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)28Ta​T = ?

Чашку кави температурою 85 °C залишили в кімнаті з температурою 19 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,04 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 28 min.

T0 = 85 °CTa = 19 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 28 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy12(1, 2)y(2) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + 2y/x = 4x при x > 0, y(1) = 2. Знайдіть y(2).

y′ + 2y/x = 4xy(1) = 2
y(2) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−1−13−4−33−421

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−1 −1 3; −4 −3 3; −4 2 1]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =5230

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [5 2; 3 0]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (5, 5, −6) і b = (−5, k, −4) перпендикулярні.

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

Сила F = (0, 30, −60) N діє в точці A(1, −4, 3). Координати подано в метрах. Знайдіть модуль |M| моменту сили відносно точка O(−1, 3, −2).

F = (0, 30, −60) NA(1, −4, 3) mO(−1, 3, −2) m
|M| = N·m
7.ІнтегралиСередня
xy4y = √(4x)

Область під y = √(4x) від x = 0 до x = 4 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (параболоїда).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 4
V =
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
xy13P

Дотичну площину до z = 3x³y³ − 2x³ − 3y³ + 3xy у точці, де (x, y) = (1, 3), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = 3x³y³ − 2x³ − 3y³ + 3xy(a, b) = (1, 3)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 1,5y = x1,5

Інтеграл I = ∫01,5 ∫y1,5 ex² dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,5
I =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 10ᵏ/k!B: Σ (−1)ᵏ/√kC: Σ 1/(k(k + 3))D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 10ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/√k
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 3))
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Послідовності та рядиСкладна

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

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−102

Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 19)/(s² + 8s + 25), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,2).

F(s) = (2s + 19)/(s² + 8s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t) при y(0) = 1 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 4. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,25).

y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t24h(t)t35

Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 5 при 0 ≤ t < 3 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]0,5+y[n]0,5·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[4].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 40,53 °C

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.

Розв’язок закону охолодження

T(t) = 19 + 66·e−0,04t

Підставте t

T(28) = 19 + 66·0,3263 = 40,53 °C

Відповідь

T = 40,53 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 4,25

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)′ = 4x3 → x2y = 4x4/4 + C

Початкова умова

2 = 4/4 + C → C = 1

Обчисліть

y(2) = (4·24/4 + 1)/22 = 4,25

Відповідь

y(2) = 4,25
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −43

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 = −9, M₁₂ = 8, M₁₃ = −20

Розклад за рядком

det A = (−1)·(−9) − (−1)·8 + 3·(−20) = −43

Відповідь

det A = −43
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 6

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 − (5)λ + (−6) = 0

Розв’яжіть

λ = (5 ± √(49))/2 → λ = −1, 6
λ = 6

Відповідь

λ = 6
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = 0,2

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 = 5·(−5) + 5·k + (−6)·(−4) = 0
−1 + 5·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−1)/5 = 0,2

Відповідь

k = 0,2
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: |M| = 301,5 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 = (1, −4, 3) − (−1, 3, −2) = (2, −7, 5) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−7)·(−60) − 5·30 = 270 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 5·0 − 2·(−60) = 120 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 2·30 − (−7)·0 = 60 N·m

Модуль

|M| = √(270² + 120² + 60²) = 301,5 N·m

Відповідь

|M| = 301,5 N·m
7.Інтеграли

Відповідь: V = 100,5

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.

Метод дисків

V = π∫₀4 4x dx

Інтегруйте

V = π·4·4²/2 = 100,5

Відповідь

V = 100,5
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: c = −248

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(1, 3) = 7
fx = 9x²y³ − 6x² + 3y → fx(1, 3) = 246
fy = 9x³y² − 9y² + 3x → fy(1, 3) = 3

Дотична площина

z = 7 + 246(x − 1) + 3(y − 3)
z = 246x + 3y − 248

Сталий член

c = −248

Відповідь

c = −248
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 4,244

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).

Область

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,5

Змінений порядок

I = ∫01,5 ∫0x ex² dy dx = ∫01,5 x·ex² dx

Підстановка u = x²

I = [ex²/2]01,5 = 4,244

Відповідь

I = 4,244
11.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ ln k / 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 10ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Знакозмінний, із 1/√k, що спадає до 0: збігається (умовно).
C: Σ 1/(k(k + 3)) → Менший за 1/k²: збігається за ознакою порівняння.
D: Σ ln k / k → Більший за 1/k для k ≥ 3: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

D: Σ ln k / k

Відповідь

D: Σ ln k / k
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 8

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)!оцінка011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059

Оцінки для зростаючого n

n = 7: 0,0006356 ≥ 0,0005
n = 8: 0,0001059 < 0,0005

Найменший степінь

n = 8

Відповідь

n = 8
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.2) = 1,672

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 + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

Зіставлення чисельника

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (11/3)·3/((s + 4)² + 3²)

Обернене перетворення

f(t) = e−4t·(2·cos 3t + 3,667·sin 3t)
f(0,2) = e−4·0,2·(2·cos(3·0,2) + 3,667·sin(3·0,2)) = 1,672

Відповідь

f(0,2) = 1,672
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 3,322

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 + 6s + 8)·Y(s) = 1s + 6 + 128/s
Y(s) = (s² + 6s + 128)/(s(s + 2)(s + 4))

Простіші дроби

A = 128/(2·4) = 16
B = 120/((−2)·2) = −30
C = 120/((−4)·(−2)) = 15

Результат

y(t) = 16 − 30·e−2t + 15·e−4t
y(0,25) = 3,322

Відповідь

y(0,25) = 3,322

Перевірка: y(0) = A + B + C = 1.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 40

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, 2] → довжина 2 s

Інтеграл

y(2) = 4·5·2 = 40

Відповідь

y(2) = 40

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 40 і спадає до 0 при t = 5 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[4] = 0,9688

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] = 0,5
y[1] = 0,75
y[2] = 0,875
y[3] = 0,9375
y[4] = 0,9688

Результат

y[4] = 0,5·(1 − (0,5)5)/(1 − 0,5) = 0,9688

Відповідь

y[4] = 0,9688

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