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(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 4y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 4. Знайдіть y(2).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Розв’яжіть y″ + y′ + 25,25y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1,5); кути в радіанах.

y″ + y′ + 25,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
A =54−43B =6−4−62

Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).

A = [5 4; −4 3]B = [6 −4; −6 2]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
A =−5−35−5b =−12

Розв'яжіть систему −5x − 3y = −1 і 5x − 5y = 2. Знайдіть x.

−5x − 3y = −15x − 5y = 2
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (−4, 3, −3) і b = (6, k, 6) перпендикулярні.

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

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (1, 5, −2) і b = (−3, −5, −5) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його x-компоненту n̂x.

a = (1, 5, −2)b = (−3, −5, −5)n̂z > 0
n̂x =
7.ІнтегралиСередня
xy01

Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
xy2y = 6xy = 3x²

Область між прямою y = 6x і параболою y = 3x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 6xy = 3x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = xe−y, де x = t і y = −2t² + 1. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 0.

z = xe−yx = ty = −2t² + 1t = 0
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−202−202(2, 0)(−2, 0)

Знайдіть критичні точки f(x, y) = x³ − 12x + y², класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.

f(x, y) = x³ − 12x + y²
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ kᵏ/(3ᵏ·k!). Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.

ak = kᵏ/(3ᵏ·k!)
L =
12.Послідовності та рядиСкладна

Знайдіть коефіцієнт c₂ при (x − 4)² у ряді Тейлора функції f(x) = √x у точці a = 4.

f(x) = √xa = 4k = 2
c₂ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm5

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 12)/(s² + 2s + 26), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,4).

F(s) = (3s + 12)/(s² + 2s + 26)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t) при y(0) = 2 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 5. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t0,52h(t)t1

Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 0.5 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) = 2, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
δ(t)y′ + 0,5y = 10xh(t)

Система описується рівнянням y′(t) + 0,5·y(t) = 10·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 2 s, h(2).

y′ + 0,5y = 10xt = 2 s
h(2) =

3Розчини

1.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,3297

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 + 2)² = 0 → r = −2

Сталі

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 4 = 8

Обчисліть

y(2) = (2 + 8·2)·e−4 = 0,3297

Відповідь

y(2) = 0,3297
2.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1.5) = 0,6241

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 ± 5j

Сталі

A = 3, B = 0,5·3/5 = 0,3

Обчисліть

y(1,5) = e−0,75(3·cos 7,5 + 0,3·sin 7,5) = 0,6241

Відповідь

y(1,5) = 0,6241
3.Матриці та визначники

Відповідь: c22 = 22

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

c22 = (−4)·(−4) + 3·2 = 22

Відповідь

c22 = 22
4.Матриці та визначники

Відповідь: x = 0,275

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)·(−5) − (−3)·5 = 40

Замініть стовпець x

det Aₓ = (−1)·(−5) − (−3)·2 = 11
x = 11/40 = 0,275

Відповідь

x = 0,275
y = −0,125
5.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = 14

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)·6 + 3·k + (−3)·6 = 0
−42 + 3·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−42)/3 = 14

Відповідь

k = 14
6.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂x = −0,9204

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

(a × b)x = aybz − azby = 5·(−5) − (−2)·(−5) = −35
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·(−3) − 1·(−5) = 11
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−5) − 5·(−3) = 10

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √((−35)² + 11² + 10²) = 38,03
n̂ = (−35, 11, 10)/38,03 = (−0,9204, 0,2893, 0,263)
n̂x = −0,9204

Відповідь

n̂x = −0,9204
7.Інтеграли

Відповідь: I = 3,75

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.

Заміна змінної

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75

Відповідь

I = 3,75
8.Інтеграли

Відповідь: V = 120,6

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.

Точки перетину

6x = 3x² → x = 0, x = 2

Метод шайб

V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6

Відповідь

V = 120,6
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = 0,3679

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(0) = 0, y(0) = 1
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = 0

Частинні похідні

fx = 1·e−y = 0,3679
fy = −xe−y = 0

Ланцюгове правило

dz/dt = 0,3679·1 + 0·0 = 0,3679

Відповідь

dz/dt = 0,3679
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: fmin = −16

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 − 12) = 0
fy = (2y) = 0
(2, 0), (−2, 0)

Тест другої похідної

(2, 0): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → локальний мінімум
(−2, 0): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → сідлова точка

Значення в екстремумі

f(2, 0) = −16

Відповідь

fmin = −16
11.Послідовності та ряди

Відповідь: L = 0,9061

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/3 → e/3

Висновок

L = 0,9061 < 1

Відповідь

L = 0,9061

L < 1, тож ряд збігається.

12.Послідовності та ряди

Відповідь: c₂ = −0,01563

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2

Коефіцієнт

c₂ = −0,25·41/2 − 2/2! = −0,01563
c₂ = −0,01563

Відповідь

c₂ = −0,01563
13.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.4) = 0,2603

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 + 2s + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²

Зіставлення чисельника

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 5²) + (9/5)·5/((s + 1)² + 5²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(3·cos 5t + 1,8·sin 5t)
f(0,4) = e−0,4·(3·cos(5·0,4) + 1,8·sin(5·0,4)) = 0,2603

Відповідь

f(0,4) = 0,2603
14.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 2,747

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 + 8s + 15)·Y(s) = 2s + 16 + 75/s
Y(s) = (2s² + 16s + 75)/(s(s + 3)(s + 5))

Простіші дроби

A = 75/(3·5) = 5
B = 45/((−3)·2) = −7,5
C = 45/((−5)·(−2)) = 4,5

Результат

y(t) = 5 − 7,5·e−3t + 4,5·e−5t
y(0,25) = 2,747

Відповідь

y(0,25) = 2,747

Перевірка: y(0) = A + B + C = 2.

15.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2.5) = 1,667 × 10⁻⁵

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(0,5) = (2/5)(1 − e−2,5) = 0,3672

Спад після імпульсу

y(2,5) = 0,3672·e−5·2 = 1,667 × 10⁻⁵

Відповідь

y(2,5) = 1,667 × 10⁻⁵
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: h(2) = 3,679

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)|.

Передатна функція

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 0,5)

Імпульсна характеристика

h(t) = 10·e−0,5tu(t)
h(2) = 10·e−1 = 3,679

Відповідь

h(2) = 3,679

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