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) = 4y(1) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = -4. Знайдіть y(1).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(1) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, −1)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 6x при x > 0, y(1) = −1. Знайдіть y(3).

y′ + y/x = 6xy(1) = −1
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =2−2−35B =−5216

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).

A = [2 −2; −3 5]B = [−5 2; 1 6]
c12 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =14−5−8

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [1 4; −5 −8]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (−2, −4, −5) і b = (3, 2, k) перпендикулярні.

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

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (1, 3, 3) і b = (−4, 3, 0) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.

a = (1, 3, 3)b = (−4, 3, 0)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
xy16y = x ln x

Обчисліть I = ∫₁6 x·ln x dx.

∫₁6 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy1y = x²eˣ

Обчисліть I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−11P

Дотичну площину до z = −3xy³ − 2x³ + 5y² − 4xy у точці, де (x, y) = (−1, 1), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = −3xy³ − 2x³ + 5y² − 4xy(a, b) = (−1, 1)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 1y = x1

Інтеграл I = ∫01 ∫y1 1/(1 + x²)² dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
11.Послідовності та рядиСередня
kSn​12345678910S = ?

Знайдіть суму S = Σk=1∞ 2/(k(k + 1)).

ak = 2/(k(k + 1))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₄ при (x − 1)⁴ у ряді Тейлора функції f(x) = e−x у точці a = 1.

f(x) = e−xa = 1k = 4
c₄ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−1624

Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 20), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,4).

F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 20)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t) при y(0) = 3 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 4. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t25

Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 5 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(1) при t = 1 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 2 st = 1 s
y(1) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
δ[n]4+h[n]0,9·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = 0,9·y[n − 1] + 4·x[n] і починає з нульового стану. Знайдіть відлік h[4] її імпульсної характеристики.

y[n] = 0,9y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 1,472

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 + 4) = 0 → r = −1, −4

Сталі за початковими значеннями

A + B = 4, −1A − 4B = -4
A = 4, B = 0

Обчисліть

y(1) = 4·e−1 + 0·e−4 = 1,472

Відповідь

y(1) = 1,472
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 17

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.

Інтегрувальний множник

μ = e∫1/x dx = x1

Інтегруйте

(x1y)′ = 6x2 → x1y = 6x3/3 + C

Початкова умова

−1 = 6/3 + C → C = −3

Обчисліть

y(3) = (6·33/3 + (−3))/31 = 17

Відповідь

y(3) = 17
3.Матриці та визначники

Відповідь: c12 = −8

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

c12 = 2·2 + (−2)·6 = −8

Відповідь

c12 = −8
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = −3

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 − (−7)λ + (12) = 0

Розв’яжіть

λ = (−7 ± √(1))/2 → λ = −4, −3
λ = −3

Відповідь

λ = −3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −2,8

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 = (−2)·3 + (−4)·2 + (−5)·k = 0
−14 + (−5)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−14)/(−5) = −2,8

Відповідь

k = −2,8
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂y = −0,5657

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 = 3·0 − 3·3 = −9
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−4) − 1·0 = −12
(a × b)z = axby − aybx = 1·3 − 3·(−4) = 15

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √((−9)² + (−12)² + 15²) = 21,21
n̂ = (−9, −12, 15)/21,21 = (−0,4243, −0,5657, 0,7071)
n̂y = −0,5657

Відповідь

n̂y = −0,5657
7.Інтеграли

Відповідь: I = 23,5

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

(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5

Відповідь

I = 23,5
8.Інтеграли

Відповідь: I = 0,7183

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.

Перший крок

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Другий крок

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Границі

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Відповідь

I = 0,7183
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: c = −22

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(−1, 1) = 14
fx = −3y³ − 6x² − 4y → fx(−1, 1) = −13
fy = −9xy² + 10y − 4x → fy(−1, 1) = 23

Дотична площина

z = 14 − 13(x + 1) + 23(y − 1)
z = −13x + 23y − 22

Сталий член

c = −22

Відповідь

c = −22
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,25

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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1

Змінений порядок

I = ∫01 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01 x·1/(1 + x²)² dx

Підстановка u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]01 = 0,25

Відповідь

I = 0,25
11.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 2

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.

Простіші дроби

2/(k(k + 1)) = 2·(1/k − 1/(k + 1))

Скасувати

S = 2·1 = 2

Відповідь

S = 2
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₄ = 0,01533

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⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = (−1)⁴·e−x

Коефіцієнт

c₄ = (−1)⁴·e−1/4! = 0,01533
c₄ = 0,01533

Відповідь

c₄ = 0,01533
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.4) = 2,781

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 + 4s + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²

Зіставлення чисельника

F(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (25/4)·4/((s + 2)² + 4²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(2·cos 4t + 6,25·sin 4t)
f(0,4) = e−2·0,4·(2·cos(4·0,4) + 6,25·sin(4·0,4)) = 2,781

Відповідь

f(0,4) = 2,781
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 7,454

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 + 5s + 6)·Y(s) = 3s + 15 + 96/s
Y(s) = (3s² + 15s + 96)/(s(s + 2)(s + 3))

Простіші дроби

A = 96/(2·3) = 16
B = 78/((−2)·1) = −39
C = 78/((−3)·(−1)) = 26

Результат

y(t) = 16 − 39·e−2t + 26·e−3t
y(0,5) = 7,454

Відповідь

y(0,5) = 7,454

Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1) = 10

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).

Перекриття віддзеркаленого імпульсу

h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.

τ ∈ [0, 1] → довжина 1 s

Інтеграл

y(1) = 2·5·1 = 10

Відповідь

y(1) = 10

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 10 і спадає до 0 при t = 3 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: h[4] = 2,624

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

h[0] = 4
h[1] = 3,6
h[2] = 3,24
h[3] = 2,916
h[4] = 2,624

Результат

h[4] = 4·(0,9)4 = 2,624

Відповідь

h[4] = 2,624

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