工程数学 2:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

微分方程

指数增长/衰减
dy/dt = ky → y = y0ekt
半衰期
k = ln 2 / t½
牛顿冷却定律
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
积分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合槽
dm/dt = r·c − (r/V)·m

矩阵与行列式

2×2 行列式
det = ad − bc
2×2 逆矩阵
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
产品
(AB)ij = Σk AikBkj
特征值
det(A − λI) = 0
克拉默法则
xi = det(Ai)/det(A)

向量:点积和叉积

模
|a| = √(ax² + ay² + az²)
单位向量
û = a/|a|
由角度求分量
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
点积
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a 在 b 上的标量投影
a·b/|b|
功
W = F·d
叉积
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
面积
平行四边形 |a × b|,三角形 ½|a × b|
对 O 的力矩
MO = r × F, r = A − O
平行六面体的体积
V = |a·(b × c)|

方法

  1. 把每个向量都写成分量形式;对于由大小和角度给出的力,用 F·cos θ 和 F·sin θ。
  2. 求长度和方向时,用模 √(x² + y² + z²) 和单位向量 a/|a|。
  3. 求夹角、投影、垂直关系和功时,用点积:a·b = |a||b|cos θ。
  4. 求垂直向量、面积和力矩时,用叉积:仔细写出三个分量,并保持 a × b 的顺序。

积分

幂法则
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定积分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
常用积分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲线间的面积
∫ab (f − g) dx

方法

  1. 尽可能把被积函数改写为简单项之和。
  2. 应用幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1),以及 ex、1/x、sin 和 cos 的基本积分。
  3. 当看到一个函数和它的导数同时出现时,用换元法。
  4. 对于定积分,计算 F(b) − F(a)。

多元微积分

偏导数
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
梯度
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
方向导数
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
切平面
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
链式法则
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
二阶导数检验
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
二重积分
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
极坐标
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

方法

  1. 求偏导数时,把另一个变量当作常数,并使用一元函数的法则。
  2. 梯度类题目要在该点计算 ∇f = (fx, fy);最陡斜率用 |∇f|,方向导数用 ∇f·u,其中 u 是单位向量。
  3. 求极值时联立求解 fx = 0 和 fy = 0,然后用 D = fxx·fyy − fxy² 对每个点分类。
  4. 对于二重积分,画出区域草图,选择积分顺序(圆盘用极坐标),使内层积分限是边界曲线,并先算内层。

数列与级数

等差数列
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
等比数列
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
无穷等比级数
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-级数
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
比值判别法
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
收敛半径
R = lim |ck/ck+1|
泰勒多项式
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
麦克劳林级数
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
拉格朗日误差界
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

方法

  1. 判断类型:等差(公差恒定)、等比(公比恒定)、标准级数、幂级数还是泰勒多项式。
  2. 求和时使用 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2、Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r),或 |r| < 1 时使用 S = a₁/(1 − r),其中 a₁ 是和的第一项。
  3. 判断收敛性:先用通项判别法,再与 Σ1/kᵖ 或等比级数比较,含阶乘和 k 次幂的级数用比值判别法或根值判别法。
  4. 对于泰勒多项式,列出 f(a)、f′(a)、f″(a)、…,把第 k 阶导数除以 k!,并用 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! 估计误差。

卷积与线性时不变系统

离散卷积
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
连续卷积
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
长度与和
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
起点、终点与面积
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
阶跃输入到 e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
一阶系统
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
一阶递推
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
正弦信号通过 h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
傅里叶级数的幅值
方波 ±A:4A/(kπ),k 为奇数;三角波 ±A:8A/(π²k²),k 为奇数;脉冲串:A·D 和 (2A/(kπ))|sin kπD|

方法

  1. 画出两个信号,标明各自在哪里非零。
  2. 把 h 翻转并滑动:对每个输出时刻,找出两个信号的重叠范围。
  3. 只在该重叠范围内相乘并求和(离散),或相乘并积分(连续)。
  4. 检验结果:输出从起始时间之和开始,到结束时间之和结束,其面积或和等于输入面积或和的乘积。

2练习题

1.微分方程中等
tyy(0) = 3y(1) = ?

