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) = 4y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = 0. Знайдіть y(1,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 10y(0,25) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 9,25y = 0 при y(0) = 10 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.

y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =46−53B =51−2−2

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c21 (рядок 2, стовпець 1).

A = [4 6; −5 3]B = [5 1; −2 −2]
c21 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =5−3−43b =−78

Розв'яжіть систему 5x − 3y = −7 і −4x + 3y = 8. Знайдіть x.

5x − 3y = −7−4x + 3y = 8
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (6, −5, −4) і b = (−1, −6, −3).

a = (6, −5, −4)b = (−1, −6, −3)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzabc

Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (−3, 5, 5), b = (5, −3, −2) і c = (3, −1, 5).

a = (−3, 5, 5)b = (5, −3, −2)c = (3, −1, 5)
V =
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = 0,5x2​y = 2x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−22∇fP

Для f(x, y) = −2x³y³ − 2x³ + 3y² − xy знайдіть напрямок найшвидшого зростання в (−2, 2) як кут θ від додатної осі x, у градусах між −180° і 180°.

f(x, y) = −2x³y³ − 2x³ + 3y² − xyP = (−2, 2)
θ = °
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy02−1012AB

Позначені точки — критичні точки f(x, y) = x³ + y³ − 3xy. Клікніть сідлову точку.

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy
  1. 1A (0, 0)
  2. 2B (1, 1)
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

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

ak = k!/kᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₄ при (x − 1)⁴ у ряді Тейлора функції f(x) = ∛x у точці a = 1.

f(x) = ∛xa = 1k = 4
c₄ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−105

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 35)/(s² + 4s + 29), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,75).

F(s) = (3s + 35)/(s² + 4s + 29)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 5y′ + 4y = 12·u(t) при y(0) = 1 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 10. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(1,2).

y″ + 5y′ + 4y = 12·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 10t = 1,2 s
y(1.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t24h(t)t1

Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−5tu(t). Знайдіть вихід y(2,5) при t = 2,5 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
10cos(10t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 10·cos(10t) подано на систему з h(t) = 10·e−5tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 10cos(10t)
φ = °

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,5086

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 + 3) = 0 → r = −2, −3

Сталі за початковими значеннями

A + B = 4, −2A − 3B = 0
A = 12, B = −8

Обчисліть

y(1,5) = 12·e−3 + (−8)·e−4,5 = 0,5086

Відповідь

y(1,5) = 0,5086
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.25) = 7,46

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.

Комплексні корені

r = −0,5 ± 3j

Сталі

A = 10, B = 0,5·10/3 = 1,667

Обчисліть

y(0,25) = e−0,125(10·cos 0,75 + 1,667·sin 0,75) = 7,46

Відповідь

y(0,25) = 7,46
3.Матриці та визначники

Відповідь: c21 = −31

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

c21 = (−5)·5 + 3·(−2) = −31

Відповідь

c21 = −31
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 1

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 = 5·3 − (−3)·(−4) = 3

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−7)·3 − (−3)·8 = 3
x = 3/3 = 1

Відповідь

x = 1
y = 4
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: a·b = 36

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 = 6·(−1) + (−5)·(−6) + (−4)·(−3) = (−6) + 30 + 12 = 36

Відповідь

a·b = 36

Додатний: кут між векторами менший за 90°.

6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: V = 84

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−3)·5 − (−2)·(−1) = −17
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−2)·3 − 5·5 = −31
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·(−1) − (−3)·3 = 4

Скалярний добуток з a

a·(b × c) = (−3)·(−17) + 5·(−31) + 5·4 = −84
V = |−84| = 84

Відповідь

V = 84
7.Інтеграли

Відповідь: I = 0,7869

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) = e−0,5x/(−0,5)

Підставте межі

I = (e−0,5 − 1)/(−0,5) = (0,6065 − 1)/(−0,5) = 0,7869

Відповідь

I = 0,7869
8.Інтеграли

Відповідь: A = 5,333

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

0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Відповідь

A = 5,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: θ = 136,6 °

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 = −6x²y³ − 6x² − y → fx(−2, 2) = −218
fy = −6x³y² + 6y − x → fy(−2, 2) = 206

Напрямок

θ = atan2(206, −218) = 136,6°

Відповідь

θ = 136,6°
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: A (0, 0)

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 − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)

Тест другої похідної

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → сідлова точка
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → локальний мінімум

Точка

A (0, 0): сідлова точка

Відповідь

A (0, 0)
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 0,3679

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| = (k/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e

Висновок

L = 0,3679 < 1

Відповідь

L = 0,3679

L < 1, тож ряд збігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₄ = −0,04115

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.

Похідна f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −0,9877·x1/3 − 4

Коефіцієнт

c₄ = −0,9877·11/3 − 4/4! = −0,04115
c₄ = −0,04115

Відповідь

c₄ = −0,04115
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.75) = −1,289

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 + 4s + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

Зіставлення чисельника

F(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (29/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(3·cos 5t + 5,8·sin 5t)
f(0,75) = e−2·0,75·(3·cos(5·0,75) + 5,8·sin(5·0,75)) = −1,289

Відповідь

f(0,75) = −1,289
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(1.2) = 18,43

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 + 5s + 4)·Y(s) = 1s + 5 + 120/s
Y(s) = (s² + 5s + 120)/(s(s + 1)(s + 4))

Простіші дроби

A = 120/(1·4) = 30
B = 116/((−1)·3) = −38,67
C = 116/((−4)·(−3)) = 9,667

Результат

y(t) = 30 − 38,67·e−t + 9,667·e−4t
y(1,2) = 18,43

Відповідь

y(1,2) = 18,43

Перевірка: y(0) = A + B + C = 1.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2.5) = 0,06567

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(2) = (4/5)(1 − e−10) = 0,8

Спад після імпульсу

y(2,5) = 0,8·e−5·0,5 = 0,06567

Відповідь

y(2,5) = 0,06567
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: φ = −63,43 °

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) = 10/(5 + jω)

Фаза на частоті входу

φ = −atan(10/5) = −63,43°

Відповідь

φ = −63,43°

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