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)9Ta​11 °C

Банку газованого напою температурою 4 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 24 °C. Через 9 min її температура становить 11 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 4 °CTa = 24 °CT(9) = 11 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 4,25y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,5); кути в радіанах.

y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−4301−2−1055

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−4 3 0; 1 −2 −1; 0 5 5]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−2−65−4b =35

Розв'яжіть систему −2x − 6y = 3 і 5x − 4y = 5. Знайдіть x.

−2x − 6y = 35x − 4y = 5
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (3, 6, −6) і b = (k, −3, 2) перпендикулярні.

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

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (2, 2, −1) і b = (5, −1, 1) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його x-компоненту n̂x.

a = (2, 2, −1)b = (5, −1, 1)n̂z > 0
n̂x =
7.ІнтегралиСередня
xy2y = x·sin x

Обчисліть I = ∫₀2 x·sin x dx (x у радіанах).

∫₀2 x·sin x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = x

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

y = 2x2y = x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−202−101PQ

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

f(x, y) = 3x³e0,5yP = (1, 0)Q = (−3, −1)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−505−2024(3, 1)(−3, 1)

f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 2y має критичну точку в (3, 1). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 2yP = (3, 1)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

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

ak = ((5k + 1)/(3k + 5))ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₄0,25

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 4 для f(x) = 1/(1 − 2x), щоб наблизити f(0,25). Дайте P₄(0,25).

f(x) = 1/(1 − 2x)n = 4x = 0,25
P₄(0.25) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 18)/(s² + 6s + 9) і обчисліть f(0,25).

F(s) = (3s + 18)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm5

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 4y′ + 29y = 3u′ + 10u 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 = 0,75 s. Знайдіть g(0,75).

y″ + 4y′ + 29y = 3u′ + 10ut = 0,75 s
g(0.75) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t24

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

x: 1 … 2 sh: 2 … 4 s
D = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
2cos(15t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 2·cos(15t) подано на систему з h(t) = 10·e−5tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 2cos(15t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,04786 min⁻¹

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.

Відношення різниць температур

e−9k = -13/-20

Розв’яжіть щодо k

k = ln(-20/-13)/9 = 0,04786 min⁻¹

Відповідь

k = 0,04786 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 2,923

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 = −0,5 ± 2j

Сталі

A = 5, B = 0,5·5/2 = 1,25

Обчисліть

y(0,5) = e−0,25(5·cos 1 + 1,25·sin 1) = 2,923

Відповідь

y(0,5) = 2,923
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 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.

Мінори 2×2 першого рядка

M₁₁ = −5, M₁₂ = 5, M₁₃ = 5

Розклад за рядком

det A = (−4)·(−5) − 3·5 + 0·5 = 5

Відповідь

det A = 5
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 0,4737

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 = (−2)·(−4) − (−6)·5 = 38

Замініть стовпець x

det Aₓ = 3·(−4) − (−6)·5 = 18
x = 18/38 = 0,4737

Відповідь

x = 0,4737
y = −0,6579
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = 10

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 = 3·k + 6·(−3) + (−6)·2 = 0
−30 + 3·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−30)/3 = 10

Відповідь

k = 10
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂x = −0,0718

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 = 2·1 − (−1)·(−1) = 1
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·5 − 2·1 = −7
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−1) − 2·5 = −12

Нормування

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

|a × b| = √(1² + (−7)² + (−12)²) = 13,93
n̂ = −(1, −7, −12)/13,93 = (−0,0718, 0,5026, 0,8615)
n̂x = −0,0718

Відповідь

n̂x = −0,0718
7.Інтеграли

Відповідь: I = 1,742

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 = sin x dx, v = −cos x

Первісна

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

Границі

(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742

Відповідь

I = 1,742
8.Інтеграли

Відповідь: A = 0,04167

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 = x → x = 0, x = 0,5

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Відповідь

A = 0,04167
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = −9,095

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 = 9x²e0,5y → fx(1, 0) = 9
fy = 1,5x³e0,5y → fy(1, 0) = 1,5

Одиничний вектор

|v| = √((−4)² + (−1)²) = 4,123
u = (−0,9701, −0,2425)

Скалярний добуток

Duf = 9·(−0,9701) + 1,5·(−0,2425) = −9,095

Відповідь

Duf = −9,095
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: D = 36

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).

Другі похідні

fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0

Дискримінант

D = (−18)·(−2) − 0² = 36
→ локальний максимум

Відповідь

D = 36
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 1,667

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 = (5k + 1)/(3k + 5) → 5/3

Висновок

L = 1,667 > 1

Відповідь

L = 1,667

L > 1, тож ряд розбігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₄(0.25) = 1,938

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

P₄(x) = 1 + 2x + 4x² + 8x³ + 16x⁴

Підставте

P₄(0,25) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938

Відповідь

P₄(0,25) = 1,938

Точне значення дорівнює f(0,25) = 2; похибка 0,0625 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.25) = 2,48

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 + 9 = (s + 3)²

Простіші дроби

3s + 18 = 3(s + 3) + 9
F(s) = 3/(s + 3) + 9/(s + 3)²

Обернене перетворення

f(t) = 3·e−3t + 9·t·e−3t
f(0,25) = (3 + 9·0,25)·e−3·0,25 = 2,48

Відповідь

f(0,25) = 2,48
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.75) = −0,6513

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) = (3s + 10)/(s² + 4s + 29)

Простіші дроби

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 5²
G(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (4/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Імпульсна характеристика

g(t) = e−2t·(3·cos 5t + 0,8·sin 5t)
g(0,75) = −0,6513

Відповідь

g(0,75) = −0,6513
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: D = 3 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 = 2 + 4 = 6 s

Відповідь

D = 3 s

Відповідь

D = 3 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 1,265

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) = 10/(5 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j15)| = 10/√(5² + 15²) = 0,6325
Ym = 2·0,6325 = 1,265

Відповідь

Ym = 1,265

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