

Потрібна компонента

Mx = −80 N·m

Відповідь

Mx = −80 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 2,197

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) = 2·ln x

Підставте межі

I = 2·(ln 3 − ln 1) = 2·ln 3 = 2,197

Відповідь

I = 2,197
8.Інтеграли

Відповідь: A = 10,67

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.

Нулі

4 − x² = 0 → x = ±2

Інтегруйте

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Відповідь

A = 10,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: |∇f| = 3,298

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.

Частинні похідні

fx = 4x/(x² + 4y²) → fx(−1, −1) = −0,8
fy = 16y/(x² + 4y²) → fy(−1, −1) = −3,2

Довжина градієнта

|∇f| = √((−0,8)² + (−3,2)²) = 3,298

Відповідь

|∇f| = 3,298
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,2951

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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2

Змінений порядок

I = ∫01,2 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫01,2 y·1/(1 + y²)² dy

Підстановка u = y²

I = [−1/(2(1 + y²))]01,2 = 0,2951

Відповідь

I = 0,2951
11.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 6,25

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.

Простіші дроби

12/(k(k + 4)) = (12/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Скасувати

S = (12/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 6,25

Відповідь

S = 6,25
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 13

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)!оцінка2610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105114790016006,841 × 10⁻⁵1262270208001,052 × 10⁻⁵13871782912001,503 × 10⁻⁶

Оцінки для зростаючого n

n = 12: 1,052 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 13: 1,503 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Найменший степінь

n = 13

Відповідь

n = 13
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.1) = 3,301

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).

Виділення повного квадрата

s² + 2s + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²

Зіставлення чисельника

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 6²) + (30/6)·6/((s + 1)² + 6²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(cos 6t + 5·sin 6t)
f(0,1) = e−0,1·(cos(6·0,1) + 5·sin(6·0,1)) = 3,301

Відповідь

f(0,1) = 3,301
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.3) = 5,352

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 + 9s + 18)·Y(s) = 5s + 45 + 108/s
Y(s) = (5s² + 45s + 108)/(s(s + 3)(s + 6))

Простіші дроби

A = 108/(3·6) = 6
B = 18/((−3)·3) = −2
C = 18/((−6)·(−3)) = 1

Результат

y(t) = 6 − 2·e−3t + e−6t
y(0,3) = 5,352

Відповідь

y(0,3) = 5,352

Перевірка: y(0) = A + B + C = 5.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 9

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).

Перекриття віддзеркаленого імпульсу

h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.

τ ∈ [0, 1,5] → довжина 1,5 s

Інтеграл

y(1,5) = 2·3·1,5 = 9

Відповідь

y(1,5) = 9

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 18 і спадає до 0 при t = 7 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c5 = 0,09727

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)|.

Номер гармоніки

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 5

Амплітуда

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Відповідь

c5 = 0,09727

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