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″ + 2y′ + y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 1. Знайдіть y(2).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
ty0,5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y′ + 3y = 10e−0,5t при y(0) = 3. Знайдіть y(0,5).

y′ + 3y = 10e−0,5ty(0) = 3
y(0.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−2250B =634−5

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

A = [−2 2; 5 0]B = [6 3; 4 −5]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−3410

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [−3 4; 1 0]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−4, −5, 4) на b = (−5, −5, −4), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (−4, −5, 4)b = (−5, −5, −4)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (−3, 0, −4) і b = (−4, 5, 2) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.

a = (−3, 0, −4)b = (−4, 5, 2)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = x.

y = 2x2y = x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−13∇fP

Для f(x, y) = xy + 3x³ − 4y² знайдіть напрямок найшвидшого зростання в (−1, 3) як кут θ від додатної осі x, у градусах між −180° і 180°.

f(x, y) = xy + 3x³ − 4y²P = (−1, 3)
θ = °
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−4−202(0, −3)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = −x² − xy − 3y² − 3x − 18y + 3, класифікуйте їх і дайте значення fmax функції f у її локальному максимумі.

f(x, y) = −x² − xy − 3y² − 3x − 18y + 3
fmax =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞BΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞CΣ 5/k²k = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ k!/10ᵏB: Σ (2k + 1)/(k + 2)C: Σ 5/k²D: Σ (3/2)ᵏ
  1. 1A: Σ k!/10ᵏ
  2. 2B: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  3. 3C: Σ 5/k²
  4. 4D: Σ (3/2)ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,52k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·0,52k/(2k)!
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 14)/(s² + 10s + 25) і обчисліть f(0,1).

F(s) = (s + 14)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−224

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 4y′ + 20y = 3u′ + 8u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,8 s. Знайдіть g(0,8).

y″ + 4y′ + 20y = 3u′ + 8ut = 0,8 s
g(0.8) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t4h(t)t1

Вхід x(t) = 4·e−3tu(t) подано на систему з h(t) = e−2tu(t). Знайдіть вихід y(0,5) при t = 0,5 s.

x(t) = 4·e−3tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
δ(t)y′ + 5y = 3xh(t)

Система описується рівнянням y′(t) + 5·y(t) = 3·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 0,05 s, h(0,05).

y′ + 5y = 3xt = 0,05 s
h(0.05) =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 1,083

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 + 1)² = 0 → r = −1

Сталі

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 2 = 3

Обчисліть

y(2) = (2 + 3·2)·e−2 = 1,083

Відповідь

y(2) = 1,083
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 2,892

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 = e3t
(e3ty)′ = 10e2,5t

Загальний розв’язок

y = 10/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 4·e−0,5t + C·e−3t

Початкова умова

3 = 4 + C → C = −1

Обчисліть

y(0,5) = 4·0,7788 + (−1)·0,2231 = 2,892

Відповідь

y(0,5) = 2,892
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = 15

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 = 5·3 + 0·(−5) = 15

Відповідь

c22 = 15
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 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.

Характеристичне рівняння

λ² − (−3)λ + (−4) = 0

Розв’яжіть

λ = (−3 ± √(25))/2 → λ = −4, 1
λ = 1

Відповідь

λ = 1
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = 3,57

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 = (−4)·(−5) + (−5)·(−5) + 4·(−4) = 29

Довжина b

|b| = √((−5)² + (−5)² + (−4)²) = 8,124

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = 29/8,124 = 3,57

Відповідь

compb a = 3,57
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂y = −0,6606

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 = 0·2 − (−4)·5 = 20
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·(−4) − (−3)·2 = 22
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·5 − 0·(−4) = −15

Нормування

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

|a × b| = √(20² + 22² + (−15)²) = 33,3
n̂ = −(20, 22, −15)/33,3 = (−0,6006, −0,6606, 0,4504)
n̂y = −0,6606

Відповідь

n̂y = −0,6606
7.Інтеграли

Відповідь: I = 1,5

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 u1 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5

Відповідь

I = 1,5
8.Інтеграли

Відповідь: A = 0,04167

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

2x2 = x → x = 0, x = 0,5

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Відповідь

A = 0,04167
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: θ = −64,36 °

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 = y + 9x² → fx(−1, 3) = 12
fy = x − 8y → fy(−1, 3) = −25

Напрямок

θ = atan2(−25, 12) = −64,36°

Відповідь

θ = −64,36°
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmax = 30

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 = −2x − y − 3 = 0
fy = −x − 6y − 18 = 0
(0, −3)

Тест другої похідної

(0, −3): fxx = −2, fyy = −6, fxy = −1, D = 11 → локальний максимум

Значення в екстремумі

f(0, −3) = 30

Відповідь

fmax = 30
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ 5/k²

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!/10ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/10 = ∞, розбігається.
B: Σ (2k + 1)/(k + 2) → Члени прямують до 2, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.
C: Σ 5/k² → p-ряд з p = 2 > 1: збігається.
D: Σ (3/2)ᵏ → Геометричний з r = 3/2 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.

Відповідь

C: Σ 5/k²

Відповідь

C: Σ 5/k²
12.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,8776

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 (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x

Підставте

x = 0,5
S = cos 0,5 = 0,8776

Відповідь

S = 0,8776
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.1) = 1,152

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Простіші дроби

s + 14 = 1(s + 5) + 9
F(s) = 1/(s + 5) + 9/(s + 5)²

Обернене перетворення

f(t) = e−5t + 9·t·e−5t
f(0,1) = (1 + 9·0,1)·e−5·0,1 = 1,152

Відповідь

f(0,1) = 1,152
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.8) = −0,6105

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).

Передатна функція

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 8)/(s² + 4s + 20)

Простіші дроби

s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 4²
G(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (2/4)·4/((s + 2)² + 4²)

Імпульсна характеристика

g(t) = e−2t·(3·cos 4t + 0,5·sin 4t)
g(0,8) = −0,6105

Відповідь

g(0,8) = −0,6105
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(0.5) = 0,579

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).

Інтеграл згортки

y(t) = 4e−2t∫₀ᵗ e−(3 − 2)τ dτ = 4(e−2t − e−3t)/(1)

Обчисліть

y(0,5) = 4·(0,3679 − 0,2231)/(1) = 0,579

Відповідь

y(0,5) = 0,579
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: h(0.05) = 2,336

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) = 3/(s + 5)

Імпульсна характеристика

h(t) = 3·e−5tu(t)
h(0,05) = 3·e−0,25 = 2,336

Відповідь

h(0,05) = 2,336

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