解 y″ + 6y′ + 9y = 0,其中 y(0) = 3,y′(0) = -1。求 y(1)。

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(1) =
2.微分方程困难
tyK = 5y(0.75) = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 2y′ + 10y = 50,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求 y(0.75);角度以弧度为单位。

y″ + 2y′ + 10y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.矩阵与行列式中等
A =253001−25−3

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [2 5 3; 0 0 1; −2 5 −3]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =3−3−43b =6−1

解方程组 3x − 3y = 6 和 −4x + 3y = −1。求 x。

3x − 3y = 6−4x + 3y = −1
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求 a = (−3, 4, −1) 在 b = (−3, −5, −5) 上的标量投影 compb a,也就是 a 在 b 方向上的分量。

a = (−3, 4, −1)b = (−3, −5, −5)
compb a =
6.向量:点积和叉积困难
xyzab

单位向量 n̂ 与 a = (−3, −4, 0) 和 b = (4, −5, 5) 都垂直,且 z 分量为正。求它的 y 分量 n̂y。

a = (−3, −4, 0)b = (4, −5, 5)n̂z > 0
n̂y =
7.积分中等
xy02

计算 I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
8.积分困难
xy1y = x²eˣ

计算 I = ∫₀1 x²·eˣ dx。

∫₀1 x²eˣ dx
I =
9.多元微积分中等
xy2−2∇fP

对于 f(x, y) = 2xy³ + 4x² − 5y² − 4xy,求 f 在点 (2, −2) 处的最大变化率,即 |∇f|。

f(x, y) = 2xy³ + 4x² − 5y² − 4xyP = (2, −2)
|∇f| =
10.多元微积分困难
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

求 f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy 的临界点,对它们分类,并给出 f 在其局部极小值处的值 fmin。

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
11.数列与级数中等
xx₀ = 0??R

求幂级数 Σk=1∞ k²·2ᵏ·xᵏ 的收敛半径 R。

Σ k²·2ᵏ·xᵏx₀ = 0
R =
12.数列与级数困难

f(x) = cos x 在 x = 0.3 处用其 2 次麦克劳林多项式近似。用拉格朗日误差界 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!(M = 1)求最大可能误差 |R₂|。

f(x) = cos xn = 2x = 0.3M = 1
|R₂| =
13.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = 7/(s² + 10s + 16)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−2t + B·e−8t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = 7/(s² + 10s + 16)
A =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

某系统满足 y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t),y(0) = 1,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.1)。

y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.1 s
y(0.1) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t4h(t)t1

输入 x(t) = 4·e−4tu(t) 加到 h(t) = e−5tu(t) 的系统上。求 t = 0.5 s 时的输出 y(0.5)。

x(t) = 4·e−4tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
16.卷积与线性时不变系统困难
10cos(10t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 10·cos(10t) 加到 h(t) = 5·e−10tu(t) 的系统上。求稳态输出的幅值 Ym。

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

3溶液

1.微分方程

答案: y(1) = 0.5477

二阶线性方程:对 y″ + b·y′ + c·y = 0,试 y = ert:得到特征方程 r² + b·r + c = 0。两个不等实根 r₁ ≠ r₂ 给出 y = A·er₁t + B·er₂t(过阻尼);二重根 r 给出 y = (A + Bt)·ert(临界阻尼);复根 −α ± jω 给出 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(欠阻尼,振荡)。初值 y(0) 和 y′(0) 决定 A 和 B。写成 y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 时,ωn 是固有频率,ζ 是阻尼比:ζ < 1 时振荡。在常值输入下,y″ + by′ + cy = c·K 的解是稳态值 K 加上自由响应。

二重根

(r + 3)² = 0 → r = −3

常数

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 9 = 8

求值

y(1) = (3 + 8·1)·e−3 = 0.5477

答案

y(1) = 0.5477
2.微分方程

答案: y(0.75) = 5.871

二阶线性方程:对 y″ + b·y′ + c·y = 0,试 y = ert:得到特征方程 r² + b·r + c = 0。两个不等实根 r₁ ≠ r₂ 给出 y = A·er₁t + B·er₂t(过阻尼);二重根 r 给出 y = (A + Bt)·ert(临界阻尼);复根 −α ± jω 给出 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(欠阻尼,振荡)。初值 y(0) 和 y′(0) 决定 A 和 B。写成 y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 时,ωn 是固有频率,ζ 是阻尼比:ζ < 1 时振荡。在常值输入下,y″ + by′ + cy = c·K 的解是稳态值 K 加上自由响应。

