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) = 5y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 2. Знайдіть y(1,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy12(1, 0)y(2) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + 3y/x = 4 при x > 0, y(1) = 0. Знайдіть y(2).

y′ + 3y/x = 4y(1) = 0
y(2) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =3−3−5−4B =−340−5

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).

A = [3 −3; −5 −4]B = [−3 4; 0 −5]
c12 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−2−2−73

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

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

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−1, −3, −4) на b = (2, 4, 0), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (−1, −3, −4)b = (2, 4, 0)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (2, 2, −3) і b = (−1, 4, −3) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його x-компоненту n̂x.

a = (2, 2, −3)b = (−1, 4, −3)n̂z > 0
n̂x =
7.ІнтегралиСередня
xy28

Обчисліть I = ∫28 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 8]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 0,5x2​y = x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = xey, де x = t і y = −t² + 2. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 0.

z = xeyx = ty = −t² + 2t = 0
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 4y = x44

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

f = x + 3y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ x
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (5k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ 3/kk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

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

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ 2ᵏ/k!.

ak = 2ᵏ/k!
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (4s + 35)/(s² + 8s + 7). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−t + B·e−7t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (4s + 35)/(s² + 8s + 7)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 8y′ + 12y = 60·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 2 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,25).

y″ + 8y′ + 12y = 60·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t24h(t)t−13

Сигнал x(t) ненульовий лише між t = 2 s і t = 4 s, а h(t) — лише між t = −1 s і t = 3 s. Знайдіть момент часу tend, у який закінчується y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 4 sh: −1 … 3 s
tend = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
10cos(15t)h(t) = 2e−20t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 10·cos(15t) подано на систему з h(t) = 2·e−20tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 10cos(15t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 1,145

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) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 10 = 12

Обчисліть

y(1,5) = (5 + 12·1,5)·e−3 = 1,145

Відповідь

y(1,5) = 1,145
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 1,875

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 = e∫3/x dx = x3

Інтегруйте

(x3y)′ = 4x3 → x3y = 4x4/4 + C

Початкова умова

0 = 4/4 + C → C = −1

Обчисліть

y(2) = (4·24/4 + (−1))/23 = 1,875

Відповідь

y(2) = 1,875
3.Матриці та визначники

Відповідь: c12 = 27

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

c12 = 3·4 + (−3)·(−5) = 27

Відповідь

c12 = 27
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 − (1)λ + (−20) = 0

Розв’яжіть

λ = (1 ± √(81))/2 → λ = −4, 5
λ = 5

Відповідь

λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = −3,13

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 = (−1)·2 + (−3)·4 + (−4)·0 = −14

Довжина b

|b| = √(2² + 4² + 0²) = 4,472

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = −14/4,472 = −3,13

Відповідь

compb a = −3,13

Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂x = 0,4073

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 = 2·(−3) − (−3)·4 = 6
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−1) − 2·(−3) = 9
(a × b)z = axby − aybx = 2·4 − 2·(−1) = 10

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √(6² + 9² + 10²) = 14,73
n̂ = (6, 9, 10)/14,73 = (0,4073, 0,611, 0,6788)
n̂x = 0,4073

Відповідь

n̂x = 0,4073
7.Інтеграли

Відповідь: I = 2,773

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) = 2·ln x

Підставте межі

I = 2·(ln 8 − ln 2) = 2·ln 4 = 2,773

Відповідь

I = 2,773
8.Інтеграли

Відповідь: A = 0,6667

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.

Точки перетину

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Відповідь

A = 0,6667
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = 7,389

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.

Точка і швидкості

x(0) = 0, y(0) = 2
dx/dt = 1, dy/dt = −2t = 0

Частинні похідні

fx = 1·ey = 7,389
fy = xey = 0

Ланцюгове правило

dz/dt = 7,389·1 + 0·0 = 7,389

Відповідь

dz/dt = 7,389
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 53,33

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 ≤ 4, 0 ≤ y ≤ x

Внутрішній інтеграл

∫0x (x + 3y) dy = x·x + 3·(x)²/2 = 2,5x²

Зовнішній інтеграл

I = 2,5·4³/3 = 53,33

Відповідь

I = 53,33
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: 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 (5k + 1)/(k + 2) → Члени прямують до 5, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.
B: Σ 3/k → Кратне гармонічного ряду (p = 1): розбігається.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Знакозмінний, із 1/k, що спадає до 0: збігається (умовно).
D: Σ ln k / k → Більший за 1/k для k ≥ 3: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

C: Σ (−1)ᵏ/k

Відповідь

C: Σ (−1)ᵏ/k
12.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 7,389

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.

Стандартні ряди

Σ xᵏ/k! = eˣ

Підставте

x = 2
S = e2 = 7,389

Відповідь

S = 7,389
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 5,167

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 + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

Правило закривання

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

A = (4s + 35)/(s + 7) |s = −1 = 31/6 = 5,167

Відповідь

A = 5,167
(B = −1,167, тож f(t) = 5,167·e−t − 1,167·e−7t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 2,018

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) = 120/(s(s + 2)(s + 6))

Простіші дроби

A = 120/(2·6) = 10
B = 120/((−2)·4) = −15
C = 120/((−6)·(−4)) = 5

Виведення

y(t) = 10 − 15·e−2t + 5·e−6t
y(0,25) = 2,018

Відповідь

y(0,25) = 2,018
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: tend = 7 s

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).

Початок і кінець

tstart = 2 + (−1) = 1 s
tend = 4 + 3 = 7 s

Відповідь

tend = 7 s

Відповідь

tend = 7 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 0,8

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) = 2/(20 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j15)| = 2/√(20² + 15²) = 0,08
Ym = 10·0,08 = 0,8

Відповідь

Ym = 0,8

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