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) = 2y(1) = ?

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 10y(0,25) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 10 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−3−1−52−3−30−25

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−3 −1 −5; 2 −3 −3; 0 −2 5]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =5−1−24

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [5 −1; −2 4]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть кут θ між векторами a = (0, 4, −5) і b = (−1, 0, 4) у градусах.

a = (0, 4, −5)b = (−1, 0, 4)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzABC

Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(−3, −4, 0), B(4, −4, 0) і C(1, 4, 3). Координати подано в метрах.

A(−3, −4, 0)B(4, −4, 0)C(1, 4, 3)
A = m²
7.ІнтегралиСередня
xy24

Обчисліть I = ∫24 1/x dx.

f(x) = 1/x[2, 4]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = x2​y = x

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

y = x2y = x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−21P

Скористайтеся дотичною площиною до f(x, y) = 3x³y³ + x³ + 4xy у (−2, 1), щоб наблизити f(−2,2, 1,05). Дайте лінійне наближення L.

f(x, y) = 3x³y³ + x³ + 4xy(a, b) = (−2, 1)(x, y) = (−2,2, 1,05)
L =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−20(1, −2)(−1, −2)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y, класифікуйте їх і дайте значення fmax функції f у її локальному максимумі.

f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y
fmax =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞BΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞CΣ 1/√kk = 1 … ∞DΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ (1 + 1/k)ᵏB: Σ (k + 3)/k²C: Σ 1/√kD: Σ 1/(2ᵏ + k)
  1. 1A: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  2. 2B: Σ (k + 3)/k²
  3. 3C: Σ 1/√k
  4. 4D: Σ 1/(2ᵏ + k)
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = eˣ наближено в точці x = 2 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 8 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,001.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,001
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8

F(s) = (3s + 26)/(s² + 8s + 12). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−2t + B·e−6t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (3s + 26)/(s² + 8s + 12)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 1 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,4).

y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t10h(t)t1

Вхід x(t) = 10·e−2tu(t) подано на систему з h(t) = e−4tu(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.

x(t) = 10·e−2tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
5cos(40t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 5·cos(40t) подано на систему з h(t) = 10·e−20tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(40t)
Ym =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 2,207

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.

Подвійний корінь

(r + 1)² = 0 → r = −1

Сталі

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 2 = 4

Обчисліть

y(1) = (2 + 4·1)·e−1 = 2,207

Відповідь

y(1) = 2,207
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.25) = 5,696

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 ± 4j

Сталі

A = 10, B = 0,5·10/4 = 1,25

Обчисліть

y(0,25) = e−0,125(10·cos 1 + 1,25·sin 1) = 5,696

Відповідь

y(0,25) = 5,696
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 93

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 = −21, M₁₂ = 10, M₁₃ = −4

Розклад за рядком

det A = (−3)·(−21) − (−1)·10 + (−5)·(−4) = 93

Відповідь

det A = 93
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 6

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 − (9)λ + (18) = 0

Розв’яжіть

λ = (9 ± √(9))/2 → λ = 3, 6
λ = 6

Відповідь

λ = 6
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 139,2 °

Скалярний добуток: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ — скаляр. Він дає кут між двома векторами, cos θ = a·b/(|a|·|b|), і дорівнює нулю, коли вектори перпендикулярні. Скалярна проєкція a на b дорівнює a·b/|b|, а стала сила F на переміщенні d виконує роботу W = F·d.

Скалярний добуток

a·b = 0·(−1) + 4·0 + (−5)·4 = −20

Модулі

|a| = √(0² + 4² + (−5)²) = 6,403
|b| = √((−1)² + 0² + 4²) = 4,123

Кут

cos θ = −20/(6,403·4,123) = −0,7576
θ = arccos(−0,7576) = 139,2°

Відповідь

θ = 139,2°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 29,9 m²

Векторний добуток: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) перпендикулярний до обох векторів, а |a × b| = |a|·|b|·sin θ — площа паралелограма, натягнутого на них (площа трикутника — половина). Порядок має значення: b × a = −(a × b). Момент сили F, прикладеної в точці A, відносно точки O дорівнює MO = r × F, де r = A − O.

Вектори сторін

AB = B − A = (7, 0, 0)
AC = C − A = (4, 8, 3)

Векторний добуток

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 0·3 − 0·8 = 0
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 0·4 − 7·3 = −21
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 7·8 − 0·4 = 56
|AB × AC| = √(0² + (−21)² + 56²) = 59,81

Площа трикутника

A = ½·59,81 = 29,9 m²

Відповідь

A = 29,9 m²
7.Інтеграли

Відповідь: I = 0,6931

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) = ln x

Підставте межі

I = (ln 4 − ln 2) = ln 2 = 0,6931

Відповідь

I = 0,6931
8.Інтеграли

Відповідь: A = 0,1667

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

x2 = x → x = 0, x = 1

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

Відповідь

A = 0,1667
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: L = −54,4

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(−2, 1) = −40
fx = 9x²y³ + 3x² + 4y → fx(−2, 1) = 52
fy = 9x³y² + 4x → fy(−2, 1) = −80

Дотична площина

z = −40 + 52(x + 2) − 80(y − 1)
z = 52x − 80y + 144

Лінійне наближення

L = −40 + 52·(−0,2) + (−80)·0,05 = −54,4

Відповідь

L = −54,4

Точне значення f = −56,867173; площина близька, бо крок малий.

10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmax = 6

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 + 4) = 0
(1, −2), (−1, −2)

Тест другої похідної

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

Значення в екстремумі

f(1, −2) = 6

Відповідь

fmax = 6
11.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ 1/(2ᵏ + k)

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 (1 + 1/k)ᵏ → Члени прямують до e, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.
B: Σ (k + 3)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
C: Σ 1/√k → p-ряд з p = 1/2 ≤ 1: розбігається.
D: Σ 1/(2ᵏ + k) → Менший за (1/2)ᵏ, збіжний геометричний ряд: збігається за ознакою порівняння.

Відповідь

D: Σ 1/(2ᵏ + k)

Відповідь

D: Σ 1/(2ᵏ + k)
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 10

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.

n(n + 1)!оцінка011612162610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105

Оцінки для зростаючого n

n = 9: 0,002257 ≥ 0,001
n = 10: 0,0004105 < 0,001

Найменший степінь

n = 10

Відповідь

n = 10
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 5

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 + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)

Правило закривання

Помножте на (s + 2) і покладіть s = −2: доданок із B зникає.

A = (3s + 26)/(s + 6) |s = −2 = 20/4 = 5

Відповідь

A = 5
(B = −2, тож f(t) = 5·e−2t − 2·e−6t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.4) = 0,6827

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

Y(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5))

Простіші дроби

A = 20/(2·5) = 2
B = 20/((−2)·3) = −3,333
C = 20/((−5)·(−3)) = 1,333

Виведення

y(t) = 2 − 3,333·e−2t + 1,333·e−5t
y(0,4) = 0,6827

Відповідь

y(0,4) = 0,6827
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 0,0899

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).

Інтеграл згортки

y(t) = 10e−4t∫₀ᵗ e−(2 − 4)τ dτ = 10(e−4t − e−2t)/(−2)

Обчисліть

y(2) = 10·(0,0003355 − 0,01832)/(−2) = 0,0899

Відповідь

y(2) = 0,0899
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ym = 1,118

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/(20 + jω)

Коефіцієнт підсилення на частоті входу

|H(j40)| = 10/√(20² + 40²) = 0,2236
Ym = 5·0,2236 = 1,118

Відповідь

Ym = 1,118

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