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)42Ta​T = ?

Кувану сталеву деталь температурою 480 °C залишили остигати в цеху з температурою 22 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,04 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 42 min.

T0 = 480 °CTa = 22 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 42 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 10ymax​ = ?

Система підпорядковується y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−3−2−422−52−4−2

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−3 −2 −4; 2 2 −5; 2 −4 −2]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =021−1

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [0 2; 1 −1]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (0, 2, −2) і b = (1, k, −1) перпендикулярні.

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

Для a = (−6, −2, −5) і b = (4, 4, −5) знайдіть x-компоненту (a × b)x векторного добутку a × b.

a = (−6, −2, −5)b = (4, 4, −5)
(a × b)x =
7.ІнтегралиСередня
xy14

Обчисліть I = ∫14 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 4]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy2,5y = x²eˣ

Обчисліть I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−10123012vP

Для f(x, y) = 3x²y³ + 5x³ − 4xy знайдіть похідну за напрямом Duf у (1, 1) у напрямку v = (0, −1).

f(x, y) = 3x²y³ + 5x³ − 4xyP = (1, 1)v = (0, −1)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−2024−4−202(2, −3)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x² − xy + y² − 7x + 8y − 5, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = x² − xy + y² − 7x + 8y − 5
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ 2/k²k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 5ᵏ/k!B: Σ (7/4)ᵏC: Σ (2/5)ᵏD: Σ 2/k²
  1. 1A: Σ 5ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (7/4)ᵏ
  3. 3C: Σ (2/5)ᵏ
  4. 4D: Σ 2/k²
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₂−0,3

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 2 для f(x) = ln(1 + x), щоб наблизити f(−0,3). Дайте P₂(−0,3).

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = −0,3
P₂(−0.3) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (4s + 10)/(s² + 8s + 16) і обчисліть f(0,25).

F(s) = (4s + 10)/(s² + 8s + 16)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 6y′ + 8y = 48·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(0,4).

y″ + 6y′ + 8y = 48·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t1h(t)t1

Вхід x(t) = 1·e−3tu(t) подано на систему з h(t) = e−2tu(t). Знайдіть вихід y(0,5) при t = 0,5 s.

x(t) = 1·e−3tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)510203−3

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −3 і +3 з періодом T = 10 ms. Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 500 Hz.

±3T = 10 msf = 500 Hz
c5 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 107,4 °C

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.

Розв’язок закону охолодження

T(t) = 22 + 458·e−0,04t

Підставте t

T(42) = 22 + 458·0,1864 = 107,4 °C

Відповідь

T = 107,4 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: ymax = 13,9

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 = 10, r = −1,5 ± 5j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3

Пік

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/5) = 13,9

Відповідь

ymax = 13,9
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 132

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 = −24, M₁₂ = 6, M₁₃ = −12

Розклад за рядком

det A = (−3)·(−24) − (−2)·6 + (−4)·(−12) = 132

Відповідь

det A = 132
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 − (−1)λ + (−2) = 0

Розв’яжіть

λ = (−1 ± √(9))/2 → λ = −2, 1
λ = 1

Відповідь

λ = 1
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −1

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 дорівнює нулю

a·b = 0·1 + 2·k + (−2)·(−1) = 0
2 + 2·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −2/2 = −1

Відповідь

k = −1
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)x = 30

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 = (−2)·(−5) − (−5)·4 = 30
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·4 − (−6)·(−5) = −50
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·4 − (−2)·4 = −16

Потрібна компонента

(a × b)x = 30

Відповідь

(a × b)x = 30

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

7.Інтеграли

Відповідь: I = 4,159

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) = 3·ln x

Підставте межі

I = 3·(ln 4 − ln 1) = 3·ln 4 = 4,159

Відповідь

I = 4,159
8.Інтеграли

Відповідь: I = 37,59

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.

Перший крок

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Другий крок

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Границі

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Відповідь

I = 37,59
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = −5

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 = 6xy³ + 15x² − 4y → fx(1, 1) = 17
fy = 9x²y² − 4x → fy(1, 1) = 5

Одиничний вектор

|v| = √(0² + (−1)²) = 1
u = (0, −1)

Скалярний добуток

Duf = 17·0 + 5·(−1) = −5

Відповідь

Duf = −5
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −24

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 − 7 = 0
fy = −x + 2y + 8 = 0
(2, −3)

Тест другої похідної

(2, −3): fxx = 2, fyy = 2, fxy = −1, D = 3 → локальний мінімум

Значення в екстремумі

f(2, −3) = −24

Відповідь

fmin = −24
11.Послідовності та ряди

Відповідь: B: 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 5ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
B: Σ (7/4)ᵏ → Геометричний з r = 7/4 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
C: Σ (2/5)ᵏ → Геометричний з r = 2/5, |r| < 1: збігається.
D: Σ 2/k² → p-ряд з p = 2 > 1: збігається.

Відповідь

B: Σ (7/4)ᵏ

Відповідь

B: Σ (7/4)ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₂(−0.3) = −0,345

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

P₂(x) = x − 0,5x²

Підставте

P₂(−0,3) = −0,3 − 0,045 = −0,345

Відповідь

P₂(−0,3) = −0,345

Точне значення дорівнює f(−0,3) = −0,356675; похибка −0,0116749 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.25) = 0,9197

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 + 16 = (s + 4)²

Простіші дроби

4s + 10 = 4(s + 4) + −6
F(s) = 4/(s + 4) − 6/(s + 4)²

Обернене перетворення

f(t) = 4·e−4t − 6·t·e−4t
f(0,25) = (4 − 6·0,25)·e−4·0,25 = 0,9197

Відповідь

f(0,25) = 0,9197
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.4) = 1,819

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) = 48/(s(s + 2)(s + 4))

Простіші дроби

A = 48/(2·4) = 6
B = 48/((−2)·2) = −12
C = 48/((−4)·(−2)) = 6

Виведення

y(t) = 6 − 12·e−2t + 6·e−4t
y(0,4) = 1,819

Відповідь

y(0,4) = 1,819
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(0.5) = 0,1447

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

Обчисліть

y(0,5) = 1·(0,3679 − 0,2231)/(1) = 0,1447

Відповідь

y(0,5) = 0,1447
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c5 = 0,09727

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)|.

Номер гармоніки

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 5

Амплітуда

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Відповідь

c5 = 0,09727

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