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)29Ta​T = ?

Чашку кави температурою 91 °C залишили в кімнаті з температурою 23 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,12 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 29 min.

T0 = 91 °CTa = 23 °Ck = 0,12 min⁻¹t = 29 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 5ymax​ = ?

Система підпорядковується y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−3−2−5−2−525−5−4

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−3 −2 −5; −2 −5 2; 5 −5 −4]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =3−120

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [3 −1; 2 0]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (4, −6, −1) і b = (6, k, 2) перпендикулярні.

a = (4, −6, −1)b = (6, k, 2)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−30, −60, −20) N діє в точці A(1, 1, 2). Координати подано в метрах. Знайдіть модуль |M| моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).

F = (−30, −60, −20) NA(1, 1, 2) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
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−33

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

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

z = y·e2xy, де x = t − 2 і y = −2t² − 2. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 2.

z = y·e2xyx = t − 2y = −2t² − 2t = 2
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−505−4−202AB

Позначені точки — критичні точки f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y. Клікніть сідлову точку.

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y
  1. 1A (3, −1)
  2. 2B (−3, −1)
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞CΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ (3/2)ᵏB: Σ (k + 2)/k²C: Σ 3ᵏ/k!D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  1. 1A: Σ (3/2)ᵏ
  2. 2B: Σ (k + 2)/k²
  3. 3C: Σ 3ᵏ/k!
  4. 4D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₃ при (x − 3)³ у ряді Тейлора функції f(x) = 1/x у точці a = 3.

f(x) = 1/xa = 3k = 3
c₃ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = (s + 3)/(s² + 6s + 8). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−2t + B·e−4t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (s + 3)/(s² + 6s + 8)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Розв’яжіть y″ + 3y′ + 2y = 0 при y(0) = −6 і y′(0) = −7 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = −6y′(0) = −7t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t15h(t)t1

Імпульс x(t) = 5 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−2tu(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−2tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
5cos(20t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 5·cos(20t) подано на систему з h(t) = 5·e−20tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 5cos(20t)
φ = °

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 25,09 °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) = 23 + 68·e−0,12t

Підставте t

T(29) = 23 + 68·0,03081 = 25,09 °C

Відповідь

T = 25,09 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: ymax = 5,474

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 = 5, r = −1,5 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −3,75

Пік

t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−1,5·π/2) = 5,474

Відповідь

ymax = 5,474
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −269

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 = 30, M₁₂ = −2, M₁₃ = 35

Розклад за рядком

det A = (−3)·30 − (−2)·(−2) + (−5)·35 = −269

Відповідь

det A = −269
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 2

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 − (3)λ + (2) = 0

Розв’яжіть

λ = (3 ± √(1))/2 → λ = 1, 2
λ = 2

Відповідь

λ = 2
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = 3,667

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 дорівнює нулю

a·b = 4·6 + (−6)·k + (−1)·2 = 0
22 + (−6)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −22/(−6) = 3,667

Відповідь

k = 3,667
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: |M| = 111,8 N·m

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.

Радіус-вектор від O до A

r = A − O = (1, 1, 2) − (0, 0, 0) = (1, 1, 2) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·(−20) − 2·(−60) = 100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·(−30) − 1·(−20) = −40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·(−60) − 1·(−30) = −30 N·m

Модуль

|M| = √(100² + (−40)² + (−30)²) = 111,8 N·m

Відповідь

|M| = 111,8 N·m
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 = 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: dz/dt = 192

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(2) = 0, y(2) = −10
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = −8

Частинні похідні

fx = 2y²e2xy = 200
fy = e2xy(1 + 2xy) = 1

Ланцюгове правило

dz/dt = 200·1 + 1·(−8) = 192

Відповідь

dz/dt = 192
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: B (−3, −1)

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 − 27) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(3, −1), (−3, −1)

Тест другої похідної

(3, −1): fxx = 18, fyy = 2, fxy = 0, D = 36 → локальний мінімум
(−3, −1): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → сідлова точка

Точка

B (−3, −1): сідлова точка

Відповідь

B (−3, −1)
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ 3ᵏ/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 (3/2)ᵏ → Геометричний з r = 3/2 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
B: Σ (k + 2)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
C: Σ 3ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Члени прямують до e, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.

Відповідь

C: Σ 3ᵏ/k!

Відповідь

C: Σ 3ᵏ/k!
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₃ = −0,01235

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.

Похідна f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = −6/x⁴

Коефіцієнт

c₃ = −6/(3⁴·6) = −0,01235
c₃ = −0,01235

Відповідь

c₃ = −0,01235
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 0,5

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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

Правило закривання

Помножте на (s + 2) і покладіть s = −2: доданок із B зникає.

A = (s + 3)/(s + 4) |s = −2 = 1/2 = 0,5

Відповідь

A = 0,5
(B = 0,5, тож f(t) = 0,5·e−2t + 0,5·e−4t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = −6,912

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

s²Y − (−6)s − (−7) + 3(sY − (−6)) + 2Y = 0
Y(s) = (−6s − 25)/((s + 1)(s + 2))

Простіші дроби

A = −19/1 = −19
B = −13/(−1) = 13

Результат

y(t) = −19·e−t + 13·e−2t
y(0,25) = −6,912

Відповідь

y(0,25) = −6,912

Перевірка: y(0) = A + B = −6.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 0,2925

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) = (5/2)(1 − e−2) = 2,162

Спад після імпульсу

y(2) = 2,162·e−2·1 = 0,2925

Відповідь

y(2) = 0,2925
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: φ = −45 °

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)|.

Частотна характеристика

H(jω) = 5/(20 + jω)

Фаза на частоті входу

φ = −atan(20/20) = −45°

Відповідь

φ = −45°

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