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) = 3y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = -2. Знайдіть y(2).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 2y′ + 5y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + 2y′ + 5y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−560−5B =3−530

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c11 (рядок 1, стовпець 1).

A = [−5 6; 0 −5]B = [3 −5; 3 0]
c11 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−4−5−33b =64

Розв'яжіть систему −4x − 5y = 6 і −3x + 3y = 4. Знайдіть x.

−4x − 5y = 6−3x + 3y = 4
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (6, −1, 2) на b = (2, −1, 2), тобто компоненту a у напрямі b.

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

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

a = (0, 2, 5)b = (−1, 4, 4)c = (5, 2, 0)
V =
7.ІнтегралиСередня
xy14

Обчисліть I = ∫14 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 4]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy−33

Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.

y = 9 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−202−4−20PQ

Для f(x, y) = x³e0,5y знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(−1, 0) у напрямку до Q(3, −4).

f(x, y) = x³e0,5yP = (−1, 0)Q = (3, −4)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 1,5y = x1,51,5

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

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,5
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞BΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 2)k = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

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

Функцію f(x) = sin 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 0,0005.

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 1,5f(1,5) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 6)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(1,5).

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 6))t = 1,5 s
f(1.5) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 3y′ + 2y = 3·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(0,75).

y″ + 3y′ + 2y = 3·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,75 s
y(0.75) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t13h(t)t24

Сигнал x(t) ненульовий лише між t = 1 s і t = 3 s, а h(t) — лише між t = 2 s і t = 4 s. Знайдіть момент часу tend, у який закінчується y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 1 … 3 sh: 2 … 4 s
tend = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)2482−2

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −2 і +2 з періодом T = 4 ms. Знайдіть амплітуду c1 її фур’є-складової на частоті 250 Hz.

±2T = 4 msf = 250 Hz
c1 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,4398

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 + 5) = 0 → r = −1, −5

Сталі за початковими значеннями

A + B = 3, −1A − 5B = -2
A = 3,25, B = −0,25

Обчисліть

y(2) = 3,25·e−2 + (−0,25)·e−10 = 0,4398

Відповідь

y(2) = 0,4398
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = −0,6155

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 ± 2j

Сталі

A = 3, B = 1·3/2 = 1,5

Обчисліть

y(1,5) = e−1,5(3·cos 3 + 1,5·sin 3) = −0,6155

Відповідь

y(1,5) = −0,6155
3.Матриці та визначники

Відповідь: c11 = 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.

Рядок на стовпець

c11 = (−5)·3 + 6·3 = 3

Відповідь

c11 = 3
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −1,407

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 = (−4)·3 − (−5)·(−3) = −27

Замініть стовпець x

det Aₓ = 6·3 − (−5)·4 = 38
x = 38/(−27) = −1,407

Відповідь

x = −1,407
y = −0,07407
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = 5,667

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 = 6·2 + (−1)·(−1) + 2·2 = 17

Довжина b

|b| = √(2² + (−1)² + 2²) = 3

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = 17/3 = 5,667

Відповідь

compb a = 5,667
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: V = 70

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 = 4·0 − 4·2 = −8
(b × c)y = bzcx − bxcz = 4·5 − (−1)·0 = 20
(b × c)z = bxcy − bycx = (−1)·2 − 4·5 = −22

Скалярний добуток з a

a·(b × c) = 0·(−8) + 2·20 + 5·(−22) = −70
V = |−70| = 70

Відповідь

V = 70
7.Інтеграли

Відповідь: I = 2,773

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 4 − ln 1) = 2·ln 4 = 2,773

Відповідь

I = 2,773
8.Інтеграли

Відповідь: A = 36

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.

Нулі

9 − x² = 0 → x = ±3

Інтегруйте

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Відповідь

A = 36
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = 2,475

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 = 3x²e0,5y → fx(−1, 0) = 3
fy = 0,5x³e0,5y → fy(−1, 0) = −0,5

Одиничний вектор

|v| = √(4² + (−4)²) = 5,657
u = (0,7071, −0,7071)

Скалярний добуток

Duf = 3·0,7071 + (−0,5)·(−0,7071) = 2,475

Відповідь

Duf = 2,475
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,8141

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 sin(y²) dx dy = ∫01,5 y·sin(y²) dy

Підстановка u = y²

I = [−cos(y²)/2]01,5 = 0,8141

Відповідь

I = 0,8141
11.Послідовності та ряди

Відповідь: B: Σ (4/5)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 k!/2ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/2 = ∞, розбігається.
B: Σ (4/5)ᵏ → Геометричний з r = 4/5, |r| < 1: збігається.
C: Σ 1/(2k + 2) → Для великих k поводиться як 1/(2k); порівняно з гармонічним рядом розбігається.
D: Σ (3/2)ᵏ → Геометричний з r = 3/2 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.

Відповідь

B: Σ (4/5)ᵏ

Відповідь

B: Σ (4/5)ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 8

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)!оцінка011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059

Оцінки для зростаючого n

n = 7: 0,0006356 ≥ 0,0005
n = 8: 0,0001059 < 0,0005

Найменший степінь

n = 8

Відповідь

n = 8
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(1.5) = 3,051

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 + 1) + C/(s + 6)
A = 25/(1·6) = 4,167
B = 25/((−1)·5) = −5
C = 25/((−6)·(−5)) = 0,8333

Обернене перетворення

f(t) = 4,167 − 5·e−t + 0,8333·e−6t

Обчисліть

f(1,5) = 4,167 − 5·e−1,5 + 0,8333·e−6·1,5 = 3,051

Відповідь

f(1,5) = 3,051
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.75) = 0,4176

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) = 3/(s(s + 1)(s + 2))

Простіші дроби

A = 3/(1·2) = 1,5
B = 3/((−1)·1) = −3
C = 3/((−2)·(−1)) = 1,5

Виведення

y(t) = 1,5 − 3·e−t + 1,5·e−2t
y(0,75) = 0,4176

Відповідь

y(0,75) = 0,4176
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: tend = 7 s

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).

Початок і кінець

tstart = 1 + 2 = 3 s
tend = 3 + 4 = 7 s

Відповідь

tend = 7 s

Відповідь

tend = 7 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c1 = 1,621

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 = 250 Hz → k = 1

Амплітуда

c1 = 8·2/(π²·1²) = 1,621

Відповідь

c1 = 1,621

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