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) = 5y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 1. Знайдіть y(2).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, 2)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 3 при x > 0, y(1) = 2. Знайдіть y(3).

y′ + y/x = 3y(1) = 2
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−4−14−3B =−4−626

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c21 (рядок 2, стовпець 1).

A = [−4 −1; 4 −3]B = [−4 −6; 2 6]
c21 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =63−2−1

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [6 3; −2 −1]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть кут θ між векторами a = (4, −1, 1) і b = (−5, −4, −5) у градусах.

a = (4, −1, 1)b = (−5, −4, −5)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

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

a = (5, 5, −4)b = (3, −4, −5)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
xy1y = √(4x)

Область під y = √(4x) від x = 0 до x = 1 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (параболоїда).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.ІнтегралиСкладна
xy−22

Знайдіть площу A області між параболою y = 4 − x² і віссю x.

y = 4 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = −4xy² + 4x² + 3y³ + 2xy, де x = 3t − 1 і y = 2t² + 1. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = −1.

z = −4xy² + 4x² + 3y³ + 2xyx = 3t − 1y = 2t² + 1t = −1
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 0,8y = x0,80,8

Інтеграл I = ∫00,8 ∫x0,8 1/(1 + y²)² dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Застосуйте ознаку Коші до Σk=1∞ ((1k + 5)/(3k + 2))ᵏ. Знайдіть L = lim |ak|1/k.

ak = ((1k + 5)/(3k + 2))ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₅2,5

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 5 для f(x) = sin(−x), щоб наблизити f(2,5). Дайте P₅(2,5).

f(x) = sin(−x)n = 5x = 2,5
P₅(2.5) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 1,5f(1,5) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(1,5).

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4))t = 1,5 s
f(1.5) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 6y = 24·u(t) при y(0) = 1 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 2. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,25).

y″ + 7y′ + 6y = 24·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t32h(t)t43

Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 3 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 3 при 0 ≤ t < 4 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(4,5) при t = 4,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)0,5122

Прямокутна хвиля перемикається між 2 і 0 з періодом T = 1 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 5000 Hz.

0 … 2T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,2658

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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Сталі за початковими значеннями

A + B = 5, −2A − 3B = 1
A = 16, B = −11

Обчисліть

y(2) = 16·e−4 + (−11)·e−6 = 0,2658

Відповідь

y(2) = 0,2658
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 4,667

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 = e∫1/x dx = x1

Інтегруйте

(x1y)′ = 3x → x1y = 3x2/2 + C

Початкова умова

2 = 3/2 + C → C = 0,5

Обчисліть

y(3) = (3·32/2 + 0,5)/31 = 4,667

Відповідь

y(3) = 4,667
3.Матриці та визначники

Відповідь: c21 = −22

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

c21 = 4·(−4) + (−3)·2 = −22

Відповідь

c21 = −22
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 5

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 − (5)λ + (0) = 0

Розв’яжіть

λ = (5 ± √(25))/2 → λ = 0, 5
λ = 5

Відповідь

λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 127,5 °

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) + (−1)·(−4) + 1·(−5) = −21

Модулі

|a| = √(4² + (−1)² + 1²) = 4,243
|b| = √((−5)² + (−4)² + (−5)²) = 8,124

Кут

cos θ = −21/(4,243·8,124) = −0,6093
θ = arccos(−0,6093) = 127,5°

Відповідь

θ = 127,5°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂y = −0,2344

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 = 5·(−5) − (−4)·(−4) = −41
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·3 − 5·(−5) = 13
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−4) − 5·3 = −35

Нормування

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

|a × b| = √((−41)² + 13² + (−35)²) = 55,45
n̂ = −(−41, 13, −35)/55,45 = (0,7394, −0,2344, 0,6312)
n̂y = −0,2344

Відповідь

n̂y = −0,2344
7.Інтеграли

Відповідь: V = 6,283

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∫₀1 4x dx

Інтегруйте

V = π·4·1²/2 = 6,283

Відповідь

V = 6,283
8.Інтеграли

Відповідь: A = 10,67

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

4 − x² = 0 → x = ±2

Інтегруйте

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Відповідь

A = 10,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = −862

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.

Точка і швидкості

x(−1) = −4, y(−1) = 3
dx/dt = 3, dy/dt = 4t = −4

Частинні похідні

fx = −4y² + 8x + 2y = −62
fy = −8xy + 9y² + 2x = 169

Ланцюгове правило

dz/dt = (−62)·3 + 169·(−4) = −862

Відповідь

dz/dt = −862
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,1951

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 ≤ 0,8

Змінений порядок

I = ∫00,8 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫00,8 y·1/(1 + y²)² dy

Підстановка u = y²

I = [−1/(2(1 + y²))]00,8 = 0,1951

Відповідь

I = 0,1951
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 0,3333

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.

Корінь із членів

|ak|1/k = (1k + 5)/(3k + 2) → 1/3

Висновок

L = 0,3333 < 1

Відповідь

L = 0,3333

L < 1, тож ряд збігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₅(2.5) = −0,7096

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

P₅(x) = −x + 0,1667x³ − 0,008333x⁵

Підставте

P₅(2,5) = −2,5 + 2,604167 − 0,813802 = −0,7096

Відповідь

P₅(2,5) = −0,7096

Точне значення дорівнює f(2,5) = −0,598472; похибка 0,111163 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(1.5) = 4,396

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 + 4)
A = 25/(1·4) = 6,25
B = 25/((−1)·3) = −8,333
C = 25/((−4)·(−3)) = 2,083

Обернене перетворення

f(t) = 6,25 − 8,333·e−t + 2,083·e−4t

Обчисліть

f(1,5) = 6,25 − 8,333·e−1,5 + 2,083·e−4·1,5 = 4,396

Відповідь

f(1,5) = 4,396
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 1,77

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

(s² + 7s + 6)·Y(s) = 1s + 7 + 48/s
Y(s) = (s² + 7s + 48)/(s(s + 1)(s + 6))

Простіші дроби

A = 48/(1·6) = 8
B = 42/((−1)·5) = −8,4
C = 42/((−6)·(−5)) = 1,4

Результат

y(t) = 8 − 8,4·e−t + 1,4·e−6t
y(0,25) = 1,77

Відповідь

y(0,25) = 1,77

Перевірка: y(0) = A + B + C = 1.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(4.5) = 15

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).

Перекриття віддзеркаленого імпульсу

h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.

τ ∈ [0,5, 3] → довжина 2,5 s

Інтеграл

y(4,5) = 2·3·2,5 = 15

Відповідь

y(4,5) = 15

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 18 і спадає до 0 при t = 7 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c5 = 0,2546

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 = 1000 Hz → k = 5000/1000 = 5

Амплітуда

c5 = 4·1/(5π) = 0,2546

Відповідь

c5 = 0,2546

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