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)24Ta​398 °C469 °C

Кувану сталеву деталь температурою 500 °C залишили остигати в цеху з температурою 20 °C. Через 24 min її температура становить 398 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 469 °C?

T0 = 500 °CTa = 20 °CT(24) = 398 °CT = 469 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 2y(1) = ?

Система підпорядковується y″ + y′ + 4,25y = 8,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(1); кути в радіанах.

y″ + y′ + 4,25y = 8,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−50−13−5−2−1−35

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−5 0 −1; 3 −5 −2; −1 −3 5]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−1−1−31b =105

Розв'яжіть систему −x − y = 10 і −3x + y = 5. Знайдіть x.

−x − y = 10−3x + y = 5
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (1, −2, −2) і b = (2, −7, −1).

a = (1, −2, −2)b = (2, −7, −1)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzabc

Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (5, −1, 2), b = (−2, 0, 3) і c = (3, 4, 0).

a = (5, −1, 2)b = (−2, 0, 3)c = (3, 4, 0)
V =
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy0,5y = x²eˣ

Обчисліть I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−500246PQ

Для f(x, y) = 5x²y³ − 3x² + y² − 2xy знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(−1, 3) у напрямку до Q(3, 3).

f(x, y) = 5x²y³ − 3x² + y² − 2xyP = (−1, 3)Q = (3, 3)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 1,5y = x1,51,5

Інтеграл I = ∫01,5 ∫x1,5 cos(y²) dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,5
I =
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ k²·4ᵏ/3ᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.

ak = k²·4ᵏ/3ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₂0,3

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

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

Знайдіть f(t) для F(s) = 40/(s(s + 4)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).

F(s) = 40/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 10 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t44

Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 1 s згортають із h(t) — трикутником, що лінійно спадає від 4 при t = 0 до 0 при t = 4 s. Знайдіть площу Ay під y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 4, h(4) = 0
Ay =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]0,5+y[n]−0,5·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = −0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[5].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[5] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 6,707 min

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.

Стала охолодження

k = ln(480/378)/24 = 0,009954 min⁻¹

Час до досягнення цільової температури

t = ln(480/449)/0,009954 = 6,707 min

Відповідь

t = 6,707 min
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 2,229

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 = 2, r = −0,5 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

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

Обчисліть

y(1) = 2·(1 − e−0,5(cos 2 + 0,25·sin 2)) = 2,229

Відповідь

y(1) = 2,229
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 169

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 = −31, M₁₂ = 13, M₁₃ = −14

Розклад за рядком

det A = (−5)·(−31) − 0·13 + (−1)·(−14) = 169

Відповідь

det A = 169
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −3,75

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 = (−1)·1 − (−1)·(−3) = −4

Замініть стовпець x

det Aₓ = 10·1 − (−1)·5 = 15
x = 15/(−4) = −3,75

Відповідь

x = −3,75
y = −6,25
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: a·b = 18

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.

Перемножте відповідні компоненти й додайте

a·b = 1·2 + (−2)·(−7) + (−2)·(−1) = 2 + 14 + 2 = 18

Відповідь

a·b = 18

Додатний: кут між векторами менший за 90°.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: V = 85

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 = 0·0 − 3·4 = −12
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·3 − (−2)·0 = 9
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·4 − 0·3 = −8

Скалярний добуток з a

a·(b × c) = 5·(−12) + (−1)·9 + 2·(−8) = −85
V = |−85| = 85

Відповідь

V = 85
7.Інтеграли

Відповідь: I = 2,333

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 u2 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Відповідь

I = 2,333
8.Інтеграли

Відповідь: I = 0,0609

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

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Відповідь

I = 0,0609
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = −270

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 = 10xy³ − 6x − 2y → fx(−1, 3) = −270
fy = 15x²y² + 2y − 2x → fy(−1, 3) = 143

Одиничний вектор

|v| = √(4² + 0²) = 4
u = (1, 0)

Скалярний добуток

Duf = (−270)·1 + 143·0 = −270

Відповідь

Duf = −270
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,389

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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,5

Змінений порядок

I = ∫01,5 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01,5 y·cos(y²) dy

Підстановка u = y²

I = [sin(y²)/2]01,5 = 0,389

Відповідь

I = 0,389
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 1,333

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.

Відношення сусідніх членів

|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)²·4/3 → 4/3

Висновок

L = 1,333 > 1

Відповідь

L = 1,333

L > 1, тож ряд розбігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₂(0.3) = 1,39

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) = 1 + x + x²

Підставте

P₂(0,3) = 1 + 0,3 + 0,09 = 1,39

Відповідь

P₂(0,3) = 1,39

Точне значення дорівнює f(0,3) = 1,428571; похибка 0,0385714 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.3) = 0,7731

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).

Простіші дроби

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 5)
A = 40/(4·5) = 2
B = 40/((−4)·1) = −10
C = 40/((−5)·(−1)) = 8

Обернене перетворення

f(t) = 2 − 10·e−4t + 8·e−5t

Обчисліть

f(0,3) = 2 − 10·e−4·0,3 + 8·e−5·0,3 = 0,7731

Відповідь

f(0,3) = 0,7731
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 6,852

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 + 3))

Простіші дроби

A = 120/(2·3) = 20
B = 120/((−2)·1) = −60
C = 120/((−3)·(−1)) = 40

Виведення

y(t) = 20 − 60·e−2t + 40·e−3t
y(0,5) = 6,852

Відповідь

y(0,5) = 6,852
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ay = 16

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 = 2·1 = 2
∫h dt = ½·4·4 = 8

Площа виходу

Ay = 2·8 = 16

Відповідь

Ay = 16
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[5] = 0,3281

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)|.

Ітерація

y[0] = 0,5
y[1] = 0,25
y[2] = 0,375
y[3] = 0,3125
y[4] = 0,3438
y[5] = 0,3281

Результат

y[5] = 0,5·(1 − (−0,5)6)/(1 − (−0,5)) = 0,3281

Відповідь

y[5] = 0,3281

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