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)9Ta​14 °C

Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 22 °C. Через 9 min її температура становить 14 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 6 °CTa = 22 °CT(9) = 14 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 2y(0,5) = ?

Система підпорядковується y″ + y′ + 16,25y = 32,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,5); кути в радіанах.

y″ + y′ + 16,25y = 32,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−44−4−5B =2−4−14

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c21 (рядок 2, стовпець 1).

A = [−4 4; −4 −5]B = [2 −4; −1 4]
c21 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =51−21b =−9−3

Розв'яжіть систему 5x + y = −9 і −2x + y = −3. Знайдіть x.

5x + y = −9−2x + y = −3
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть кут θ між векторами a = (5, −6, −6) і b = (−6, 6, −2) у градусах.

a = (5, −6, −6)b = (−6, 6, −2)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (5, 4, −6) і b = (−1, 6, 1) знайдіть y-компоненту (a × b)y векторного добутку a × b.

a = (5, 4, −6)b = (−1, 6, 1)
(a × b)y =
7.ІнтегралиСередня
xyπy = x·cos x

Обчисліть I = ∫₀π x·cos x dx (x у радіанах).

∫₀π x·cos x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy−11

Знайдіть площу A області між параболою y = 1 − x² і віссю x.

y = 1 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy11P

Скористайтеся дотичною площиною до f(x, y) = sin(x − 3y) у (1, 1), щоб наблизити f(1,1, 1,1). Дайте лінійне наближення L.

f(x, y) = sin(x − 3y)(a, b) = (1, 1)(x, y) = (1,1, 1,1)
L =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−20−20(−1, −2)

f(x, y) = −x² + 2xy − 3y² + 2x − 10y має критичну точку в (−1, −2). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −x² + 2xy − 3y² + 2x − 10yP = (−1, −2)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/k³k = 1 … ∞BΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ k³/5ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 1/k³B: Σ 1/(2ᵏ + k)C: Σ (7/4)ᵏD: Σ k³/5ᵏ
  1. 1A: Σ 1/k³
  2. 2B: Σ 1/(2ᵏ + k)
  3. 3C: Σ (7/4)ᵏ
  4. 4D: Σ k³/5ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₃ при (x − 2)³ у ряді Тейлора функції f(x) = e2x у точці a = 2.

f(x) = e2xa = 2k = 3
c₃ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = (5s + 10)/(s² + 4s + 3). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−t + B·e−3t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (5s + 10)/(s² + 4s + 3)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 8y′ + 12y = 18·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(0,5).

y″ + 8y′ + 12y = 18·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t23

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

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 2 st = 2,5 s
y(2.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
5cos(10t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 5·cos(10t) подано на систему з h(t) = 5·e−10tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(10t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,07702 min⁻¹

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.

Відношення різниць температур

e−9k = -8/-16

Розв’яжіть щодо k

k = ln(-16/-8)/9 = 0,07702 min⁻¹

Відповідь

k = 0,07702 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 2,471

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 = 2, r = −0,5 ± 4j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,25

Обчисліть

y(0,5) = 2·(1 − e−0,25(cos 2 + 0,125·sin 2)) = 2,471

Відповідь

y(0,5) = 2,471
3.Матриці та визначники

Відповідь: c21 = −3

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.

Рядок на стовпець

c21 = (−4)·2 + (−5)·(−1) = −3

Відповідь

c21 = −3
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −0,8571

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 = 5·1 − 1·(−2) = 7

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−9)·1 − 1·(−3) = −6
x = −6/7 = −0,8571

Відповідь

x = −0,8571
y = −4,714
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 129 °

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

a·b = 5·(−6) + (−6)·6 + (−6)·(−2) = −54

Модулі

|a| = √(5² + (−6)² + (−6)²) = 9,849
|b| = √((−6)² + 6² + (−2)²) = 8,718

Кут

cos θ = −54/(9,849·8,718) = −0,6289
θ = arccos(−0,6289) = 129°

Відповідь

θ = 129°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)y = 1

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 = 4·1 − (−6)·6 = 40
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·(−1) − 5·1 = 1
(a × b)z = axby − aybx = 5·6 − 4·(−1) = 34

Потрібна компонента

(a × b)y = 1

Відповідь

(a × b)y = 1

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

7.Інтеграли

Відповідь: I = −2

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Первісна

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Границі

(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2

Відповідь

I = −2
8.Інтеграли

Відповідь: A = 1,333

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.

Нулі

1 − x² = 0 → x = ±1

Інтегруйте

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Відповідь

A = 1,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: L = −0,8261

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) = −0,9093
fx = 1 cos(x − 3y) → fx(1, 1) = −0,4161
fy = −3 cos(x − 3y) → fy(1, 1) = 1,248

Дотична площина

z = −0,9093 − 0,4161(x − 1) + 1,248(y − 1)
z = −0,4161x + 1,248y − 1,742

Лінійне наближення

L = −0,9093 + (−0,4161)·0,1 + 1,248·0,1 = −0,8261

Відповідь

L = −0,8261

Точне значення f = −0,808496; площина близька, бо крок малий.

10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: D = 8

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 = −2, fyy = −6, fxy = 2

Дискримінант

D = (−2)·(−6) − 2² = 8
→ локальний максимум

Відповідь

D = 8
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ (7/4)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/k³ → p-ряд з p = 3 > 1: збігається.
B: Σ 1/(2ᵏ + k) → Менший за (1/2)ᵏ, збіжний геометричний ряд: збігається за ознакою порівняння.
C: Σ (7/4)ᵏ → Геометричний з r = 7/4 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
D: Σ k³/5ᵏ → Ознака Даламбера: L = 1/5 < 1, збігається.

Відповідь

C: Σ (7/4)ᵏ

Відповідь

C: Σ (7/4)ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₃ = 72,8

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⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 2³·e2x

Коефіцієнт

c₃ = 2³·e4/3! = 72,8
c₃ = 72,8

Відповідь

c₃ = 72,8
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 2,5

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).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 3)

Правило закривання

Помножте на (s + 1) і покладіть s = −1: доданок із B зникає.

A = (5s + 10)/(s + 3) |s = −1 = 5/2 = 2,5

Відповідь

A = 2,5
(B = 2,5, тож f(t) = 2,5·e−t + 2,5·e−3t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 7,096

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) = 180/(s(s + 2)(s + 6))

Простіші дроби

A = 180/(2·6) = 15
B = 180/((−2)·4) = −22,5
C = 180/((−6)·(−4)) = 7,5

Виведення

y(t) = 15 − 22,5·e−2t + 7,5·e−6t
y(0,5) = 7,096

Відповідь

y(0,5) = 7,096
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2.5) = 3

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 ∈ [0,5, 1] → довжина 0,5 s

Інтеграл

y(2,5) = 2·3·0,5 = 3

Відповідь

y(2,5) = 3

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 6 і спадає до 0 при t = 3 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 1,768

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)|.

Частотна характеристика

H(jω) = 5/(10 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j10)| = 5/√(10² + 10²) = 0,3536
Ym = 5·0,3536 = 1,768

Відповідь

Ym = 1,768

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