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)12Ta​T = ?

Чашку кави температурою 92 °C залишили в кімнаті з температурою 20 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,09 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 12 min.

T0 = 92 °CTa = 20 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 12 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 10ymax​ = ?

Система підпорядковується y″ + 4y′ + 13y = 130 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + 4y′ + 13y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−4−23−1−3−145−3

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−4 −2 3; −1 −3 −1; 4 5 −3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =6−49−7

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [6 −4; 9 −7]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−2, 5, 7) на b = (1, −5, 4), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (−2, 5, 7)b = (1, −5, 4)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (50, −40, −30) N діє в точці A(4, 4, −1). Координати подано в метрах. Знайдіть z-компоненту Mz моменту сили відносно точка O(3, −1, 0).

F = (50, −40, −30) NA(4, 4, −1) mO(3, −1, 0) m
Mz = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy15y = x ln x

Обчисліть I = ∫₁5 x·ln x dx.

∫₁5 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy2y = 4xy = 2x²

Область між прямою y = 4x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 4xy = 2x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy024024PQ

Для f(x, y) = 2 sin(−3x + y) знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(2, 1) у напрямку до Q(−1, 4).

f(x, y) = 2 sin(−3x + y)P = (2, 1)Q = (−1, 4)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−505−2024AB

Позначені точки — критичні точки f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 6y. Клікніть локальний максимум.

f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 6y
  1. 1A (3, 3)
  2. 2B (−3, 3)
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ kᵏ/(5ᵏ·k!). Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.

ak = kᵏ/(5ᵏ·k!)
L =
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₂ при (x − 16)² у ряді Тейлора функції f(x) = √x у точці a = 16.

f(x) = √xa = 16k = 2
c₂ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−10−12−142

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 37)/(s² + 2s + 10), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,8).

F(s) = (3s + 37)/(s² + 2s + 10)t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 5y′ + 6y = 3u′ + 8u 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 = 0,25 s. Знайдіть g(0,25).

y″ + 5y′ + 6y = 3u′ + 8ut = 0,25 s
g(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t1

Імпульс x(t) = 2 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) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
δ(t)y′ + 10y = 2xh(t)

Система описується рівнянням y′(t) + 10·y(t) = 2·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 0,2 s, h(0,2).

y′ + 10y = 2xt = 0,2 s
h(0.2) =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 44,45 °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) = 20 + 72·e−0,09t

Підставте t

T(12) = 20 + 72·0,3396 = 44,45 °C

Відповідь

T = 44,45 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: ymax = 11,23

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 = 10, r = −2 ± 3j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −6,667

Пік

t = π/3 = 1,047
ymax = 10·(1 + e−2·π/3) = 11,23

Відповідь

ymax = 11,23
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −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.

Мінори 2×2 першого рядка

M₁₁ = 14, M₁₂ = 7, M₁₃ = 7

Розклад за рядком

det A = (−4)·14 − (−2)·7 + 3·7 = −21

Відповідь

det A = −21
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 − (−1)λ + (−6) = 0

Розв’яжіть

λ = (−1 ± √(25))/2 → λ = −3, 2
λ = 2

Відповідь

λ = 2
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = 0,1543

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)·1 + 5·(−5) + 7·4 = 1

Довжина b

|b| = √(1² + (−5)² + 4²) = 6,481

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = 1/6,481 = 0,1543

Відповідь

compb a = 0,1543
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mz = −290 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 = (4, 4, −1) − (3, −1, 0) = (1, 5, −1) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 5·(−30) − (−1)·(−40) = −190 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·50 − 1·(−30) = −20 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·(−40) − 5·50 = −290 N·m

Потрібна компонента

Mz = −290 N·m

Відповідь

Mz = −290 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 14,12

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Первісна

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Границі

(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12

Відповідь

I = 14,12
8.Інтеграли

Відповідь: V = 53,62

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.

Точки перетину

4x = 2x² → x = 0, x = 2

Метод шайб

V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62

Відповідь

V = 53,62
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = 1,605

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 = −6 cos(−3x + y) → fx(2, 1) = −1,702
fy = 2 cos(−3x + y) → fy(2, 1) = 0,5673

Одиничний вектор

|v| = √((−3)² + 3²) = 4,243
u = (−0,7071, 0,7071)

Скалярний добуток

Duf = (−1,702)·(−0,7071) + 0,5673·0,7071 = 1,605

Відповідь

Duf = 1,605
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: A (3, 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 − 27) = 0
fy = −(2y − 6) = 0
(3, 3), (−3, 3)

Тест другої похідної

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

Точка

A (3, 3): локальний максимум

Відповідь

A (3, 3)
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 0,5437

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.

Відношення сусідніх членів

|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/5 → e/5

Висновок

L = 0,5437 < 1

Відповідь

L = 0,5437

L < 1, тож ряд збігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₂ = −0,001953

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2

Коефіцієнт

c₂ = −0,25·161/2 − 2/2! = −0,001953
c₂ = −0,001953

Відповідь

c₂ = −0,001953
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.8) = 2,446

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).

Виділення повного квадрата

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Зіставлення чисельника

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (34/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(3·cos 3t + 11,33·sin 3t)
f(0,8) = e−0,8·(3·cos(3·0,8) + 11,33·sin(3·0,8)) = 2,446

Відповідь

f(0,8) = 2,446
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.25) = 1,685

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 + 8)/(s² + 5s + 6)

Простіші дроби

s² + 5s + 6 = (s + 2)(s + 3)
A = 2, B = 1

Імпульсна характеристика

g(t) = 2·e−2t + e−3t
g(0,25) = 1,685

Відповідь

g(0,25) = 1,685
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 1,226

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) = (2/0,5)(1 − e−0,5) = 1,574

Спад після імпульсу

y(1,5) = 1,574·e−0,5·0,5 = 1,226

Відповідь

y(1,5) = 1,226
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: h(0.2) = 0,2707

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)|.

Передатна функція

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 10)

Імпульсна характеристика

h(t) = 2·e−10tu(t)
h(0,2) = 2·e−2 = 0,2707

Відповідь

h(0,2) = 0,2707

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