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)14Ta​40 °C53 °C

Чашку кави температурою 84 °C залишили в кімнаті з температурою 18 °C. Через 14 min її температура становить 40 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 53 °C?

T0 = 84 °CTa = 18 °CT(14) = 40 °CT = 53 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)105 minm = ?

Бак містить 400 L води, у якій розчинено 20 kg солі. Розсіл із 0,25 kg солі на літр надходить зі швидкістю 4 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 105 min?

V = 400 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.Матриці та визначникиСередня
A =35−2−151−233

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [3 5 −2; −1 5 1; −2 3 3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−35−4−3b =−18

Розв'яжіть систему −3x + 5y = −1 і −4x − 3y = 8. Знайдіть x.

−3x + 5y = −1−4x − 3y = 8
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (4, 1, −5) і b = (−1, −2, 2).

a = (4, 1, −5)b = (−1, −2, 2)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (50, 0, −50) N діє в точці A(−2, −4, −1). Координати подано в метрах. Знайдіть y-компоненту My моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).

F = (50, 0, −50) NA(−2, −4, −1) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy1y = 2xy = 2x²

Область між прямою y = 2x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 2xy = 2x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy20,5∇fP

Для f(x, y) = 2 sin(−2x − 3y) знайдіть напрямок найшвидшого зростання в (2, 0,5) як кут θ від додатної осі x, у градусах між −180° і 180°.

f(x, y) = 2 sin(−2x − 3y)P = (2, 0,5)
θ = °
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−20202AB

Позначені точки — критичні точки f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 4y. Клікніть сідлову точку.

f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 4y
  1. 1A (−2, 2)
  2. 2B (2, 2)
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Застосуйте ознаку Коші до Σk=1∞ ((4k + 1)/(5k + 5))ᵏ. Знайдіть L = lim |ak|1/k.

ak = ((4k + 1)/(5k + 5))ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна

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

ak = (−2)ᵏ/k!
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 15/(s(s + 4)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,25).

F(s) = 15/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−1−2−3−4−51

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 7y′ + 10y = 4u′ + 12u 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 = 0,6 s. Знайдіть g(0,6).

y″ + 7y′ + 10y = 4u′ + 12ut = 0,6 s
g(0.6) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t110h(t)t1

Імпульс x(t) = 10 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−5tu(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)0,2124

Послідовність імпульсів має висоту 4, ширину імпульсу 0,2 ms і період 1 ms. Знайдіть амплітуду c3 гармоніки номер 3 на частоті 3000 Hz.

A = 4τ = 0,2 msT = 1 ms
c3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 8,083 min

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.

Стала охолодження

k = ln(66/22)/14 = 0,07847 min⁻¹

Час до досягнення цільової температури

t = ln(66/35)/0,07847 = 8,083 min

Відповідь

t = 8,083 min
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: m = 72 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 = 4·0,25 − (4/400)·m = 1 − 0,01·m

Розв’яжіть

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

m(t) = 100 + (−80)·e−t/100

Підставте t

m(105) = 100 + (−80)·0,3499 = 72 kg

Відповідь

m = 72 kg
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = 27

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 = 12, M₁₂ = −1, M₁₃ = 7

Розклад за рядком

det A = 3·12 − 5·(−1) + (−2)·7 = 27

Відповідь

det A = 27
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −1,276

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) − 5·(−4) = 29

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−1)·(−3) − 5·8 = −37
x = −37/29 = −1,276

Відповідь

x = −1,276
y = −0,9655
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: a·b = −16

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.

Перемножте відповідні компоненти й додайте

a·b = 4·(−1) + 1·(−2) + (−5)·2 = (−4) + (−2) + (−10) = −16

Відповідь

a·b = −16

Від’ємний: кут між векторами більший за 90°.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: My = −150 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, −4, −1) − (0, 0, 0) = (−2, −4, −1) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−4)·(−50) − (−1)·0 = 200 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·50 − (−2)·(−50) = −150 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·0 − (−4)·50 = 200 N·m

Потрібна компонента

My = −150 N·m

Відповідь

My = −150 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: I = 2,333

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.

Заміна змінної

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Відповідь

I = 2,333
8.Інтеграли

Відповідь: V = 1,676

Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.

Точки перетину

2x = 2x² → x = 0, x = 1

Метод шайб

V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676

Відповідь

V = 1,676
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: θ = −123,7 °

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.

Частинні похідні

fx = −4 cos(−2x − 3y) → fx(2, 0,5) = −2,835
fy = −6 cos(−2x − 3y) → fy(2, 0,5) = −4,252

Напрямок

θ = atan2(−4,252, −2,835) = −123,7°

Відповідь

θ = −123,7°
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: A (−2, 2)

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 − 12) = 0
fy = −(2y − 4) = 0
(2, 2), (−2, 2)

Тест другої похідної

(2, 2): fxx = −12, fyy = −2, fxy = 0, D = 24 → локальний максимум
(−2, 2): fxx = 12, fyy = −2, fxy = 0, D = −24 → сідлова точка

Точка

A (−2, 2): сідлова точка

Відповідь

A (−2, 2)
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 0,8

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.

Корінь із членів

|ak|1/k = (4k + 1)/(5k + 5) → 4/5

Висновок

L = 0,8 < 1

Відповідь

L = 0,8

L < 1, тож ряд збігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,1353

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 xᵏ/k! = eˣ

Підставте

x = −2
S = e−2 = 0,1353

Відповідь

S = 0,1353
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.25) = 0,23

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 15/(4·5) = 0,75
B = 15/((−4)·1) = −3,75
C = 15/((−5)·(−1)) = 3

Обернене перетворення

f(t) = 0,75 − 3,75·e−4t + 3·e−5t

Обчисліть

f(0,25) = 0,75 − 3,75·e−4·0,25 + 3·e−5·0,25 = 0,23

Відповідь

f(0,25) = 0,23
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.6) = 0,5344

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) = (4s + 12)/(s² + 7s + 10)

Простіші дроби

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 1,333, B = 2,667

Імпульсна характеристика

g(t) = 1,333·e−2t + 2,667·e−5t
g(0,6) = 0,5344

Відповідь

g(0,6) = 0,5344
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 0,01339

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) = (10/5)(1 − e−5) = 1,987

Спад після імпульсу

y(2) = 1,987·e−5·1 = 0,01339

Відповідь

y(2) = 0,01339
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,8073

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)|.

Коефіцієнт заповнення

D = 0,2/1 = 0,2

Амплітуда гармоніки

c3 = (2·4/(3π))·|sin(3π·0,2)| = 0,8073

Відповідь

c3 = 0,8073

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