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) = 2y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 1. Знайдіть y(2).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 10ymax​ = ?

Система підпорядковується y″ + 4y′ + 8y = 80 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + 4y′ + 8y = 80y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−51−34−55−1−51

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−5 1 −3; 4 −5 5; −1 −5 1]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−6−43−5b =−32

Розв'яжіть систему −6x − 4y = −3 і 3x − 5y = 2. Знайдіть x.

−6x − 4y = −33x − 5y = 2
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzdFAB

Стала сила F = (0, −25, −15) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−4, 1, 2) до точки B(−2, −1, 4). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (0, −25, −15) NA(−4, 1, 2) mB(−2, −1, 4) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (0, −3, 4) і b = (3, 1, 0) знайдіть x-компоненту (a × b)x векторного добутку a × b.

a = (0, −3, 4)b = (3, 1, 0)
(a × b)x =
7.ІнтегралиСередня
xy28

Обчисліть I = ∫28 3/x dx.

f(x) = 3/x[2, 8]
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
xy20,5∇fP

Для f(x, y) = 2xe0,5y знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (2, 0,5), тобто |∇f|.

f(x, y) = 2xe0,5yP = (2, 0,5)
|∇f| =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−50−4−202(0, 0)(−3, −3)

f(x, y) = x³ + y³ + 9xy має критичну точку в (−3, −3). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ + y³ + 9xyP = (−3, −3)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ ln k / kk = 1 … ∞BΣ 1/k³k = 1 … ∞CΣ 1/(k² + 6)k = 1 … ∞DΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ ln k / kB: Σ 1/k³C: Σ 1/(k² + 6)D: Σ 10ᵏ/k!
  1. 1A: Σ ln k / k
  2. 2B: Σ 1/k³
  3. 3C: Σ 1/(k² + 6)
  4. 4D: Σ 10ᵏ/k!
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 0,001.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,001
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

Знайдіть f(t) для F(s) = (4s + 28)/(s² + 6s + 10), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,1).

F(s) = (4s + 28)/(s² + 6s + 10)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Розв’яжіть y″ + 11y′ + 30y = 0 при y(0) = 8 і y′(0) = −2 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 8y′(0) = −2t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t0,51h(t)t1

Імпульс x(t) = 1 при 0 ≤ t < 0.5 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−2tu(t). Знайдіть вихід y(2,5) при t = 2,5 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−2tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
δ[n]0,5+h[n]0,4·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = 0,4·y[n − 1] + 0,5·x[n] і починає з нульового стану. Знайдіть відлік h[4] її імпульсної характеристики.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,2198

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 + 2)² = 0 → r = −2

Сталі

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 4 = 5

Обчисліть

y(2) = (2 + 5·2)·e−4 = 0,2198

Відповідь

y(2) = 0,2198
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: ymax = 10,43

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 = −2 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

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

Пік

t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−2·π/2) = 10,43

Відповідь

ymax = 10,43
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −34

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 = 20, M₁₂ = 9, M₁₃ = −25

Розклад за рядком

det A = (−5)·20 − 1·9 + (−3)·(−25) = −34

Відповідь

det A = −34
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 0,5476

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 = (−6)·(−5) − (−4)·3 = 42

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−3)·(−5) − (−4)·2 = 23
x = 23/42 = 0,5476

Відповідь

x = 0,5476
y = −0,07143
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = 20 J

Скалярний добуток: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ — скаляр. Він дає кут між двома векторами, cos θ = a·b/(|a|·|b|), і дорівнює нулю, коли вектори перпендикулярні. Скалярна проєкція a на b дорівнює a·b/|b|, а стала сила F на переміщенні d виконує роботу W = F·d.

Переміщення

d = B − A = (−2, −1, 4) − (−4, 1, 2) = (2, −2, 2) m

Робота

W = F·d = 0·2 + (−25)·(−2) + (−15)·2 = 20 J

Відповідь

W = 20 J
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)x = −4

Векторний добуток: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) перпендикулярний до обох векторів, а |a × b| = |a|·|b|·sin θ — площа паралелограма, натягнутого на них (площа трикутника — половина). Порядок має значення: b × a = −(a × b). Момент сили F, прикладеної в точці A, відносно точки O дорівнює MO = r × F, де r = A − O.

Векторний добуток покомпонентно

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·0 − 4·1 = −4
(a × b)y = azbx − axbz = 4·3 − 0·0 = 12
(a × b)z = axby − aybx = 0·1 − (−3)·3 = 9

Потрібна компонента

(a × b)x = −4

Відповідь

(a × b)x = −4

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

7.Інтеграли

Відповідь: I = 4,159

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) = 3·ln x

Підставте межі

I = 3·(ln 8 − ln 2) = 3·ln 4 = 4,159

Відповідь

I = 4,159
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| = 3,632

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 = 2·e0,5y → fx(2, 0,5) = 2,568
fy = xe0,5y → fy(2, 0,5) = 2,568

Довжина градієнта

|∇f| = √(2,568² + 2,568²) = 3,632

Відповідь

|∇f| = 3,632
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: D = 243

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 = −18, fyy = −18, fxy = 9

Дискримінант

D = (−18)·(−18) − 9² = 243
→ локальний максимум

Відповідь

D = 243
11.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ ln 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 ln k / k → Більший за 1/k для k ≥ 3: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
B: Σ 1/k³ → p-ряд з p = 3 > 1: збігається.
C: Σ 1/(k² + 6) → Менший за 1/k², збіжний p-ряд: збігається за ознакою порівняння.
D: Σ 10ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, збігається.

Відповідь

A: Σ ln k / k

Відповідь

A: Σ ln k / k
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 10

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)!оцінка011612162610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105

Оцінки для зростаючого n

n = 9: 0,002257 ≥ 0,001
n = 10: 0,0004105 < 0,001

Найменший степінь

n = 10

Відповідь

n = 10
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.1) = 4,132

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Зіставлення чисельника

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (16/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Обернене перетворення

f(t) = e−3t·(4·cos 1t + 16·sin 1t)
f(0,1) = e−3·0,1·(4·cos(1·0,1) + 16·sin(1·0,1)) = 4,132

Відповідь

f(0,1) = 4,132
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = 5,477

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

s²Y − 8s − (−2) + 11(sY − 8) + 30Y = 0
Y(s) = (8s + 86)/((s + 5)(s + 6))

Простіші дроби

A = 46/1 = 46
B = 38/(−1) = −38

Результат

y(t) = 46·e−5t − 38·e−6t
y(0,2) = 5,477

Відповідь

y(0,2) = 5,477

Перевірка: y(0) = A + B = 8.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2.5) = 0,005789

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).

Вихід наприкінці імпульсу

y(0,5) = (1/2)(1 − e−1) = 0,3161

Спад після імпульсу

y(2,5) = 0,3161·e−2·2 = 0,005789

Відповідь

y(2,5) = 0,005789
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: h[4] = 0,0128

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)|.

Ітерація

h[0] = 0,5
h[1] = 0,2
h[2] = 0,08
h[3] = 0,032
h[4] = 0,0128

Результат

h[4] = 0,5·(0,4)4 = 0,0128

Відповідь

h[4] = 0,0128

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