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)10Ta​45 °C28 °C

Чашку кави температурою 80 °C залишили в кімнаті з температурою 21 °C. Через 10 min її температура становить 45 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 28 °C?

T0 = 80 °CTa = 21 °CT(10) = 45 °CT = 28 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 2y(0,5) = ?

Система підпорядковується y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,5); кути в радіанах.

y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−402−3−5−422−3

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−4 0 2; −3 −5 −4; 2 2 −3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =62−34b =12−8

Розв'яжіть систему 6x + 2y = 12 і −3x + 4y = −8. Знайдіть x.

6x + 2y = 12−3x + 4y = −8
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (4, −5, −3) і b = (−2, −2, k) перпендикулярні.

a = (4, −5, −3)b = (−2, −2, k)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (−1, 5, −6) і b = (−6, 3, 1) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.

a = (−1, 5, −6)b = (−6, 3, 1)
(a × b)z =
7.ІнтегралиСередня
xyπ/3y = x·cos x

Обчисліть I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x у радіанах).

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
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
xy−4−20−4−20vP

Для f(x, y) = −xy² − x² − 3y² + 4xy знайдіть похідну за напрямом Duf у (−2, −2) у напрямку v = (−3, 1).

f(x, y) = −xy² − x² − 3y² + 4xyP = (−2, −2)v = (−3, 1)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−20−20(0, 0)(−2, −2)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x³ + y³ + 6xy, класифікуйте їх і дайте значення fmax функції f у її локальному максимумі.

f(x, y) = x³ + y³ + 6xy
fmax =
11.Послідовності та рядиСередня
kSn​12345678910S = ?

Знайдіть суму S = Σk=1∞ 3/(k(k + 1)).

ak = 3/(k(k + 1))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₂0,2

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

f(x) = ln(1 + 2x)n = 2x = 0,2
P₂(0.2) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,4).

F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t) при y(0) = 3 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 5. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,3).

y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t110h(t)t1

Імпульс x(t) = 10 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−0,5tu(t). Знайдіть вихід y(1,5) при t = 1,5 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)2482

Прямокутна хвиля перемикається між 2 і 0 з періодом T = 4 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 750 Hz.

0 … 2T = 4 msf = 750 Hz
c3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 23,7 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(59/24)/10 = 0,08995 min⁻¹

Час до досягнення цільової температури

t = ln(59/7)/0,08995 = 23,7 min

Відповідь

t = 23,7 min
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 0,8933

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 = −1,5 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −1,5

Обчисліть

y(0,5) = 2·(1 − e−0,75(cos 1 + 0,75·sin 1)) = 0,8933

Відповідь

y(0,5) = 0,8933
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −84

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 = 23, M₁₂ = 17, M₁₃ = 4

Розклад за рядком

det A = (−4)·23 − 0·17 + 2·4 = −84

Відповідь

det A = −84
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 2,133

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 = 6·4 − 2·(−3) = 30

Замініть стовпець x

det Aₓ = 12·4 − 2·(−8) = 64
x = 64/30 = 2,133

Відповідь

x = 2,133
y = −0,4
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = 0,6667

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 = 4·(−2) + (−5)·(−2) + (−3)·k = 0
2 + (−3)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −2/(−3) = 0,6667

Відповідь

k = 0,6667
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)z = 27

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 = 5·1 − (−6)·3 = 23
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·(−6) − (−1)·1 = 37
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·3 − 5·(−6) = 27

Потрібна компонента

(a × b)z = 27

Відповідь

(a × b)z = 27

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

7.Інтеграли

Відповідь: I = 0,4069

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.

Оберіть u та dv

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Первісна

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Границі

(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069

Відповідь

I = 0,4069
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: Duf = 6,325

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 = −y² − 2x + 4y → fx(−2, −2) = −8
fy = −2xy − 6y + 4x → fy(−2, −2) = −4

Одиничний вектор

|v| = √((−3)² + 1²) = 3,162
u = (−0,9487, 0,3162)

Скалярний добуток

Duf = (−8)·(−0,9487) + (−4)·0,3162 = 6,325

Відповідь

Duf = 6,325
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmax = 8

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 = 3x² + 6y = 0
fy = 3y² + 6x = 0
(0, 0), (−2, −2)

Тест другої похідної

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 6, D = −36 → сідлова точка
(−2, −2): fxx = −12, fyy = −12, fxy = 6, D = 108 → локальний максимум

Значення в екстремумі

f(−2, −2) = 8

Відповідь

fmax = 8
11.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 3

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.

Простіші дроби

3/(k(k + 1)) = 3·(1/k − 1/(k + 1))

Скасувати

S = 3·1 = 3

Відповідь

S = 3
12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₂(0.2) = 0,32

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) = 2x − 2x²

Підставте

P₂(0,2) = 0,4 − 0,08 = 0,32

Відповідь

P₂(0,2) = 0,32

Точне значення дорівнює f(0,2) = 0,336472; похибка 0,0164722 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.4) = 1,195

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 35/(2·5) = 3,5
B = 35/((−2)·3) = −5,833
C = 35/((−5)·(−3)) = 2,333

Обернене перетворення

f(t) = 3,5 − 5,833·e−2t + 2,333·e−5t

Обчисліть

f(0,4) = 3,5 − 5,833·e−2·0,4 + 2,333·e−5·0,4 = 1,195

Відповідь

f(0,4) = 1,195
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.3) = 4,915

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 + 5s + 4)·Y(s) = 3s + 15 + 80/s
Y(s) = (3s² + 15s + 80)/(s(s + 1)(s + 4))

Простіші дроби

A = 80/(1·4) = 20
B = 68/((−1)·3) = −22,67
C = 68/((−4)·(−3)) = 5,667

Результат

y(t) = 20 − 22,67·e−t + 5,667·e−4t
y(0,3) = 4,915

Відповідь

y(0,3) = 4,915

Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 6,129

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).

Вихід наприкінці імпульсу

y(1) = (10/0,5)(1 − e−0,5) = 7,869

Спад після імпульсу

y(1,5) = 7,869·e−0,5·0,5 = 6,129

Відповідь

y(1,5) = 6,129
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,4244

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 = 750/250 = 3

Амплітуда

c3 = 4·1/(3π) = 0,4244

Відповідь

c3 = 0,4244

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