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)54Ta​T = ?

Кувану сталеву деталь температурою 420 °C залишили остигати в цеху з температурою 23 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,01 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 54 min.

T0 = 420 °CTa = 23 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 54 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 10ymax​ = ?

Система підпорядковується y″ + y′ + 4,25y = 42,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + y′ + 4,25y = 42,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
A =4−2535−5−245

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [4 −2 5; 3 5 −5; −2 4 5]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−2−378

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [−2 −3; 7 8]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (−4, −6, −5) і b = (−4, 4, k) перпендикулярні.

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

Для a = (6, −5, 0) і b = (0, −5, 5) знайдіть x-компоненту (a × b)x векторного добутку a × b.

a = (6, −5, 0)b = (0, −5, 5)
(a × b)x =
7.ІнтегралиСередня
xy02

Обчисліть I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy2,5y = x²eˣ

Обчисліть I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−2−1∇fP

Для f(x, y) = xy³ + 5x³ − 5y² − 4xy знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (−2, −1), тобто |∇f|.

f(x, y) = xy³ + 5x³ − 5y² − 4xyP = (−2, −1)
|∇f| =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−2024AB

Позначені точки — критичні точки f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 6y. Клікніть локальний максимум.

f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 6y
  1. 1A (−1, 3)
  2. 2B (1, 3)
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k³/3ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞CΣ 2/k²k = 1 … ∞DΣ (k + 1)/k²k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ k³/3ᵏB: Σ 1/(k(k + 1))C: Σ 2/k²D: Σ (k + 1)/k²
  1. 1A: Σ k³/3ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 1))
  3. 3C: Σ 2/k²
  4. 4D: Σ (k + 1)/k²
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = sin x наближено в точці x = 0,5 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 0,0005.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 2)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,5).

F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 2))t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t) при y(0) = 6 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 2. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,1).

y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t4h(t)t1

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

x(t) = 4·e−5tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)520401

Послідовність імпульсів має висоту 1, ширину імпульсу 5 ms і період 20 ms. Знайдіть амплітуду c2 гармоніки номер 2 на частоті 100 Hz.

A = 1τ = 5 msT = 20 ms
c2 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 254,4 °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) = 23 + 397·e−0,01t

Підставте t

T(54) = 23 + 397·0,5827 = 254,4 °C

Відповідь

T = 254,4 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: ymax = 14,56

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.

Усталене значення та корені

yss = 10, r = −0,5 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −2,5

Пік

t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/2) = 14,56

Відповідь

ymax = 14,56
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 300

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 = 45, M₁₂ = 5, M₁₃ = 22

Розклад за рядком

det A = 4·45 − (−2)·5 + 5·22 = 300

Відповідь

det A = 300
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 − (6)λ + (5) = 0

Розв’яжіть

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Відповідь

λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −1,6

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 = (−4)·(−4) + (−6)·4 + (−5)·k = 0
−8 + (−5)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−8)/(−5) = −1,6

Відповідь

k = −1,6
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)x = −25

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 = (−5)·5 − 0·(−5) = −25
(a × b)y = azbx − axbz = 0·0 − 6·5 = −30
(a × b)z = axby − aybx = 6·(−5) − (−5)·0 = −30

Потрібна компонента

(a × b)x = −25

Відповідь

(a × b)x = −25

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

7.Інтеграли

Відповідь: I = 41,33

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.

Заміна змінної

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33

Відповідь

I = 41,33
8.Інтеграли

Відповідь: I = 37,59

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

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Відповідь

I = 37,59
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: |∇f| = 64,13

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 = y³ + 15x² − 4y → fx(−2, −1) = 63
fy = 3xy² − 10y − 4x → fy(−2, −1) = 12

Довжина градієнта

|∇f| = √(63² + 12²) = 64,13

Відповідь

|∇f| = 64,13
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: B (1, 3)

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).

Критичні точки

Розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом.

fx = −(3x² − 3) = 0
fy = −(2y − 6) = 0
(1, 3), (−1, 3)

Тест другої похідної

(1, 3): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → локальний максимум
(−1, 3): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → сідлова точка

Точка

B (1, 3): локальний максимум

Відповідь

B (1, 3)
11.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ (k + 1)/k²

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 k³/3ᵏ → Ознака Даламбера: L = 1/3 < 1, збігається.
B: Σ 1/(k(k + 1)) → Менший за 1/k²: збігається за ознакою порівняння.
C: Σ 2/k² → p-ряд з p = 2 > 1: збігається.
D: Σ (k + 1)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

D: Σ (k + 1)/k²

Відповідь

D: Σ (k + 1)/k²
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 4

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)!оцінка010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

Оцінки для зростаючого n

n = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005

Найменший степінь

n = 4

Відповідь

n = 4
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 4,257

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 + 2)
A = 55/(1·2) = 27,5
B = 55/((−1)·1) = −55
C = 55/((−2)·(−1)) = 27,5

Обернене перетворення

f(t) = 27,5 − 55·e−t + 27,5·e−2t

Обчисліть

f(0,5) = 27,5 − 55·e−0,5 + 27,5·e−2·0,5 = 4,257

Відповідь

f(0,5) = 4,257
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.1) = 5,827

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 + 10s + 24)·Y(s) = 6s + 60 + 96/s
Y(s) = (6s² + 60s + 96)/(s(s + 4)(s + 6))

Простіші дроби

A = 96/(4·6) = 4
B = −48/((−4)·2) = 6
C = −48/((−6)·(−2)) = −4

Результат

y(t) = 4 + 6·e−4t − 4·e−6t
y(0,1) = 5,827

Відповідь

y(0,1) = 5,827

Перевірка: y(0) = A + B + C = 6.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 0,4194

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

Обчисліть

y(1,5) = 4·(0,4724 − 0,0005531)/(4,5) = 0,4194

Відповідь

y(1,5) = 0,4194
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c2 = 0,3183

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 = 5/20 = 0,25

Амплітуда гармоніки

c2 = (2·1/(2π))·|sin(2π·0,25)| = 0,3183

Відповідь

c2 = 0,3183

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