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)19Ta​T = ?

Чашку кави температурою 92 °C залишили в кімнаті з температурою 24 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,03 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 19 min.

T0 = 92 °CTa = 24 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 19 min
T = °C
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 5ymax​ = ?

Система підпорядковується y″ + 2y′ + 26y = 130 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.

y″ + 2y′ + 26y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−1−10−30−4−15−3

Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.

A = [−1 −1 0; −3 0 −4; −1 5 −3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =0−358

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [0 −3; 5 8]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (2, −2, 2) на b = (−4, 4, −6), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (2, −2, 2)b = (−4, 4, −6)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzABC

Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(4, 0, −1), B(1, 3, 0) і C(−4, −1, 2). Координати подано в метрах.

A(4, 0, −1)B(1, 3, 0)C(−4, −1, 2)
A = m²
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = x2​y = 2x

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

y = x2y = 2x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy2−1P

Дотичну площину до z = 3 ln(x² + y²) у точці, де (x, y) = (2, −1), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = 3 ln(x² + y²)(a, b) = (2, −1)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 0,8y = x0,80,8

Інтеграл I = ∫00,8 ∫x0,8 1/(1 + y²)² dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

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

ak = kᵏ/(2ᵏ·k!)
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₂0,8

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 2 для f(x) = e−x, щоб наблизити f(0,8). Дайте P₂(0,8).

f(x) = e−xn = 2x = 0,8
P₂(0.8) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = 5/(s² + 12s + 32). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−4t + B·e−8t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = 5/(s² + 12s + 32)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 12y = 0 при y(0) = 6 і y′(0) = −1 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,1).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 6y′(0) = −1t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t10h(t)t21

Система має імпульсну характеристику h(t) = e−0,5tu(t). Вхід — східчастий сигнал x(t) = 10·u(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)0,5123

Прямокутна хвиля перемикається між 3 і 0 з періодом T = 1 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 3000 Hz.

0 … 3T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 62,46 °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) = 24 + 68·e−0,03t

Підставте t

T(19) = 24 + 68·0,5655 = 62,46 °C

Відповідь

T = 62,46 °C
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: ymax = 7,667

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.

Усталене значення та корені

yss = 5, r = −1 ± 5j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −1

Пік

t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1·π/5) = 7,667

Відповідь

ymax = 7,667
3.Матриці та визначники

Відповідь: det A = −15

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 = 20, M₁₂ = 5, M₁₃ = −15

Розклад за рядком

det A = (−1)·20 − (−1)·5 + 0·(−15) = −15

Відповідь

det A = −15
4.Матриці та визначники

Відповідь: λ = 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.

Характеристичне рівняння

λ² − (8)λ + (15) = 0

Розв’яжіть

λ = (8 ± √(4))/2 → λ = 3, 5
λ = 5

Відповідь

λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = −3,395

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 = 2·(−4) + (−2)·4 + 2·(−6) = −28

Довжина b

|b| = √((−4)² + 4² + (−6)²) = 8,246

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = −28/8,246 = −3,395

Відповідь

compb a = −3,395

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

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 14,4 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 = (−3, 3, 1)
AC = C − A = (−8, −1, 3)

Векторний добуток

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 3·3 − 1·(−1) = 10
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 1·(−8) − (−3)·3 = 1
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−3)·(−1) − 3·(−8) = 27
|AB × AC| = √(10² + 1² + 27²) = 28,81

Площа трикутника

A = ½·28,81 = 14,4 m²

Відповідь

A = 14,4 m²
7.Інтеграли

Відповідь: I = 3,195

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) = e2x/2

Підставте межі

I = (e2 − 1)/2 = (7,389 − 1)/2 = 3,195

Відповідь

I = 3,195
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.

Точки перетину

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Відповідь

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

Відповідь: c = −1,172

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, −1) = 4,828
fx = 6x/(x² + y²) → fx(2, −1) = 2,4
fy = 6y/(x² + y²) → fy(2, −1) = −1,2

Дотична площина

z = 4,828 + 2,4(x − 2) − 1,2(y + 1)
z = 2,4x − 1,2y − 1,172

Сталий член

c = −1,172

Відповідь

c = −1,172
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,1951

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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 0,8

Змінений порядок

I = ∫00,8 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫00,8 y·1/(1 + y²)² dy

Підстановка u = y²

I = [−1/(2(1 + y²))]00,8 = 0,1951

Відповідь

I = 0,1951
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 1,359

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| = (1 + 1/k)ᵏ/2 → e/2

Висновок

L = 1,359 > 1

Відповідь

L = 1,359

L > 1, тож ряд розбігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: P₂(0.8) = 0,52

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

P₂(x) = 1 − x + 0,5x²

Підставте

P₂(0,8) = 1 − 0,8 + 0,32 = 0,52

Відповідь

P₂(0,8) = 0,52

Точне значення дорівнює f(0,8) = 0,449329; похибка −0,070671 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 1,25

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

Правило закривання

Помножте на (s + 4) і покладіть s = −4: доданок із B зникає.

A = 5/(s + 8) |s = −4 = 5/4 = 1,25

Відповідь

A = 1,25
(B = −1,25, тож f(t) = 1,25·e−4t − 1,25·e−8t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.1) = 5,655

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

s²Y − 6s − (−1) + 8(sY − 6) + 12Y = 0
Y(s) = (6s + 47)/((s + 2)(s + 6))

Простіші дроби

A = 35/4 = 8,75
B = 11/(−4) = −2,75

Результат

y(t) = 8,75·e−2t − 2,75·e−6t
y(0,1) = 5,655

Відповідь

y(0,1) = 5,655

Перевірка: y(0) = A + B = 6.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 12,64

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).

Згортка зі східчастим сигналом

y(t) = 10·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (10/0,5)·(1 − e−0,5t)

Обчисліть

y(2) = 20·(1 − e−1) = 12,64

Відповідь

y(2) = 12,64
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,6366

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 = 1000 Hz → k = 3000/1000 = 3

Амплітуда

c3 = 4·1,5/(3π) = 0,6366

Відповідь

c3 = 0,6366

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