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) = 1y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 3y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0. Знайдіть y(2).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 2y(1) = ?

Система підпорядковується y″ + 2y′ + 5y = 10 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(1); кути в радіанах.

y″ + 2y′ + 5y = 10y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−42−105−5−55−1

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−4 2 −1; 0 5 −5; −5 5 −1]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =66−1−1

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

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

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−4, −3, 6) на b = (−2, 6, 5), тобто компоненту a у напрямі b.

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

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (3, −1, −4) і b = (2, 5, 5) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його x-компоненту n̂x.

a = (3, −1, −4)b = (2, 5, 5)n̂z > 0
n̂x =
7.ІнтегралиСередня
xy2y = 2x

Область під y = 2x від x = 0 до x = 2 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (конуса).

y = 2x0 ≤ x ≤ 2
V =
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
xy−2002vP

Для f(x, y) = 4x²y³ + 2y³ + 3xy знайдіть похідну за напрямом Duf у (−1, 1) у напрямку v = (2, 2).

f(x, y) = 4x²y³ + 2y³ + 3xyP = (−1, 1)v = (2, 2)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 2y = x22

Інтеграл I = ∫02 ∫x2 sin(y²) dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
xx₀ = 0??R

Знайдіть радіус збіжності R степеневого ряду Σk=1∞ (2k)!·xᵏ/(k!)².

Σ (2k)!·xᵏ/(k!)²x₀ = 0
R =
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = cos x наближено многочленом Маклорена степеня 4 у точці x = 0,5. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₄|.

f(x) = cos xn = 4x = 0,5M = 1
|R₄| =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = 18/(s² + 13s + 40). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = 18/(s² + 13s + 40)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t) при y(0) = 4 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 4. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,75).

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,75 s
y(0.75) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t34h(t)t23

Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 3 s згортають з імпульсом h(t) = 3 при 0 ≤ t < 2 s. Знайдіть площу Ay під y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 2 s
Ay =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)0,5122−2

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −2 і +2 з періодом T = 1 ms. Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 5000 Hz.

±2T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,2018

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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Сталі за початковими значеннями

A + B = 1, −1A − 3B = 0
A = 1,5, B = −0,5

Обчисліть

y(2) = 1,5·e−2 + (−0,5)·e−6 = 0,2018

Відповідь

y(2) = 0,2018
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 1,972

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 ± 2j

Сталі за початковими значеннями

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

Обчисліть

y(1) = 2·(1 − e−1(cos 2 + 0,5·sin 2)) = 1,972

Відповідь

y(1) = 1,972
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −55

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 = 20, M₁₂ = −25, M₁₃ = 25

Розклад за рядком

det A = (−4)·20 − 2·(−25) + (−1)·25 = −55

Відповідь

det A = −55
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: compb a = 2,481

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)·(−2) + (−3)·6 + 6·5 = 20

Довжина b

|b| = √((−2)² + 6² + 5²) = 8,062

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = 20/8,062 = 2,481

Відповідь

compb a = 2,481
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂x = 0,4645

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 = (−1)·5 − (−4)·5 = 15
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·2 − 3·5 = −23
(a × b)z = axby − aybx = 3·5 − (−1)·2 = 17

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √(15² + (−23)² + 17²) = 32,3
n̂ = (15, −23, 17)/32,3 = (0,4645, −0,7122, 0,5264)
n̂x = 0,4645

Відповідь

n̂x = 0,4645
7.Інтеграли

Відповідь: V = 33,51

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∫₀2 4x² dx

Інтегруйте

V = π·4·2³/3 = 33,51

Відповідь

V = 33,51

Перевірка: конус радіуса 4 і висоти 2 має (1/3)πr²h = 33,51.

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: Duf = 7,071

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 = 8xy³ + 3y → fx(−1, 1) = −5
fy = 12x²y² + 6y² + 3x → fy(−1, 1) = 15

Одиничний вектор

|v| = √(2² + 2²) = 2,828
u = (0,7071, 0,7071)

Скалярний добуток

Duf = (−5)·0,7071 + 15·0,7071 = 7,071

Відповідь

Duf = 7,071
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,8268

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 ≤ 2

Змінений порядок

I = ∫02 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫02 y·sin(y²) dy

Підстановка u = y²

I = [−cos(y²)/2]02 = 0,8268

Відповідь

I = 0,8268
11.Послідовності та ряди

Відповідь: R = 0,25

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.

Коефіцієнти

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, тож R = 1/4

Радіус

R = 0,25

Відповідь

R = 0,25

Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: |R₄| = 0,0002604

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 = 1

Оцінка Лагранжа

|R₄| ≤ 1·0,5⁵/5! = 0,0002604

Відповідь

|R₄| = 0,0002604

Справжня похибка менша: |f(0,5) − P₄(0,5)| = 2,16 × 10⁻⁵.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 6

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

Правило закривання

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

A = 18/(s + 8) |s = −5 = 18/3 = 6

Відповідь

A = 6
(B = −6, тож f(t) = 6·e−5t − 6·e−8t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.75) = 6,753

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 + 4s + 3)·Y(s) = 4s + 16 + 36/s
Y(s) = (4s² + 16s + 36)/(s(s + 1)(s + 3))

Простіші дроби

A = 36/(1·3) = 12
B = 24/((−1)·2) = −12
C = 24/((−3)·(−2)) = 4

Результат

y(t) = 12 − 12·e−t + 4·e−3t
y(0,75) = 6,753

Відповідь

y(0,75) = 6,753

Перевірка: y(0) = A + B + C = 4.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ay = 72

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).

Площі входів

∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = 3·2 = 6

Площа виходу

Ay = 12·6 = 72

Відповідь

Ay = 72
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c5 = 0,06485

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 = 5

Амплітуда

c5 = 8·2/(π²·5²) = 0,06485

Відповідь

c5 = 0,06485

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