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) = 2y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 2y′ + y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 0. Знайдіть y(1,5).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 2y(0,25) = ?

Система підпорядковується y″ + y′ + 16,25y = 32,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.

y″ + y′ + 16,25y = 32,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =−2510B =−666−5

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

A = [−2 5; 1 0]B = [−6 6; 6 −5]
c21 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−14−1−3b =28

Розв'яжіть систему −x + 4y = 2 і −x − 3y = 8. Знайдіть x.

−x + 4y = 2−x − 3y = 8
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (4, 0, 1) і b = (k, −5, 4) перпендикулярні.

a = (4, 0, 1)b = (k, −5, 4)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (−6, 5, −6) і b = (6, 0, 2) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.

a = (−6, 5, −6)b = (6, 0, 2)
(a × b)z =
7.ІнтегралиСередня
xy1y = x·sin x

Обчисліть I = ∫₀1 x·sin x dx (x у радіанах).

∫₀1 x·sin x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
xyy = x2​y = 3x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = x2 і y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = 2x³y − 4x³ + 5y², де x = 3t і y = t² + 1. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 1.

z = 2x³y − 4x³ + 5y²x = 3ty = t² + 1t = 1
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy05−2024(0, 0)(3, 3)

f(x, y) = x³ + y³ − 9xy має критичну точку в (3, 3). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ + y³ − 9xyP = (3, 3)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 1/k³k = 1 … ∞CΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 1/k³C: Σ (3/4)ᵏD: Σ (k + 2)/k²
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 1/k³
  3. 3C: Σ (3/4)ᵏ
  4. 4D: Σ (k + 2)/k²
12.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = cos x наближено многочленом Маклорена степеня 3 у точці x = 0,8. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₃|.

f(x) = cos xn = 3x = 0,8M = 1
|R₃| =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−1024

Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 18)/(s² + 8s + 32), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,1).

F(s) = (2s + 18)/(s² + 8s + 32)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 2 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,6).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 2t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t−10h(t)t−10

Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −1 s і t = 0 s, а h(t) — лише між t = −1 s і t = 0 s. Знайдіть тривалість D сигналу y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −1 … 0 sh: −1 … 0 s
D = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]3+y[n]0,5·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[4].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 1,116

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.

Подвійний корінь

(r + 1)² = 0 → r = −1

Сталі

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 0 + 2 = 2

Обчисліть

y(1,5) = (2 + 2·1,5)·e−1,5 = 1,116

Відповідь

y(1,5) = 1,116
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.25) = 0,8607

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 = 2, r = −0,5 ± 4j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,25

Обчисліть

y(0,25) = 2·(1 − e−0,125(cos 1 + 0,125·sin 1)) = 0,8607

Відповідь

y(0,25) = 0,8607
3.Матриці та визначники

Відповідь: c21 = −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.

Рядок на стовпець

c21 = 1·(−6) + 0·6 = −6

Відповідь

c21 = −6
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = −5,429

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 = (−1)·(−3) − 4·(−1) = 7

Замініть стовпець x

det Aₓ = 2·(−3) − 4·8 = −38
x = −38/7 = −5,429

Відповідь

x = −5,429
y = −0,8571
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −1

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 = 4·k + 0·(−5) + 1·4 = 0
4 + 4·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −4/4 = −1

Відповідь

k = −1
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)z = −30

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 = 5·2 − (−6)·0 = 10
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·6 − (−6)·2 = −24
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·0 − 5·6 = −30

Потрібна компонента

(a × b)z = −30

Відповідь

(a × b)z = −30

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

7.Інтеграли

Відповідь: I = 0,3012

Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.

Оберіть u та dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Первісна

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Границі

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Відповідь

I = 0,3012
8.Інтеграли

Відповідь: A = 4,5

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 = 3x → x = 0, x = 3

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Відповідь

A = 4,5
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = 148

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.

Точка і швидкості

x(1) = 3, y(1) = 2
dx/dt = 3, dy/dt = 2t = 2

Частинні похідні

fx = 6x²y − 12x² = 0
fy = 2x³ + 10y = 74

Ланцюгове правило

dz/dt = 0·3 + 74·2 = 148

Відповідь

dz/dt = 148
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: D = 243

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).

Другі похідні

fxx = 18, fyy = 18, fxy = −9

Дискримінант

D = 18·18 − (−9)² = 243
→ локальний мінімум

Відповідь

D = 243
11.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ (k + 2)/k²

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 (−1)ᵏ/√k → Знакозмінний, із 1/√k, що спадає до 0: збігається (умовно).
B: Σ 1/k³ → p-ряд з p = 3 > 1: збігається.
C: Σ (3/4)ᵏ → Геометричний з r = 3/4, |r| < 1: збігається.
D: Σ (k + 2)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

D: Σ (k + 2)/k²

Відповідь

D: Σ (k + 2)/k²
12.Послідовності та ряди

Відповідь: |R₃| = 0,01707

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.

Оцінка похідної

M = 1

Оцінка Лагранжа

|R₃| ≤ 1·0,8⁴/4! = 0,01707

Відповідь

|R₃| = 0,01707

Справжня похибка менша: |f(0,8) − P₃(0,8)| = 0,01671.

13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.1) = 1,887

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 + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Зіставлення чисельника

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (10/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Обернене перетворення

f(t) = e−4t·(2·cos 4t + 2,5·sin 4t)
f(0,1) = e−4·0,1·(2·cos(4·0,1) + 2,5·sin(4·0,1)) = 1,887

Відповідь

f(0,1) = 1,887
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.6) = 1,105

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 − 2s − 2 + 7(sY − 2) + 10Y = 0
Y(s) = (2s + 16)/((s + 2)(s + 5))

Простіші дроби

A = 12/3 = 4
B = 6/(−3) = −2

Результат

y(t) = 4·e−2t − 2·e−5t
y(0,6) = 1,105

Відповідь

y(0,6) = 1,105

Перевірка: y(0) = A + B = 2.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: D = 2 s

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).

Початок і кінець

tstart = −1 + (−1) = −2 s
tend = 0 + 0 = 0 s

Відповідь

D = 2 s

Відповідь

D = 2 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[4] = 5,813

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] = 3
y[1] = 4,5
y[2] = 5,25
y[3] = 5,625
y[4] = 5,813

Результат

y[4] = 3·(1 − (0,5)5)/(1 − 0,5) = 5,813

Відповідь

y[4] = 5,813

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