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) = 1y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 4. Знайдіть y(2).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 25,25y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + y′ + 25,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−2430−4133−4

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−2 4 3; 0 −4 1; 3 3 −4]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−1373

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [−1 3; 7 3]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzdFAB

Стала сила F = (−5, −30, −5) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−4, −2, 4) до точки B(4, 4, 2). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (−5, −30, −5) NA(−4, −2, 4) mB(4, 4, 2) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (−1, 3, 1) і b = (3, −1, 1) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.

a = (−1, 3, 1)b = (3, −1, 1)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
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−11P

Скористайтеся дотичною площиною до f(x, y) = ln(x² + 2y²) у (−1, 1), щоб наблизити f(−0,8, 0,8). Дайте лінійне наближення L.

f(x, y) = ln(x² + 2y²)(a, b) = (−1, 1)(x, y) = (−0,8, 0,8)
L =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 3y = x33

Обчисліть I = ∬T (4x + 4y) dA по трикутнику T, обмеженому y = 0, x = 3 і y = x.

f = 4x + 4y0 ≤ x ≤ 30 ≤ y ≤ x
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞BΣ k/(k + 6)k = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ k!/3ᵏB: Σ k/(k + 6)C: Σ 1/(k(k + 4))D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ k!/3ᵏ
  2. 2B: Σ k/(k + 6)
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 4))
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Послідовності та рядиСкладна

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

f(x) = √xa = 1k = 2
c₂ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−10−15−20−25

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 26)/(s² + 2s + 2), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,5).

F(s) = (s + 26)/(s² + 2s + 2)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 6y′ + 8y = 16·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 10 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,25).

y″ + 6y′ + 8y = 16·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t21h(t)t41

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

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 3,5 s
y(3.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
δ(t)y′ + 1y = 2xh(t)

Система описується рівнянням y′(t) + 1·y(t) = 2·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 0,5 s, h(0,5).

y′ + 1y = 2xt = 0,5 s
h(0.5) =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,01748

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.

Характеристичні корені

(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Сталі за початковими значеннями

A + B = 1, −3A − 4B = 4
A = 8, B = −7

Обчисліть

y(2) = 8·e−6 + (−7)·e−8 = 0,01748

Відповідь

y(2) = 0,01748
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 1,04

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 ± 5j

Сталі

A = 5, B = 0,5·5/5 = 0,5

Обчисліть

y(1,5) = e−0,75(5·cos 7,5 + 0,5·sin 7,5) = 1,04

Відповідь

y(1,5) = 1,04
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 22

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 = 13, M₁₂ = −3, M₁₃ = 12

Розклад за рядком

det A = (−2)·13 − 4·(−3) + 3·12 = 22

Відповідь

det A = 22
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 6

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 − (2)λ + (−24) = 0

Розв’яжіть

λ = (2 ± √(100))/2 → λ = −4, 6
λ = 6

Відповідь

λ = 6
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = −210 J

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.

Переміщення

d = B − A = (4, 4, 2) − (−4, −2, 4) = (8, 6, −2) m

Робота

W = F·d = (−5)·8 + (−30)·6 + (−5)·(−2) = −210 J

Відповідь

W = −210 J

Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂y = −0,4082

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

(a × b)x = aybz − azby = 3·1 − 1·(−1) = 4
(a × b)y = azbx − axbz = 1·3 − (−1)·1 = 4
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·(−1) − 3·3 = −8

Нормування

z-компонента a × b від’ємна, тож використайте −(a × b).

|a × b| = √(4² + 4² + (−8)²) = 9,798
n̂ = −(4, 4, −8)/9,798 = (−0,4082, −0,4082, 0,8165)
n̂y = −0,4082

Відповідь

n̂y = −0,4082
7.Інтеграли

Відповідь: I = 2,333

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 = ∫12 u2 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Відповідь

I = 2,333
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: L = 0,6986

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.

Значення і нахили в точці

f(−1, 1) = 1,099
fx = 2x/(x² + 2y²) → fx(−1, 1) = −0,6667
fy = 4y/(x² + 2y²) → fy(−1, 1) = 1,333

Дотична площина

z = 1,099 − 0,6667(x + 1) + 1,333(y − 1)
z = −0,6667x + 1,333y − 0,9014

Лінійне наближення

L = 1,099 + (−0,6667)·0,2 + 1,333·(−0,2) = 0,6986

Відповідь

L = 0,6986

Точне значення f = 0,652325; площина близька, бо крок малий.

10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 54

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).

Границі

0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ x

Внутрішній інтеграл

∫0x (4x + 4y) dy = 4x·x + 4·(x)²/2 = 6x²

Зовнішній інтеграл

I = 6·3³/3 = 54

Відповідь

I = 54
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ 1/(k(k + 4))

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 k!/3ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, розбігається.
B: Σ k/(k + 6) → Члени прямують до 1, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.
C: Σ 1/(k(k + 4)) → Менший за 1/k²: збігається за ознакою порівняння.
D: Σ ln k / k → Більший за 1/k для k ≥ 3: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

C: Σ 1/(k(k + 4))

Відповідь

C: Σ 1/(k(k + 4))
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₂ = −0,125

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) = −0,25·x1/2 − 2

Коефіцієнт

c₂ = −0,25·11/2 − 2/2! = −0,125
c₂ = −0,125

Відповідь

c₂ = −0,125
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 7,802

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 + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

Зіставлення чисельника

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (25/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(cos 1t + 25·sin 1t)
f(0,5) = e−0,5·(cos(1·0,5) + 25·sin(1·0,5)) = 7,802

Відповідь

f(0,5) = 7,802
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 3,096

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

Y(s) = 160/(s(s + 2)(s + 4))

Простіші дроби

A = 160/(2·4) = 20
B = 160/((−2)·2) = −40
C = 160/((−4)·(−2)) = 20

Виведення

y(t) = 20 − 40·e−2t + 20·e−4t
y(0,25) = 3,096

Відповідь

y(0,25) = 3,096
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(3.5) = 2

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, 2] → довжина 2 s

Інтеграл

y(3,5) = 1·1·2 = 2

Відповідь

y(3,5) = 2

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 2 і спадає до 0 при t = 6 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: h(0.5) = 1,213

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)|.

Передатна функція

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 1)

Імпульсна характеристика

h(t) = 2·e−1tu(t)
h(0,5) = 2·e−0,5 = 1,213

Відповідь

h(0,5) = 1,213

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