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(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = -2. Знайдіть y(2).

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

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

y″ + y′ + 25,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−4−42−4−443−3−4

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−4 −4 2; −4 −4 4; 3 −3 −4]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =224−5b =10−9

Розв'яжіть систему 2x + 2y = 10 і 4x − 5y = −9. Знайдіть x.

2x + 2y = 104x − 5y = −9
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzdFAB

Стала сила F = (−10, 25, −10) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−5, 4, 0) до точки B(2, −4, 0). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (−10, 25, −10) NA(−5, 4, 0) mB(2, −4, 0) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−10, 20, −50) N діє в точці A(0, −1, 4). Координати подано в метрах. Знайдіть z-компоненту Mz моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).

F = (−10, 20, −50) NA(0, −1, 4) mO(0, 0, 0) m
Mz = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy14

Обчисліть I = ∫14 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 4]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 0,5x2​y = 2x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−10123−202vP

Для f(x, y) = 3y·e−xy знайдіть похідну за напрямом Duf у (1, −1) у напрямку v = (−1, 3).

f(x, y) = 3y·e−xyP = (1, −1)v = (−1, 3)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−4−202(1, −3)(−1, −3)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x³ − 3x + y² + 6y, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 6y
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 2/k⁴k = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ (3/2)ᵏB: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 2/k⁴D: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ (3/2)ᵏ
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 2/k⁴
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = eˣ наближено в точці x = 0,5 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 2 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,0005.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,0005
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,6).

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−2−4−6−8−10

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 2y′ + 2y = u′ + 9u 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″ + 2y′ + 2y = u′ + 9ut = 0,25 s
g(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t11h(t)t31

Імпульс x(t) = 1 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 1 при 0 ≤ t < 3 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(3,5) при t = 3,5 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 3 st = 3,5 s
y(3.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]2+y[n]0,5·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 2·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[3].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[3] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,6313

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 = -2
A = 4,667, B = −0,6667

Обчисліть

y(2) = 4,667·e−2 + (−0,6667)·e−8 = 0,6313

Відповідь

y(2) = 0,6313
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 1,04

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 ± 5j

Сталі

A = 5, B = 0,5·5/5 = 0,5

Обчисліть

y(1,5) = e−0,75(5·cos 7,5 + 0,5·sin 7,5) = 1,04

Відповідь

y(1,5) = 1,04
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −48

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 = 28, M₁₂ = 4, M₁₃ = 24

Розклад за рядком

det A = (−4)·28 − (−4)·4 + 2·24 = −48

Відповідь

det A = −48
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 1,778

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.

Визначник матриці коефіцієнтів

det A = 2·(−5) − 2·4 = −18

Замініть стовпець x

det Aₓ = 10·(−5) − 2·(−9) = −32
x = −32/(−18) = 1,778

Відповідь

x = 1,778
y = 3,222
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = −270 J

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.

Переміщення

d = B − A = (2, −4, 0) − (−5, 4, 0) = (7, −8, 0) m

Робота

W = F·d = (−10)·7 + 25·(−8) + (−10)·0 = −270 J

Відповідь

W = −270 J

Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mz = −10 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 = (0, −1, 4) − (0, 0, 0) = (0, −1, 4) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·(−50) − 4·20 = −30 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 4·(−10) − 0·(−50) = −40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 0·20 − (−1)·(−10) = −10 N·m

Потрібна компонента

Mz = −10 N·m

Відповідь

Mz = −10 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 6,931

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) = 5·ln x

Підставте межі

I = 5·(ln 4 − ln 1) = 5·ln 4 = 6,931

Відповідь

I = 6,931
8.Інтеграли

Відповідь: A = 5,333

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

0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Відповідь

A = 5,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = 18,05

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 = −3y²e−xy → fx(1, −1) = −8,155
fy = 3e−xy(1 − xy) → fy(1, −1) = 16,31

Одиничний вектор

|v| = √((−1)² + 3²) = 3,162
u = (−0,3162, 0,9487)

Скалярний добуток

Duf = (−8,155)·(−0,3162) + 16,31·0,9487 = 18,05

Відповідь

Duf = 18,05
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −11

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 + 6) = 0
(1, −3), (−1, −3)

Тест другої похідної

(1, −3): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → локальний мінімум
(−1, −3): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → сідлова точка

Значення в екстремумі

f(1, −3) = −11

Відповідь

fmin = −11
11.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ (3/2)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 (3/2)ᵏ → Геометричний з r = 3/2 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Знакозмінний, із 1/k, що спадає до 0: збігається (умовно).
C: Σ 2/k⁴ → p-ряд з p = 4 > 1: збігається.
D: Σ (1/3)ᵏ → Геометричний з r = 1/3, |r| < 1: збігається.

Відповідь

A: Σ (3/2)ᵏ

Відповідь

A: Σ (3/2)ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 5

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)!оцінка011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵

Оцінки для зростаючого n

n = 4: 0,0005208 ≥ 0,0005
n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ < 0,0005

Найменший степінь

n = 5

Відповідь

n = 5
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.6) = 3,917

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).

Простіші дроби

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 60/(1·5) = 12
B = 60/((−1)·4) = −15
C = 60/((−5)·(−4)) = 3

Обернене перетворення

f(t) = 12 − 15·e−t + 3·e−5t

Обчисліть

f(0,6) = 12 − 15·e−0,6 + 3·e−5·0,6 = 3,917

Відповідь

f(0,6) = 3,917
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.25) = 2,296

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) = (s + 9)/(s² + 2s + 2)

Простіші дроби

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (8/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Імпульсна характеристика

g(t) = e−t·(cos 1t + 8·sin 1t)
g(0,25) = 2,296

Відповідь

g(0,25) = 2,296
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(3.5) = 0,5

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 ∈ [0,5, 1] → довжина 0,5 s

Інтеграл

y(3,5) = 1·1·0,5 = 0,5

Відповідь

y(3,5) = 0,5

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 1 і спадає до 0 при t = 4 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[3] = 3,75

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

y[0] = 2
y[1] = 3
y[2] = 3,5
y[3] = 3,75

Результат

y[3] = 2·(1 − (0,5)4)/(1 − 0,5) = 3,75

Відповідь

y[3] = 3,75

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