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​26 °C67 °C

Чашку кави температурою 85 °C залишили в кімнаті з температурою 24 °C. Через 27 min її температура становить 26 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 67 °C?

T0 = 85 °CTa = 24 °CT(27) = 26 °CT = 67 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
ty1,5y(1,5) = ?

Розв’яжіть y′ + 0,5y = 5e−t при y(0) = 0. Знайдіть y(1,5).

y′ + 0,5y = 5e−ty(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−13−3−2−4−4−203

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−1 3 −3; −2 −4 −4; −2 0 3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−36−710

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [−3 6; −7 10]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (−2, −5, −5) і b = (k, −4, 2) перпендикулярні.

a = (−2, −5, −5)b = (k, −4, 2)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzABC

Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(−3, −4, −3), B(3, 0, 0) і C(−3, 2, 0). Координати подано в метрах.

A(−3, −4, −3)B(3, 0, 0)C(−3, 2, 0)
A = m²
7.ІнтегралиСередня
xy15y = x ln x

Обчисліть I = ∫₁5 x·ln x dx.

∫₁5 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy3y = x²eˣ

Обчисліть I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy024012PQ

Для f(x, y) = 3xey знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(0,5, 1) у напрямку до Q(4,5, 1).

f(x, y) = 3xeyP = (0,5, 1)Q = (4,5, 1)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy2

Скористайтеся полярними координатами, щоб обчислити I = ∬R e−(x² + y²) dA, де R — чверть круга x² + y² ≤ 4 у першій чверті.

f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞CΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ k!/10ᵏC: Σ (5/3)ᵏD: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ k!/10ᵏ
  3. 3C: Σ (5/3)ᵏ
  4. 4D: Σ (2k + 1)/(k + 2)
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₂ при (x + 1)² у ряді Тейлора функції f(x) = eˣ у точці a = −1.

f(x) = eˣa = −1k = 2
c₂ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 8y′ + 15y = 60·u(t) при y(0) = 6 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 5. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 60·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t4h(t)t1

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

x(t) = 4·e−2tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)1243−3

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −3 і +3 з періодом T = 2 ms. Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 2500 Hz.

±3T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 2,762 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.

Стала охолодження

k = ln(61/2)/27 = 0,1266 min⁻¹

Час до досягнення цільової температури

t = ln(61/43)/0,1266 = 2,762 min

Відповідь

t = 2,762 min
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 2,492

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 5e−0,5t

Загальний розв’язок

y = 5/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −10·e−t + C·e−0,5t

Початкова умова

0 = −10 + C → C = 10

Обчисліть

y(1,5) = −10·0,2231 + 10·0,4724 = 2,492

Відповідь

y(1,5) = 2,492
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 78

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 = −12, M₁₂ = −14, M₁₃ = −8

Розклад за рядком

det A = (−1)·(−12) − 3·(−14) + (−3)·(−8) = 78

Відповідь

det A = 78
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 − (7)λ + (12) = 0

Розв’яжіть

λ = (7 ± √(1))/2 → λ = 3, 4
λ = 4

Відповідь

λ = 4
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = 5

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 дорівнює нулю

a·b = (−2)·k + (−5)·(−4) + (−5)·2 = 0
10 + (−2)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −10/(−2) = 5

Відповідь

k = 5
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 20,35 m²

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.

Вектори сторін

AB = B − A = (6, 4, 3)
AC = C − A = (0, 6, 3)

Векторний добуток

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 4·3 − 3·6 = −6
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 3·0 − 6·3 = −18
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 6·6 − 4·0 = 36
|AB × AC| = √((−6)² + (−18)² + 36²) = 40,69

Площа трикутника

A = ½·40,69 = 20,35 m²

Відповідь

A = 20,35 m²
7.Інтеграли

Відповідь: I = 14,12

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

(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12

Відповідь

I = 14,12
8.Інтеграли

Відповідь: I = 98,43

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

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Відповідь

I = 98,43
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = 8,155

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 = 3·ey → fx(0,5, 1) = 8,155
fy = 3xey → fy(0,5, 1) = 4,077

Одиничний вектор

|v| = √(4² + 0²) = 4
u = (1, 0)

Скалярний добуток

Duf = 8,155·1 + 4,077·0 = 8,155

Відповідь

Duf = 8,155
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,771

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/2 ∫02 e−r²·r dr dθ

Інтегруйте

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 0,771

Відповідь

I = 0,771
11.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ (−1)ᵏ/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)ᵏ/k → Знакозмінний, із 1/k, що спадає до 0: збігається (умовно).
B: Σ k!/10ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/10 = ∞, розбігається.
C: Σ (5/3)ᵏ → Геометричний з r = 5/3 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
D: Σ (2k + 1)/(k + 2) → Члени прямують до 2, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.

Відповідь

A: Σ (−1)ᵏ/k

Відповідь

A: Σ (−1)ᵏ/k
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₂ = 0,1839

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = eˣ

Коефіцієнт

c₂ = e−1/2! = 0,1839
c₂ = 0,1839

Відповідь

c₂ = 0,1839
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.3) = 0,704

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 + 1) + C/(s + 4)
A = 25/(1·4) = 6,25
B = 25/((−1)·3) = −8,333
C = 25/((−4)·(−3)) = 2,083

Обернене перетворення

f(t) = 6,25 − 8,333·e−t + 2,083·e−4t

Обчисліть

f(0,3) = 6,25 − 8,333·e−0,3 + 2,083·e−4·0,3 = 0,704

Відповідь

f(0,3) = 0,704
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 9,484

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 + 8s + 15)·Y(s) = 6s + 48 + 300/s
Y(s) = (6s² + 48s + 300)/(s(s + 3)(s + 5))

Простіші дроби

A = 300/(3·5) = 20
B = 210/((−3)·2) = −35
C = 210/((−5)·(−2)) = 21

Результат

y(t) = 20 − 35·e−3t + 21·e−5t
y(0,25) = 9,484

Відповідь

y(0,25) = 9,484

Перевірка: y(0) = A + B + C = 6.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(0.5) = 0,4651

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

Обчисліть

y(0,5) = 4·(0,1353 − 0,3679)/(−2) = 0,4651

Відповідь

y(0,5) = 0,4651
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 = 500 Hz → k = 5

Амплітуда

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Відповідь

c5 = 0,09727

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