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(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 2. Знайдіть y(1,5).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 5y(0,25) = ?

Система підпорядковується y″ + 2y′ + 17y = 85 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.

y″ + 2y′ + 17y = 85y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−5−6−3−1B =−3−161

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

A = [−5 −6; −3 −1]B = [−3 −1; 6 1]
c11 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−6−343b =11−3

Розв'яжіть систему −6x − 3y = 11 і 4x + 3y = −3. Знайдіть x.

−6x − 3y = 114x + 3y = −3
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (2, −6, 2) на b = (0, 2, −2), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (2, −6, 2)b = (0, 2, −2)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (−3, 4, 2) і b = (2, −5, −5) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.

a = (−3, 4, 2)b = (2, −5, −5)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
xy12

Обчисліть I = ∫12 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 2]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = 3x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy32P

Дотичну площину до z = x³y + 4x² + 3y³ + 3xy у точці, де (x, y) = (3, 2), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = x³y + 4x² + 3y³ + 3xy(a, b) = (3, 2)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−2−101(1, −1)(−1, −1)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞BΣ k²/2ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(4k + 3)k = 1 … ∞DΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ k!/2ᵏB: Σ k²/2ᵏC: Σ 1/(4k + 3)D: Σ (5/4)ᵏ
  1. 1A: Σ k!/2ᵏ
  2. 2B: Σ k²/2ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(4k + 3)
  4. 4D: Σ (5/4)ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = ln(1 + x) наближено многочленом Маклорена степеня 5 у точці x = 0,5. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 5! = 120, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₅|.

f(x) = ln(1 + x)n = 5x = 0,5M = 120
|R₅| =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (6s + 8)/(s² + 12s + 35). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−5t + B·e−7t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (6s + 8)/(s² + 12s + 35)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−61

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 7y′ + 6y = 4u′ + 4u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,2 s. Знайдіть g(0,2).

y″ + 7y′ + 6y = 4u′ + 4ut = 0,2 s
g(0.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t−21h(t)t34

Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −2 s і t = 1 s, а h(t) — лише між t = 3 s і t = 4 s. Знайдіть тривалість D сигналу y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −2 … 1 sh: 3 … 4 s
D = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]3+y[n]−0,5·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[2].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,1283

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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Сталі за початковими значеннями

A + B = 3, −3A − 4B = 2
A = 14, B = −11

Обчисліть

y(1,5) = 14·e−4,5 + (−11)·e−6 = 0,1283

Відповідь

y(1,5) = 0,1283
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.25) = 2,077

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 ± 4j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −1,25

Обчисліть

y(0,25) = 5·(1 − e−0,25(cos 1 + 0,25·sin 1)) = 2,077

Відповідь

y(0,25) = 2,077
3.Матриці та визначники

Відповідь: c11 = −21

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)·6 = −21

Відповідь

c11 = −21
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −4

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)·3 − (−3)·4 = −6

Замініть стовпець x

det Aₓ = 11·3 − (−3)·(−3) = 24
x = 24/(−6) = −4

Відповідь

x = −4
y = 4,333
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = −5,657

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 = 2·0 + (−6)·2 + 2·(−2) = −16

Довжина b

|b| = √(0² + 2² + (−2)²) = 2,828

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = −16/2,828 = −5,657

Відповідь

compb a = −5,657

Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂y = −0,6694

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 = 4·(−5) − 2·(−5) = −10
(a × b)y = azbx − axbz = 2·2 − (−3)·(−5) = −11
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·(−5) − 4·2 = 7

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √((−10)² + (−11)² + 7²) = 16,43
n̂ = (−10, −11, 7)/16,43 = (−0,6086, −0,6694, 0,426)
n̂y = −0,6694

Відповідь

n̂y = −0,6694
7.Інтеграли

Відповідь: I = 1,386

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 2 − ln 1) = 2·ln 2 = 1,386

Відповідь

I = 1,386
8.Інтеграли

Відповідь: A = 1,125

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.

Точки перетину

2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Відповідь

A = 1,125
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: c = −264

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.

Значення і нахили в точці

f(3, 2) = 132
fx = 3x²y + 8x + 3y → fx(3, 2) = 84
fy = x³ + 9y² + 3x → fy(3, 2) = 72

Дотична площина

z = 132 + 84(x − 3) + 72(y − 2)
z = 84x + 72y − 264

Сталий член

c = −264

Відповідь

c = −264
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −3

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

Тест другої похідної

(1, −1): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → локальний мінімум
(−1, −1): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → сідлова точка

Значення в екстремумі

f(1, −1) = −3

Відповідь

fmin = −3
11.Послідовності та ряди

Відповідь: B: Σ k²/2ᵏ

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 k²/2ᵏ → Ознака Даламбера: L = 1/2 < 1, збігається.
C: Σ 1/(4k + 3) → Для великих k поводиться як 1/(4k); порівняно з гармонічним рядом розбігається.
D: Σ (5/4)ᵏ → Геометричний з r = 5/4 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.

Відповідь

B: Σ k²/2ᵏ

Відповідь

B: Σ k²/2ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: |R₅| = 0,002604

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.

Оцінка похідної

M = 5! = 120

Оцінка Лагранжа

|R₅| ≤ 120·0,5⁶/6! = 0,002604

Відповідь

|R₅| = 0,002604

Справжня похибка менша: |f(0,5) − P₅(0,5)| = 0,001827.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = −11

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 + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)

Правило закривання

Помножте на (s + 5) і покладіть s = −5: доданок із B зникає.

A = (6s + 8)/(s + 7) |s = −5 = −22/2 = −11

Відповідь

A = −11
(B = 17, тож f(t) = −11·e−5t + 17·e−7t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.2) = 1,205

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).

Передатна функція

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 4)/(s² + 7s + 6)

Простіші дроби

s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 0, B = 4

Імпульсна характеристика

g(t) = 4·e−6t
g(0,2) = 1,205

Відповідь

g(0,2) = 1,205
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: D = 4 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 = −2 + 3 = 1 s
tend = 1 + 4 = 5 s

Відповідь

D = 4 s

Відповідь

D = 4 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[2] = 2,25

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] = 3
y[1] = 1,5
y[2] = 2,25

Результат

y[2] = 3·(1 − (−0,5)3)/(1 − (−0,5)) = 2,25

Відповідь

y[2] = 2,25

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