稳态值与根

yss = 5, r = −1 ± 3j

由初值求常数

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −1.667

求值

y(0.75) = 5·(1 − e−0.75(cos 2.25 + 0.3333·sin 2.25)) = 5.871

答案

y(0.75) = 5.871
3.矩阵与行列式

答案: det A = −20

矩阵:2×2 矩阵的行列式为 ad − bc。对于 3×3,按某一行展开:每个元素乘以划去其所在行和列后剩下的 2×2 矩阵的行列式,符号按 + − + 交替。特征值 λ 满足 det(A − λI) = 0;对于 2×2,即 λ² −(迹)·λ + det = 0。

第一行的 2×2 余子式

M₁₁ = −5, M₁₂ = 2, M₁₃ = 0

代数余子式展开

det A = 2·(−5) − 5·2 + 3·0 = −20

答案

det A = −20
4.矩阵与行列式

答案: x = −5

矩阵:2×2 矩阵的行列式为 ad − bc。对于 3×3,按某一行展开:每个元素乘以划去其所在行和列后剩下的 2×2 矩阵的行列式,符号按 + − + 交替。特征值 λ 满足 det(A − λI) = 0;对于 2×2,即 λ² −(迹)·λ + det = 0。

系数矩阵的行列式

det A = 3·3 − (−3)·(−4) = −3

替换 x 列

det Aₓ = 6·3 − (−3)·(−1) = 15
x = 15/(−3) = −5

答案

x = −5
y = −7
5.向量:点积和叉积

答案: compb a = −0.7811

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.

点积

a·b = (−3)·(−3) + 4·(−5) + (−1)·(−5) = −6

b 的长度

|b| = √((−3)² + (−5)² + (−5)²) = 7.681

标量投影

compb a = a·b/|b| = −6/7.681 = −0.7811

答案

compb a = −0.7811

为负:a 有一个与 b 方向相反的分量。

6.向量:点积和叉积

答案: n̂y = 0.3767

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.

叉积

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·5 − 0·(−5) = −20
(a × b)y = azbx − axbz = 0·4 − (−3)·5 = 15
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·(−5) − (−4)·4 = 31

归一化

a × b 的 z 分量已经为正。

|a × b| = √((−20)² + 15² + 31²) = 39.82
n̂ = (−20, 15, 31)/39.82 = (−0.5022, 0.3767, 0.7784)
n̂y = 0.3767

答案

n̂y = 0.3767
7.积分

答案: I = 156

定积分:∫ₐᵇ f(x) dx 是从 a 到 b 图像与 x 轴之间的有向面积。求一个原函数 F(F′ = f),再计算 F(b) − F(a)。幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。两条曲线之间的面积为 ∫(上 − 下) dx。

换元

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

积分并代入上下限

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

答案

I = 156
8.积分

答案: I = 0.7183

分部积分:∫u·dv = u·v − ∫v·du,由乘积法则得出。把 u 选为求导后会变简单的因式(x 的幂或 ln x),把 dv 选为你能积分的因式(eˣ、sin x、cos x,或 u = ln x 时的 x)。对定积分,要在两个上下限处计算 u·v:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。含 x² 的因式需要做两轮。

第一轮

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

第二轮

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

极限

2.718·(1) − 1·2 = 0.7183

答案

I = 0.7183
9.多元微积分

答案: |∇f| = 60.53

梯度:∇f = (fx, fy) 指向最陡上升的方向,|∇f| 是最大变化率。沿方向 v 的方向导数为 Duf = ∇f·u,其中单位向量 u = v/|v|。在 (a, b) 处的切平面为 z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b);它给出 f 在该点附近的线性近似。链式法则:dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt。

偏导数

fx = 2y³ + 8x − 4y → fx(2, −2) = 8
fy = 6xy² − 10y − 4x → fy(2, −2) = 60

梯度的长度

|∇f| = √(8² + 60²) = 60.53

答案

|∇f| = 60.53
10.多元微积分

答案: fmin = −32

临界点与二重积分:临界点满足 fx = fy = 0。用 D = fxxfyy − fxy² 做二阶导数检验:D > 0 且 fxx > 0 为局部极小值,D > 0 且 fxx < 0 为局部极大值,D < 0 为鞍点,D = 0 无法判断。对于一般区域上的二重积分,内层积分限取为围成该区域的曲线;对于圆盘和扇形,使用极坐标 x = r cos θ,y = r sin θ,dA = r dr dθ(不要忘了因子 r)。

临界点

联立求解 fx = 0 和 fy = 0。

fx = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

二阶导数检验

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → 鞍点
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → 局部极小值
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → 局部极小值

