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) = 4y(2) = ?

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

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

Розв’яжіть y″ + 2y′ + 26y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−100−1B =1−2−5−1

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).

A = [−1 0; 0 −1]B = [1 −2; −5 −1]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =2112

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [2 1; 1 2]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть кут θ між векторами a = (1, 6, −5) і b = (2, −3, −2) у градусах.

a = (1, 6, −5)b = (2, −3, −2)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzabc

Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (4, 1, 1), b = (0, 2, 3) і c = (0, −1, −3).

a = (4, 1, 1)b = (0, 2, 3)c = (0, −1, −3)
V =
7.ІнтегралиСередня
xy12

Обчисліть I = ∫12 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 2]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy1y = 2xy = 2x²

Область між прямою y = 2x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 2xy = 2x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−4−2002PQ

Для f(x, y) = 2y·exy знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(−1, 0,5) у напрямку до Q(−4, 2,5).

f(x, y) = 2y·exyP = (−1, 0,5)Q = (−4, 2,5)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−202(0, 0)(1, 1)(−1, −1)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ 2/k⁴k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 3ᵏ/k!B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ k!/3ᵏD: Σ 2/k⁴
  1. 1A: Σ 3ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ 2/k⁴
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₃0,8

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 3 для f(x) = e2x, щоб наблизити f(0,8). Дайте P₃(0,8).

f(x) = e2xn = 3x = 0,8
P₃(0.8) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−10−15−20−25−30−35−40

F(s) = (s + 37)/(s² + 9s + 8). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−t + B·e−8t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (s + 37)/(s² + 9s + 8)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 5 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,2).

y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t0,55h(t)t1

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

x(t) = 5, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
5cos(15t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 5·cos(15t) подано на систему з h(t) = 10·e−5tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 5cos(15t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,7663

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 + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4

Сталі за початковими значеннями

A + B = 4, −1A − 4B = 1
A = 5,667, B = −1,667

Обчисліть

y(2) = 5,667·e−2 + (−1,667)·e−8 = 0,7663

Відповідь

y(2) = 0,7663
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,2384

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 = −1 ± 5j

Сталі

A = 2, B = 1·2/5 = 0,4

Обчисліть

y(1,5) = e−1,5(2·cos 7,5 + 0,4·sin 7,5) = 0,2384

Відповідь

y(1,5) = 0,2384
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = 1

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

c22 = 0·(−2) + (−1)·(−1) = 1

Відповідь

c22 = 1
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 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.

Характеристичне рівняння

λ² − (4)λ + (3) = 0

Розв’яжіть

λ = (4 ± √(4))/2 → λ = 1, 3
λ = 3

Відповідь

λ = 3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 100,7 °

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 + 6·(−3) + (−5)·(−2) = −6

Модулі

|a| = √(1² + 6² + (−5)²) = 7,874
|b| = √(2² + (−3)² + (−2)²) = 4,123

Кут

cos θ = −6/(7,874·4,123) = −0,1848
θ = arccos(−0,1848) = 100,7°

Відповідь

θ = 100,7°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: V = 12

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 2·(−3) − 3·(−1) = −3
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·0 − 0·(−3) = 0
(b × c)z = bxcy − bycx = 0·(−1) − 2·0 = 0

Скалярний добуток з a

a·(b × c) = 4·(−3) + 1·0 + 1·0 = −12
V = |−12| = 12

Відповідь

V = 12
7.Інтеграли

Відповідь: I = 1,386

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 2 − ln 1) = 2·ln 2 = 1,386

Відповідь

I = 1,386
8.Інтеграли

Відповідь: V = 1,676

Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.

Точки перетину

2x = 2x² → x = 0, x = 1

Метод шайб

V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676

Відповідь

V = 1,676
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = 0,08411

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.

Градієнт у точці

fx = 2y²exy → fx(−1, 0,5) = 0,3033
fy = 2exy(1 + xy) → fy(−1, 0,5) = 0,6065

Одиничний вектор

|v| = √((−3)² + 2²) = 3,606
u = (−0,8321, 0,5547)

Скалярний добуток

Duf = 0,3033·(−0,8321) + 0,6065·0,5547 = 0,08411

Відповідь

Duf = 0,08411
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −2

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 = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

Тест другої похідної

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → сідлова точка
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальний мінімум
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальний мінімум

Значення в екстремумі

f(−1, −1) = −2

Відповідь

fmin = −2
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ k!/3ᵏ

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 3ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Знакозмінний, із 1/k, що спадає до 0: збігається (умовно).
C: Σ k!/3ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, розбігається.
D: Σ 2/k⁴ → p-ряд з p = 4 > 1: збігається.

Відповідь

C: Σ k!/3ᵏ

Відповідь

C: Σ k!/3ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₃(0.8) = 4,563

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.

Многочлен Маклорена

P₃(x) = 1 + 2x + 2x² + 1,333x³

Підставте

P₃(0,8) = 1 + 1,6 + 1,28 + 0,682667 = 4,563

Відповідь

P₃(0,8) = 4,563

Точне значення дорівнює f(0,8) = 4,953032; похибка 0,390366 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 5,143

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 + 9s + 8 = (s + 1)(s + 8)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 8)

Правило закривання

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

A = (s + 37)/(s + 8) |s = −1 = 36/7 = 5,143

Відповідь

A = 5,143
(B = −4,143, тож f(t) = 5,143·e−t − 4,143·e−8t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = 1,124

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) = 100/(s(s + 4)(s + 5))

Простіші дроби

A = 100/(4·5) = 5
B = 100/((−4)·1) = −25
C = 100/((−5)·(−1)) = 20

Виведення

y(t) = 5 − 25·e−4t + 20·e−5t
y(0,2) = 1,124

Відповідь

y(0,2) = 1,124
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2.5) = 0,2663

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) = (5/1)(1 − e−0,5) = 1,967

Спад після імпульсу

y(2,5) = 1,967·e−1·2 = 0,2663

Відповідь

y(2,5) = 0,2663
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 3,162

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) = 10/(5 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j15)| = 10/√(5² + 15²) = 0,6325
Ym = 5·0,6325 = 3,162

Відповідь

Ym = 3,162

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