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) = 3y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = -4. Знайдіть y(1,5).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = -4
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−255−1B =06−56

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c11 (рядок 1, стовпець 1).

A = [−2 5; 5 −1]B = [0 6; −5 6]
c11 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =22−2−3

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [2 2; −2 −3]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (1, −2, −3) і b = (−5, k, −1) перпендикулярні.

a = (1, −2, −3)b = (−5, k, −1)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−40, −50, −60) N діє в точці A(−4, 4, 0). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно точка O(2, 1, 1).

F = (−40, −50, −60) NA(−4, 4, 0) mO(2, 1, 1) m
Mx = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy210

Обчисліть I = ∫210 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 10]
I =
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

z = 5x³y³ − 2x³ − y² − 2xy, де x = −3t + 1 і y = 2t². Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 1.

z = 5x³y³ − 2x³ − y² − 2xyx = −3t + 1y = 2t²t = 1
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 3y = 0,5x31,5

Обчисліть I = ∬T (x + y) dA по трикутнику T, обмеженому y = 0, x = 3 і y = 0,5x.

f = x + y0 ≤ x ≤ 30 ≤ y ≤ 0,5x
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ 3ᵏ/k²k = 1 … ∞DΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ (5/3)ᵏB: Σ (3/4)ᵏC: Σ 3ᵏ/k²D: Σ (k + 5)/k²
  1. 1A: Σ (5/3)ᵏ
  2. 2B: Σ (3/4)ᵏ
  3. 3C: Σ 3ᵏ/k²
  4. 4D: Σ (k + 5)/k²
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₂ при (x − 4)² у ряді Тейлора функції f(x) = √x у точці a = 4.

f(x) = √xa = 4k = 2
c₂ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−61

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 16)/(s² + 4s + 5), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,75).

F(s) = (3s + 16)/(s² + 4s + 5)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t) при y(0) = 6 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 10. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t35h(t)t44

Імпульс x(t) = 5 при 0 ≤ t < 3 s згортають із h(t) — трикутником, що лінійно спадає від 4 при t = 0 до 0 при t = 4 s. Знайдіть площу Ay під y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(4) = 0
Ay =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)510201−1

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −1 і +1 з періодом T = 10 ms. Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 300 Hz.

±1T = 10 msf = 300 Hz
c3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,07648

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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Сталі за початковими значеннями

A + B = 3, −3A − 4B = -4
A = 8, B = −5

Обчисліть

y(1,5) = 8·e−4,5 + (−5)·e−6 = 0,07648

Відповідь

y(1,5) = 0,07648
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 2,185

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 = 5, B = 0,5·5/4 = 0,625

Обчисліть

y(1,5) = e−0,75(5·cos 6 + 0,625·sin 6) = 2,185

Відповідь

y(1,5) = 2,185
3.Матриці та визначники

Відповідь: c11 = −25

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

c11 = (−2)·0 + 5·(−5) = −25

Відповідь

c11 = −25
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 1

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 + (−2) = 0

Розв’яжіть

λ = (−1 ± √(9))/2 → λ = −2, 1
λ = 1

Відповідь

λ = 1
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −1

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 = 1·(−5) + (−2)·k + (−3)·(−1) = 0
−2 + (−2)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−2)/(−2) = −1

Відповідь

k = −1
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mx = −230 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, 0) − (2, 1, 1) = (−6, 3, −1) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·(−60) − (−1)·(−50) = −230 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·(−40) − (−6)·(−60) = −320 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−6)·(−50) − 3·(−40) = 420 N·m

Потрібна компонента

Mx = −230 N·m

Відповідь

Mx = −230 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 6,438

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) = 4·ln x

Підставте межі

I = 4·(ln 10 − ln 2) = 4·ln 5 = 6,438

Відповідь

I = 6,438
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: dz/dt = −3276

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.

Точка і швидкості

x(1) = −2, y(1) = 2
dx/dt = −3, dy/dt = 4t = 4

Частинні похідні

fx = 15x²y³ − 6x² − 2y = 452
fy = 15x³y² − 2y − 2x = −480

Ланцюгове правило

dz/dt = 452·(−3) + (−480)·4 = −3276

Відповідь

dz/dt = −3276
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 5,625

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).

Границі

0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 0,5x

Внутрішній інтеграл

∫00,5x (x + y) dy = x·0,5x + (0,5x)²/2 = 0,625x²

Зовнішній інтеграл

I = 0,625·3³/3 = 5,625

Відповідь

I = 5,625
11.Послідовності та ряди

Відповідь: B: Σ (3/4)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 (5/3)ᵏ → Геометричний з r = 5/3 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
B: Σ (3/4)ᵏ → Геометричний з r = 3/4, |r| < 1: збігається.
C: Σ 3ᵏ/k² → Ознака Даламбера: L = 3 > 1, розбігається.
D: Σ (k + 5)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

B: Σ (3/4)ᵏ

Відповідь

B: Σ (3/4)ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₂ = −0,01563

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 = −0,25·41/2 − 2/2! = −0,01563
c₂ = −0,01563

Відповідь

c₂ = −0,01563
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.75) = 2,011

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 + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

Зіставлення чисельника

F(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (10/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(3·cos 1t + 10·sin 1t)
f(0,75) = e−2·0,75·(3·cos(1·0,75) + 10·sin(1·0,75)) = 2,011

Відповідь

f(0,75) = 2,011
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.3) = 19,14

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 + 9s + 20)·Y(s) = 6s + 54 + 800/s
Y(s) = (6s² + 54s + 800)/(s(s + 4)(s + 5))

Простіші дроби

A = 800/(4·5) = 40
B = 680/((−4)·1) = −170
C = 680/((−5)·(−1)) = 136

Результат

y(t) = 40 − 170·e−4t + 136·e−5t
y(0,3) = 19,14

Відповідь

y(0,3) = 19,14

Перевірка: y(0) = A + B + C = 6.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ay = 120

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 = 5·3 = 15
∫h dt = ½·4·4 = 8

Площа виходу

Ay = 15·8 = 120

Відповідь

Ay = 120
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,09006

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 = 100 Hz → k = 3

Амплітуда

c3 = 8·1/(π²·3²) = 0,09006

Відповідь

c3 = 0,09006

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