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ステップ入力・デルタ入力・畳み込み-標準演習md 2585d77
exercise/math/differential-equations/step-delta-and-convolution.exercise.n.md

ステップ入力にゅうりょく・デルタ入力にゅうりょく・畳たたみ込こみ-標準演習ひょうじゅんえんしゅう

date2026-07-13document_iddoc_9ec9e8215abf85ca9da65ffff0aef334descriptionステップ入力の連続接続、デルタ入力の跳躍、因果的畳み込み、非零初期値応答、単位を確認する演習。prerequisitesステップ関数・デルタ分布・因果的畳み込み / 一階線型と積分因子type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/step-functions-delta-functions-and-convolution.lecture.n.md / data/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md
mathdifferential-equationsexerciselaplaceconvolution
data/lecture/math/differential-equations/step-functions-delta-functions-and-convolution.lecture.n.md

1演習えんしゅうの方針ほうしん

有限ゆうげんなステップ入力にゅうりょくとデルタ入力にゅうりょくを区別くべつし、接続条件せつぞくじょうけん、跳躍条件ちょうやくじょうけん、零状態応答れいじょうたいおうとうと零入力応答れいにゅうりょくおうとうを毎回まいかい確認かくにんする。


2問題もんだい 1

λ>0、a>0 とする。初期値問題しょきちもんだい

y′+λy=FH(t-a),y(0)=0

を解とき、t=a での接続条件せつぞくじょうけんを述のべよ。

2.1解答例かいとうれい

○
y(t)=FλH(t-a)(1-e-λ(t-a)),y(a+)=y(a-)=0.

2.2解説かいせつ

a の前後ぜんごで方程式ほうていしきを積分せきぶんすると、有界ゆうかいな右辺うへんと y の積分せきぶんは区間幅くかんはばとともに 0 へ近ちかづく。したがって y は跳とばず、t>a では y′+λy=F を y(a)=0 から解とく。


3問題もんだい 2

λ>0、a>0、A を定数ていすうとして

y′+λy=Aδ(t-a),y(0)=0

を分布ぶんぷの意味いみで解とき、t=a での跳躍量ちょうやくりょうを求もとめよ。

3.1解答例かいとうれい

○
y(t)=AH(t-a)e-λ(t-a),y(a+)-y(a-)=A.

3.2解説かいせつ

a-ε から a+ε まで積分せきぶんして ε→0 とすると、λy の積分せきぶんは 0 へ近ちかづき、デルタ入力にゅうりょくの総量そうりょう A だけが残のこる。


4問題もんだい 3

h(t)=H(t)e-2t、f(t)=H(t) とする。因果的畳いんがてきたたみ込こみ (h*f)(t) を計算けいさんし、どの初期値問題しょきちもんだいの零状態応答れいじょうたいおうとうかを答こたえよ。

4.1解答例かいとうれい

○
(h*f)(t)=∫0te-2(t-τ)dτ=12(1-e-2t)(t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0).

これは

y′+2y=H(t),y(0)=0

の零状態応答れいじょうたいおうとうである。

4.2解説かいせつ

0<τ<t では H(t-τ)=H(τ)=1 であり、端点たんてんでの値あたいは積分値せきぶんちに影響えいきょうしない。したがって指数関数しすうかんすうだけを積分せきぶんすればよい。


5問題もんだい 4

y′+3y=f(t)、y(0)=y0 とする。インパルス応答おうとうを h(t)=H(t)e-3t として、解かいを零入力応答れいにゅうりょくおうとうと零状態応答れいじょうたいおうとうに分わけて表あらわせ。

5.1解答例かいとうれい

○
y(t)=y0e-3t⏟零入力応答+∫0te-3(t-τ)f(τ)dτ⏟零状態応答.

5.2解説かいせつ

h*f だけで表あらわせるのは初期値しょきちが 0 の応答おうとうである。非零初期値ひれいしょきちでは同次方程式どうじほうていしきから生しょうじる零入力応答れいにゅうりょくおうとうを加くわえる。


6問題もんだい 5

[t]=s、[y]=mol とする。

y′+λy=Aδ(t-a)

で λ、δ(t-a)、A の単位たんいを求もとめよ。

6.1解答例かいとうれい

○
[λ]=s-1,[δ(t-a)]=s-1,[A]=mol.

6.2解説かいせつ

y′ の単位たんいは mol/s である。デルタ入力にゅうりょくを時間積分じかんせきぶんすると A が残のこり、これは y の跳躍量ちょうやくりょうになる。


7問題もんだい 6

a>0 とする。片側かたがわラプラス変換へんかん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{H(t-a)},[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{δ(t-a)}

を求もとめ、2 式しきの違ちがいを説明せつめいせよ。

7.1解答例かいとうれい

○

Res>0 で

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{H(t-a)}=e-ass,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{δ(t-a)}=e-as.

7.2解説かいせつ

ステップ入力にゅうりょくは a 以後いごも持続じぞくするため、

∫a∞e-stdt=e-ass

となる。デルタは台だいが 1 点てんに限かぎられるので、その評価作用ひょうかさようを滑なめらかな重おもみ e-st に適用てきようすると、t=a での値あたい e-as を取とり出だす。デルタの変換へんかんだけならすべての s∈C で意味いみを持もつが、2 式しきを同おなじ範囲はんいで比くらべるため Res>0 とした。

8講義こうぎリンク

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