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)26Ta​25 °C

Чашку кави температурою 92 °C залишили в кімнаті з температурою 20 °C. Через 26 min її температура становить 25 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 92 °CTa = 20 °CT(26) = 25 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)35 minm = ?

Бак містить 100 L води, у якій розчинено 20 kg солі. Розсіл із 0,05 kg солі на літр надходить зі швидкістю 2 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 35 min?

V = 100 Lm0 = 20 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.Матриці та визначникиСередня
A =3−5−3−6B =3344

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).

A = [3 −5; −3 −6]B = [3 3; 4 4]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =534−3b =3−10

Розв'яжіть систему 5x + 3y = 3 і 4x − 3y = −10. Знайдіть x.

5x + 3y = 34x − 3y = −10
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzdFAB

Стала сила F = (25, −15, −20) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(5, 0, −5) до точки B(2, 5, 4). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (25, −15, −20) NA(5, 0, −5) mB(2, 5, 4) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzABC

Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(−3, 2, −2), B(−1, −3, −3) і C(2, −3, −1). Координати подано в метрах.

A(−3, 2, −2)B(−1, −3, −3)C(2, −3, −1)
A = m²
7.ІнтегралиСередня
xy1y = x·sin x

Обчисліть I = ∫₀1 x·sin x dx (x у радіанах).

∫₀1 x·sin x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy−22

Знайдіть площу A області між параболою y = 4 − x² і віссю x.

y = 4 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy20,5P

Дотичну площину до z = 5 sin(3x − 2y) у точці, де (x, y) = (2, 0,5), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = 5 sin(3x − 2y)(a, b) = (2, 0,5)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy02−20(1, −2)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = 2x² − 2xy + 2y² − 8x + 10y + 4, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = 2x² − 2xy + 2y² − 8x + 10y + 4
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ 2ᵏ·k!/kᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.

ak = 2ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₄2

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 4 для f(x) = cos x, щоб наблизити f(2). Дайте P₄(2).

f(x) = cos xn = 4x = 2
P₄(2) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (6s + 13)/(s² + 2s + 1) і обчисліть f(0,6).

F(s) = (6s + 13)/(s² + 2s + 1)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t) при y(0) = 3 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 5. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,8).

y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,8 s
y(0.8) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t210h(t)t1

Імпульс x(t) = 10 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−1tu(t). Знайдіть вихід y(3) при t = 3 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
10cos(5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 10·cos(5t) подано на систему з h(t) = 5·e−5tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 10cos(5t)
φ = °

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,1026 min⁻¹

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.

Відношення різниць температур

e−26k = 5/72

Розв’яжіть щодо k

k = ln(72/5)/26 = 0,1026 min⁻¹

Відповідь

k = 0,1026 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: m = 12,45 kg

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.

Складіть рівняння

dm/dt = 2·0,05 − (2/100)·m = 0,1 − 0,02·m

Розв’яжіть

Інтегрувальний множник ert/V; розв’язок наближається до рівноважного c·V.

m(t) = 5 + 15·e−t/50

Підставте t

m(35) = 5 + 15·0,4966 = 12,45 kg

Відповідь

m = 12,45 kg
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = −33

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

c22 = (−3)·3 + (−6)·4 = −33

Відповідь

c22 = −33
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −0,7778

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 = 5·(−3) − 3·4 = −27

Замініть стовпець x

det Aₓ = 3·(−3) − 3·(−10) = 21
x = 21/(−27) = −0,7778

Відповідь

x = −0,7778
y = 2,296
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = −330 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, 5, 4) − (5, 0, −5) = (−3, 5, 9) m

Робота

W = F·d = 25·(−3) + (−15)·5 + (−20)·9 = −330 J

Відповідь

W = −330 J

Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 9,67 m²

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.

Вектори сторін

AB = B − A = (2, −5, −1)
AC = C − A = (5, −5, 1)

Векторний добуток

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−5)·1 − (−1)·(−5) = −10
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−1)·5 − 2·1 = −7
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 2·(−5) − (−5)·5 = 15
|AB × AC| = √((−10)² + (−7)² + 15²) = 19,34

Площа трикутника

A = ½·19,34 = 9,67 m²

Відповідь

A = 9,67 m²
7.Інтеграли

Відповідь: I = 0,3012

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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Первісна

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Границі

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Відповідь

I = 0,3012
8.Інтеграли

Відповідь: A = 10,67

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

4 − x² = 0 → x = ±2

Інтегруйте

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Відповідь

A = 10,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: c = −11,89

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, 0,5) = −4,795
fx = 15 cos(3x − 2y) → fx(2, 0,5) = 4,255
fy = −10 cos(3x − 2y) → fy(2, 0,5) = −2,837

Дотична площина

z = −4,795 + 4,255(x − 2) − 2,837(y − 0,5)
z = 4,255x − 2,837y − 11,89

Сталий член

c = −11,89

Відповідь

c = −11,89
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −10

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 = 4x − 2y − 8 = 0
fy = −2x + 4y + 10 = 0
(1, −2)

Тест другої похідної

(1, −2): fxx = 4, fyy = 4, fxy = −2, D = 12 → локальний мінімум

Значення в екстремумі

f(1, −2) = −10

Відповідь

fmin = −10
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 0,7358

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| = 2·(k/(k + 1))ᵏ = 2/(1 + 1/k)ᵏ → 2/e

Висновок

L = 0,7358 < 1

Відповідь

L = 0,7358

L < 1, тож ряд збігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₄(2) = −0,3333

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.

Многочлен Маклорена

P₄(x) = 1 − 0,5x² + 0,04167x⁴

Підставте

P₄(2) = 1 − 2 + 0,666667 = −0,3333

Відповідь

P₄(2) = −0,3333

Точне значення дорівнює f(2) = −0,416147; похибка −0,0828135 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.6) = 5,598

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

Простіші дроби

6s + 13 = 6(s + 1) + 7
F(s) = 6/(s + 1) + 7/(s + 1)²

Обернене перетворення

f(t) = 6·e−t + 7·t·e−t
f(0,6) = (6 + 7·0,6)·e−0,6 = 5,598

Відповідь

f(0,6) = 5,598
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.8) = 3,829

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 + 4)·Y(s) = 3s + 15 + 20/s
Y(s) = (3s² + 15s + 20)/(s(s + 1)(s + 4))

Простіші дроби

A = 20/(1·4) = 5
B = 8/((−1)·3) = −2,667
C = 8/((−4)·(−3)) = 0,6667

Результат

y(t) = 5 − 2,667·e−t + 0,6667·e−4t
y(0,8) = 3,829

Відповідь

y(0,8) = 3,829

Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(3) = 3,181

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(2) = (10/1)(1 − e−2) = 8,647

Спад після імпульсу

y(3) = 8,647·e−1·1 = 3,181

Відповідь

y(3) = 3,181
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: φ = −45 °

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) = 5/(5 + jω)

Фаза на частоті входу

φ = −atan(5/5) = −45°

Відповідь

φ = −45°

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