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) = 1y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 4. Знайдіть y(2).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, 3)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + 2y/x = 2x при x > 0, y(1) = 3. Знайдіть y(3).

y′ + 2y/x = 2xy(1) = 3
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =032−4042−40

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [0 3 2; −4 0 4; 2 −4 0]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =3313b =11−10

Розв'яжіть систему 3x + 3y = 11 і x + 3y = −10. Знайдіть x.

3x + 3y = 11x + 3y = −10
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−4, 2, −4) на b = (0, −1, 3), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (−4, 2, −4)b = (0, −1, 3)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−50, 40, −10) N діє в точці A(−2, −3, 0). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).

F = (−50, 40, −10) NA(−2, −3, 0) mO(0, 0, 0) m
Mx = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy−11

Знайдіть площу A області між параболою y = 1 − x² і віссю x.

y = 1 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy024−4−20PQ

Для f(x, y) = −x³y − 3y³ − xy знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(2, −2) у напрямку до Q(0, −5).

f(x, y) = −x³y − 3y³ − xyP = (2, −2)Q = (0, −5)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 4y = 3x412

Обчисліть I = ∬T (x − y) dA по трикутнику T, обмеженому y = 0, x = 4 і y = 3x.

f = x − y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 3x
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/k³k = 1 … ∞BΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ 5/kk = 1 … ∞DΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 1/k³B: Σ 1/(3ᵏ + k)C: Σ 5/kD: Σ (3/4)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/k³
  2. 2B: Σ 1/(3ᵏ + k)
  3. 3C: Σ 5/k
  4. 4D: Σ (3/4)ᵏ
12.Послідовності та рядиСкладна

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·0,82k+1/(2k + 1)!
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,4).

F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 20y = 20·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(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t1

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

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−2tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)5102010−10

Прямокутна хвиля перемикається між +10 і −10 з періодом T = 10 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 500 Hz.

±10T = 10 msf = 500 Hz
c5 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,05486

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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Сталі за початковими значеннями

A + B = 1, −2A − 5B = 4
A = 3, B = −2

Обчисліть

y(2) = 3·e−4 + (−2)·e−10 = 0,05486

Відповідь

y(2) = 0,05486
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 4,778

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∫2/x dx = x2

Інтегруйте

(x2y)′ = 2x3 → x2y = 2x4/4 + C

Початкова умова

3 = 2/4 + C → C = 2,5

Обчисліть

y(3) = (2·34/4 + 2,5)/32 = 4,778

Відповідь

y(3) = 4,778
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 56

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 = 16, M₁₂ = −8, M₁₃ = 16

Розклад за рядком

det A = 0·16 − 3·(−8) + 2·16 = 56

Відповідь

det A = 56
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 10,5

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 = 3·3 − 3·1 = 6

Замініть стовпець x

det Aₓ = 11·3 − 3·(−10) = 63
x = 63/6 = 10,5

Відповідь

x = 10,5
y = −6,833
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = −4,427

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

a·b = (−4)·0 + 2·(−1) + (−4)·3 = −14

Довжина b

|b| = √(0² + (−1)² + 3²) = 3,162

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = −14/3,162 = −4,427

Відповідь

compb a = −4,427

Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mx = 30 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 = (−2, −3, 0) − (0, 0, 0) = (−2, −3, 0) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·(−10) − 0·40 = 30 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 0·(−50) − (−2)·(−10) = −20 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·40 − (−3)·(−50) = −230 N·m

Потрібна компонента

Mx = 30 N·m

Відповідь

Mx = 30 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 1,5

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.

Заміна змінної

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5

Відповідь

I = 1,5
8.Інтеграли

Відповідь: A = 1,333

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.

Нулі

1 − x² = 0 → x = ±1

Інтегруйте

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Відповідь

A = 1,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: Duf = 23,85

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 = −3x²y − y → fx(2, −2) = 26
fy = −x³ − 9y² − x → fy(2, −2) = −46

Одиничний вектор

|v| = √((−2)² + (−3)²) = 3,606
u = (−0,5547, −0,8321)

Скалярний добуток

Duf = 26·(−0,5547) + (−46)·(−0,8321) = 23,85

Відповідь

Duf = 23,85
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = −32

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 ≤ 4, 0 ≤ y ≤ 3x

Внутрішній інтеграл

∫03x (x − y) dy = x·3x − (3x)²/2 = −1,5x²

Зовнішній інтеграл

I = −1,5·4³/3 = −32

Відповідь

I = −32
11.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ 5/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/k³ → p-ряд з p = 3 > 1: збігається.
B: Σ 1/(3ᵏ + k) → Менший за (1/3)ᵏ, збіжний геометричний ряд: збігається за ознакою порівняння.
C: Σ 5/k → Кратне гармонічного ряду (p = 1): розбігається.
D: Σ (3/4)ᵏ → Геометричний з r = 3/4, |r| < 1: збігається.

Відповідь

C: Σ 5/k

Відповідь

C: Σ 5/k
12.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,7174

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.

Стандартні ряди

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Підставте

x = 0,8
S = sin 0,8 = 0,7174

Відповідь

S = 0,7174
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.4) = 1,707

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 50/(2·5) = 5
B = 50/((−2)·3) = −8,333
C = 50/((−5)·(−3)) = 3,333

Обернене перетворення

f(t) = 5 − 8,333·e−2t + 3,333·e−5t

Обчисліть

f(0,4) = 5 − 8,333·e−2·0,4 + 3,333·e−5·0,4 = 1,707

Відповідь

f(0,4) = 1,707
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.3) = 3,773

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) = 3s + 27 + 100/s
Y(s) = (3s² + 27s + 100)/(s(s + 4)(s + 5))

Простіші дроби

A = 100/(4·5) = 5
B = 40/((−4)·1) = −10
C = 40/((−5)·(−1)) = 8

Результат

y(t) = 5 − 10·e−4t + 8·e−5t
y(0,3) = 3,773

Відповідь

y(0,3) = 3,773

Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(3) = 0,01584

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(1) = (2/2)(1 − e−2) = 0,8647

Спад після імпульсу

y(3) = 0,8647·e−2·2 = 0,01584

Відповідь

y(3) = 0,01584
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c5 = 2,546

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 = 500/100 = 5

Амплітуда

c5 = 4·10/(5π) = 2,546

Відповідь

c5 = 2,546

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