极值处的值

f(2, 2) = −32

答案

fmin = −32
11.数列与级数

答案: R = 0.5

收敛性:如果各项不趋于 0,级数发散(通项判别法)。Σ1/kᵖ 仅当 p > 1 时收敛,Σrᵏ 仅当 |r| < 1 时收敛。当一个级数的项在 k 很大时与这些级数的项相近时,可与之比较。比值判别法:L = lim |ak+1/ak|;根值判别法:L = lim |ak|1/k。L < 1 收敛,L > 1 发散,L = 1 无法判断。幂级数 Σck(x − x₀)ᵏ 在 |x − x₀| < R 时收敛,其中 R = lim |ck/ck+1|;项递减趋于 0 的交错级数收敛。

系数

ck/ck+1 = (1/2)·(k/(k + 1))² → 1/2

半径

R = 0.5

答案

R = 0.5

比值判别法对两个端点没有结论;必须单独检验它们。

12.数列与级数

答案: |R₂| = 0.0045

泰勒多项式:在 x = a 附近,光滑函数可用 Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! 近似;当 a = 0 时这就是麦克劳林多项式。标准级数: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。拉格朗日误差界:|f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!,其中 M 是 |f⁽ⁿ⁺¹⁾| 在 a 与 x 之间的最大值。

导数的上界

M = 1

拉格朗日误差界

|R₂| ≤ 1·0.3³/3! = 0.0045

答案

|R₂| = 0.0045

真实误差更小:|f(0.3) − P₂(0.3)| = 0.0003365。

13.拉普拉斯变换

答案: A = 1.167

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对: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);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分解分母

s² + 10s + 16 = (s + 2)(s + 8)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 8)

遮盖法

乘以 (s + 2) 并令 s = −2:B 项消失。

A = 7/(s + 8) |s = −2 = 7/6 = 1.167

答案

A = 1.167
(B = −1.167,所以 f(t) = 1.167·e−2t − 1.167·e−8t)
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 2.416

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对: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);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

(s² + 9s + 20)·Y(s) = 1s + 9 + 400/s
Y(s) = (s² + 9s + 400)/(s(s + 4)(s + 5))

部分分式

A = 400/(4·5) = 20
B = 380/((−4)·1) = −95
C = 380/((−5)·(−1)) = 76

结果

y(t) = 20 − 95·e−4t + 76·e−5t
y(0.1) = 2.416

答案

y(0.1) = 2.416

检验:y(0) = A + B + C = 1。

15.卷积与线性时不变系统

答案: y(0.5) = 0.213

连续卷积:y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ。把 h 翻转,平移到位置 t,对重叠部分的乘积积分。对因果信号,积分从 0 到 t。有用的结论:y 的面积等于 x 的面积乘以 h 的面积;若 x 持续时间从 t₁ 到 t₂,h 从 t₃ 到 t₄,则 y 持续时间从 t₁ + t₃ 到 t₂ + t₄。对于 h(t) = e−atu(t) 和高度为 A 的阶跃,y(t) = (A/a)(1 − e−at)。

卷积积分

y(t) = 4e−5t∫₀ᵗ e−(4 − 5)τ dτ = 4(e−5t − e−4t)/(−1)

求值

y(0.5) = 4·(0.08208 − 0.1353)/(−1) = 0.213

答案

y(0.5) = 0.213
16.卷积与线性时不变系统

答案: Ym = 3.536

冲激响应与傅里叶级数:冲激响应 h(t) 完全描述一个线性时不变系统:对于 y′ + a·y = b·x,h(t) = b·e−atu(t);对于 y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n],h[n] = b·aⁿu[n]。正弦信号 cos ωt 通过系统时,增益为 |H(jω)|,相位为 ∠H(jω),其中 H 是 h 的傅里叶变换。周期信号是频率为 k/T 的各次谐波之和:幅值 ±A 的方波只含奇次谐波,幅值为 4A/(kπ);峰值为 A 的三角波的谐波幅值为 8A/(π²k²);高度为 A、占空比为 D 的脉冲串,其平均值为 A·D,谐波为 (2A/(kπ))·|sin(kπD)|。

频率响应

H(jω) = 5/(10 + jω)

输入频率处的增益

|H(j10)| = 5/√(10² + 10²) = 0.3536
Ym = 10·0.3536 = 3.536

答案

Ym = 3.536

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