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)20Ta​18 °C

Банку газованого напою температурою 4 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 24 °C. Через 20 min її температура становить 18 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 4 °CTa = 24 °CT(20) = 18 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, 3)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + 3y/x = 6x при x > 0, y(1) = 3. Знайдіть y(3).

y′ + 3y/x = 6xy(1) = 3
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−3−11−2B =3−3−1−4

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c11 (рядок 1, стовпець 1).

A = [−3 −1; 1 −2]B = [3 −3; −1 −4]
c11 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−2425

Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.

A = [−2 4; 2 5]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (0, 3, −3) і b = (−4, −2, 4).

a = (0, 3, −3)b = (−4, −2, 4)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (−6, −4, −6) і b = (2, 6, −6) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.

a = (−6, −4, −6)b = (2, 6, −6)
(a × b)z =
7.ІнтегралиСередня
xy1y = √(2x)

Область під y = √(2x) від x = 0 до x = 1 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (параболоїда).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = x

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

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

Дотичну площину до z = 3xy² − 2x² + 3y³ − 2xy у точці, де (x, y) = (−1, −2), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.

f(x, y) = 3xy² − 2x² + 3y³ − 2xy(a, b) = (−1, −2)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−1012(1, 1)(−1, 1)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x³ − 3x + y² − 2y, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = x³ − 3x + y² − 2y
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞CΣ (2/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

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

Функцію f(x) = eˣ наближено в точці x = 1 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 3 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,0005.

f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 0,0005
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = 40/(s² + 7s + 6). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−t + B·e−6t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = 40/(s² + 7s + 6)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 1 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,1).

y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t11h(t)t21

Імпульс x(t) = 1 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 1 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(1) при t = 1 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 2 st = 1 s
y(1) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
10cos(30t)h(t) = 2e−20t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 10·cos(30t) подано на систему з h(t) = 2·e−20tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.

h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 10cos(30t)
φ = °

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,0602 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−20k = -6/-20

Розв’яжіть щодо k

k = ln(-20/-6)/20 = 0,0602 min⁻¹

Відповідь

k = 0,0602 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 10,87

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∫3/x dx = x3

Інтегруйте

(x3y)′ = 6x4 → x3y = 6x5/5 + C

Початкова умова

3 = 6/5 + C → C = 1,8

Обчисліть

y(3) = (6·35/5 + 1,8)/33 = 10,87

Відповідь

y(3) = 10,87
3.Матриці та визначники

Відповідь: c11 = −8

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

c11 = (−3)·3 + (−1)·(−1) = −8

Відповідь

c11 = −8
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 − (3)λ + (−18) = 0

Розв’яжіть

λ = (3 ± √(81))/2 → λ = −3, 6
λ = 6

Відповідь

λ = 6
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: a·b = −18

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 = 0·(−4) + 3·(−2) + (−3)·4 = 0 + (−6) + (−12) = −18

Відповідь

a·b = −18

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

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)z = −28

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.

Векторний добуток покомпонентно

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·(−6) − (−6)·6 = 60
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·2 − (−6)·(−6) = −48
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·6 − (−4)·2 = −28

Потрібна компонента

(a × b)z = −28

Відповідь

(a × b)z = −28

Перевірка: a × b перпендикулярний до обох векторів, тож його скалярний добуток з a і з b дорівнює нулю.

7.Інтеграли

Відповідь: V = 3,142

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∫₀1 2x dx

Інтегруйте

V = π·2·1²/2 = 3,142

Відповідь

V = 3,142
8.Інтеграли

Відповідь: A = 0,04167

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

2x2 = x → x = 0, x = 0,5

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Відповідь

A = 0,04167
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: c = 78

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, −2) = −42
fx = 3y² − 4x − 2y → fx(−1, −2) = 20
fy = 6xy + 9y² − 2x → fy(−1, −2) = 50

Дотична площина

z = −42 + 20(x + 1) + 50(y + 2)
z = 20x + 50y + 78

Сталий член

c = 78

Відповідь

c = 78
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −3

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 − 3) = 0
fy = (2y − 2) = 0
(1, 1), (−1, 1)

Тест другої похідної

(1, 1): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → локальний мінімум
(−1, 1): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → сідлова точка

Значення в екстремумі

f(1, 1) = −3

Відповідь

fmin = −3
11.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ k!/2ᵏ

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 k!/2ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/2 = ∞, розбігається.
B: Σ 1/(k(k + 4)) → Менший за 1/k²: збігається за ознакою порівняння.
C: Σ (2/3)ᵏ → Геометричний з r = 2/3, |r| < 1: збігається.
D: Σ 5ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, збігається.

Відповідь

A: Σ k!/2ᵏ

Відповідь

A: Σ k!/2ᵏ
12.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 7

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)!оцінка013121,5260,53240,12541200,02557200,004167650400,00059527403207,44 × 10⁻⁵

Оцінки для зростаючого n

n = 6: 0,0005952 ≥ 0,0005
n = 7: 7,44 × 10⁻⁵ < 0,0005

Найменший степінь

n = 7

Відповідь

n = 7
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 8

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 + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 6)

Правило закривання

Помножте на (s + 1) і покладіть s = −1: доданок із B зникає.

A = 40/(s + 6) |s = −1 = 40/5 = 8

Відповідь

A = 8
(B = −8, тож f(t) = 8·e−t − 8·e−6t)
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.1) = 0,07452

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

Y(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5))

Простіші дроби

A = 20/(4·5) = 1
B = 20/((−4)·1) = −5
C = 20/((−5)·(−1)) = 4

Виведення

y(t) = 1 − 5·e−4t + 4·e−5t
y(0,1) = 0,07452

Відповідь

y(0,1) = 0,07452
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1) = 1

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, 1] → довжина 1 s

Інтеграл

y(1) = 1·1·1 = 1

Відповідь

y(1) = 1

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 1 і спадає до 0 при t = 3 s.

16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: φ = −56,31 °

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) = 2/(20 + jω)

Фаза на частоті входу

φ = −atan(30/20) = −56,31°

Відповідь

φ = −56,31°

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