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)23Ta​20 °C

Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 22 °C. Через 23 min її температура становить 20 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 6 °CTa = 22 °CT(23) = 20 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)20 minm = ?

Бак містить 100 L води, у якій розчинено 10 kg солі. Розсіл із 0,25 kg солі на літр надходить зі швидкістю 10 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 20 min?

V = 100 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.Матриці та визначникиСередня
A =−1−5−31−4302−3

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−1 −5 −3; 1 −4 3; 0 2 −3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =5−524b =−811

Розв'яжіть систему 5x − 5y = −8 і 2x + 4y = 11. Знайдіть x.

5x − 5y = −82x + 4y = 11
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (4, −1, 7) на b = (1, −2, −3), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (4, −1, 7)b = (1, −2, −3)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (4, −6, 4) і b = (3, 5, −3) знайдіть x-компоненту (a × b)x векторного добутку a × b.

a = (4, −6, 4)b = (3, 5, −3)
(a × b)x =
7.ІнтегралиСередня
xy2y = x

Область під y = x від x = 0 до x = 2 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (конуса).

y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.ІнтегралиСкладна
xy3y = 3xy = x²

Область між прямою y = 3x і параболою y = x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 3xy = x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy024024PQ

Для f(x, y) = −x³y − 5x³ + 2y³ − xy знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(2, 2) у напрямку до Q(5, 2).

f(x, y) = −x³y − 5x³ + 2y³ − xyP = (2, 2)Q = (5, 2)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 1,2y = x1,2

Інтеграл I = ∫01,2 ∫y1,2 cos(x²) dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1,2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
xx₀ = 0??R

Знайдіть радіус збіжності R степеневого ряду Σk=1∞ 4ᵏx²ᵏ/k.

Σ 4ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = cos x наближено в точці x = 1,5 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,001.

f(x) = cos xx = 1,5M = 1ε = 0,001
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−10−15−20−255

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 25)/(s² + 4s + 29), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,3).

F(s) = (s + 25)/(s² + 4s + 29)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 18y = 90·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 1 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 90·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t14h(t)t11

Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 1 s згортають із h(t) — трикутником, що лінійно спадає від 1 при t = 0 до 0 при t = 1 s. Знайдіть площу Ay під y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 1, h(1) = 0
Ay =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
5cos(60t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 5·cos(60t) подано на систему з h(t) = 5·e−20tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 5cos(60t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,09041 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−23k = -2/-16

Розв’яжіть щодо k

k = ln(-16/-2)/23 = 0,09041 min⁻¹

Відповідь

k = 0,09041 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: m = 22,97 kg

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.

Складіть рівняння

dm/dt = 10·0,25 − (10/100)·m = 2,5 − 0,1·m

Розв’яжіть

Інтегрувальний множник ert/V; розв’язок наближається до рівноважного c·V.

m(t) = 25 + (−15)·e−t/10

Підставте t

m(20) = 25 + (−15)·0,1353 = 22,97 kg

Відповідь

m = 22,97 kg
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −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.

Мінори 2×2 першого рядка

M₁₁ = 6, M₁₂ = −3, M₁₃ = 2

Розклад за рядком

det A = (−1)·6 − (−5)·(−3) + (−3)·2 = −27

Відповідь

det A = −27
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 0,7667

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 = 5·4 − (−5)·2 = 30

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−8)·4 − (−5)·11 = 23
x = 23/30 = 0,7667

Відповідь

x = 0,7667
y = 2,367
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = −4,009

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 = 4·1 + (−1)·(−2) + 7·(−3) = −15

Довжина b

|b| = √(1² + (−2)² + (−3)²) = 3,742

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = −15/3,742 = −4,009

Відповідь

compb a = −4,009

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

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)x = −2

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 = (−6)·(−3) − 4·5 = −2
(a × b)y = azbx − axbz = 4·3 − 4·(−3) = 24
(a × b)z = axby − aybx = 4·5 − (−6)·3 = 38

Потрібна компонента

(a × b)x = −2

Відповідь

(a × b)x = −2

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

7.Інтеграли

Відповідь: V = 8,378

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.

Метод дисків

V = π∫₀2 1x² dx

Інтегруйте

V = π·1·2³/3 = 8,378

Відповідь

V = 8,378

Перевірка: конус радіуса 2 і висоти 2 має (1/3)πr²h = 8,378.

8.Інтеграли

Відповідь: V = 101,8

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

3x = 1x² → x = 0, x = 3

Метод шайб

V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8

Відповідь

V = 101,8
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = −86

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 = −3x²y − 15x² − y → fx(2, 2) = −86
fy = −x³ + 6y² − x → fy(2, 2) = 14

Одиничний вектор

|v| = √(3² + 0²) = 3
u = (1, 0)

Скалярний добуток

Duf = (−86)·1 + 14·0 = −86

Відповідь

Duf = −86
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,4957

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).

Область

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,2

Змінений порядок

I = ∫01,2 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫01,2 x·cos(x²) dx

Підстановка u = x²

I = [sin(x²)/2]01,2 = 0,4957

Відповідь

I = 0,4957
11.Послідовності та ряди

Відповідь: R = 0,5

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.

Коефіцієнти

Ряд за x²: він збігається для 4·x² < 1, тож |x| < 1/2.

Радіус

R = 0,5

Відповідь

R = 0,5

Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 7

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.

n(n + 1)!оцінка011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,0006356

Оцінки для зростаючого n

n = 6: 0,00339 ≥ 0,001
n = 7: 0,0006356 < 0,001

Найменший степінь

n = 7

Відповідь

n = 7
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.3) = 2,557

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 + 4s + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

Зіставлення чисельника

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (23/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(cos 5t + 4,6·sin 5t)
f(0,3) = e−2·0,3·(cos(5·0,3) + 4,6·sin(5·0,3)) = 2,557

Відповідь

f(0,3) = 2,557
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = 1,018

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) = 90/(s(s + 3)(s + 6))

Простіші дроби

A = 90/(3·6) = 5
B = 90/((−3)·3) = −10
C = 90/((−6)·(−3)) = 5

Виведення

y(t) = 5 − 10·e−3t + 5·e−6t
y(0,2) = 1,018

Відповідь

y(0,2) = 1,018
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ay = 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).

Площі входів

∫x dt = 4·1 = 4
∫h dt = ½·1·1 = 0,5

Площа виходу

Ay = 4·0,5 = 2

Відповідь

Ay = 2
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 0,3953

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/(20 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j60)| = 5/√(20² + 60²) = 0,07906
Ym = 5·0,07906 = 0,3953

Відповідь

Ym = 0,3953

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