В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.
1Формулы и методы
Дифференциальные уравнения
Экспоненциальный рост/убывание
dy/dt = ky → y = y0ekt
Период полураспада
k = ln 2 / t½
Закон охлаждения Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Интегрирующий множитель
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак смешения
dm/dt = r·c − (r/V)·m
Матрицы и определители
определитель 2×2
det = ad − bc
Обратная матрица 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Собственные значения
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)
Векторы: скалярное и векторное произведения
Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Единичный вектор
û = a/|a|
Компоненты по углу
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярное произведение
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярная проекция a на b
a·b/|b|
Работа
W = F·d
Векторное произведение
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площади
параллелограмм |a × b|, треугольник ½|a × b|
Момент относительно O
MO = r × F, r = A − O
Объём параллелепипеда
V = |a·(b × c)|
Метод
Записывайте каждый вектор в компонентах; для силы, заданной модулем и углом, используйте F·cos θ и F·sin θ.
Для длин и направлений используйте модуль √(x² + y² + z²) и единичный вектор a/|a|.
Скалярное произведение применяйте для углов, проекций, перпендикулярности и работы: a·b = |a||b|cos θ.
Векторное произведение применяйте для перпендикулярных векторов, площадей и моментов: аккуратно записывайте три компоненты, сохраняя порядок a × b.
Интегралы
Производная степени
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Определённый интеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми
∫ab (f − g) dx
Метод
Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для ex, 1/x, sin и cos.
Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
Для определённого интеграла вычислите F(b) − F(a).
Математический анализ функций нескольких переменных
Частные производные
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градиент
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Производная по направлению
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Касательная плоскость
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Цепное правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест по вторым производным
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Двойной интеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярные координаты
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Метод
Для частной производной считайте другую переменную константой и используйте правила для одной переменной.
В задачах на градиент вычислите ∇f = (fx, fy) в точке; используйте |∇f| для наибольшего наклона и ∇f·u с единичным вектором u для производной по направлению.
Для экстремумов решите fx = 0 и fy = 0 совместно, затем классифицируйте каждую точку по D = fxx·fyy − fxy².
Для двойного интеграла нарисуйте область, выберите порядок (или полярные координаты для кругов) так, чтобы пределы внутреннего интеграла были ограничивающими кривыми, и интегрируйте сначала внутренний.
Последовательности и ряды
Арифметическая прогрессия
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрическая прогрессия
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Бесконечный геометрический ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Признак Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радиус сходимости
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 + …
Оценка Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
Метод
Определите тип: арифметическая (постоянная разность), геометрическая (постоянное отношение), стандартный ряд, степенной ряд или многочлен Тейлора.
Для сумм используйте Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) или S = a₁/(1 − r) при |r| < 1, где a₁ — первый член суммы.
Для сходимости: сначала признак n-го члена, затем сравнение с Σ1/kᵖ или с геометрическим рядом, а для факториалов и k-х степеней используйте признак Даламбера или радикальный признак Коши.
Для многочленов Тейлора выпишите f(a), f′(a), f″(a), …, разделите k-ю производную на k! и оцените погрешность по M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Нарисуйте оба сигнала и отметьте, где каждый из них отличен от нуля.
Отразите h и сдвигайте её: для каждого момента выхода найдите диапазон, где оба сигнала перекрываются.
Перемножайте и складывайте (дискретный случай) или перемножайте и интегрируйте (непрерывный случай) только на этом перекрытии.
Проверьте результат: выход начинается в сумме моментов начала, заканчивается в сумме моментов окончания, а его площадь или сумма равна произведению площадей или сумм входов.
2Тренировочные задачи
1.Дифференциальные уравненияСредняя
Банку газировки температурой 6 °C достали из холодильника в комнату при 24 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,08 min⁻¹ найдите температуру T через 21 min.
T0 = 6 °CTa = 24 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 21 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 18,25y = 36,5 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(1,5); углы в радианах.
y″ + 3y′ + 18,25y = 36,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c12 (строка 1, столбец 2).
A = [−6 −3; 3 −6]B = [−1 −2; 0 −3]
c12 =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему 5x + 3y = −2 и 2x − y = 8. Найдите x.
5x + 3y = −22x − y = 8
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (3, 1, 0) и b = (3, −3, −6) в градусах.
a = (3, 1, 0)b = (3, −3, −6)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Сила F = (−60, −20, 20) N действует в точке A(−4, −3, 2). Координаты даны в метрах. Найдите модуль |M| момента силы относительно точка O(0, 0, 2).
F = (−60, −20, 20) NA(−4, −3, 2) mO(0, 0, 2) m
|M| = N·m
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫03 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 3]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 4 − x² и осью x.
y = 4 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Используйте касательную плоскость к f(x, y) = 2x²y² − 5x² − 5y² + 2xy в точке (−2, 1), чтобы приблизить f(−2,2, 0,8). Укажите линейное приближение L.
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Найдите критические точки функции f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy, классифицируйте их и укажите значение fmin функции f в её локальном минимуме.
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
fmin =
11.Последовательности и рядыСредняя
Степенной ряд Σk=1∞ (1/2)ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1) сходится на интервале вокруг x₀ = 3. Найдите правый конец x этого интервала.
Σ (1/2)ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1)x₀ = 3
x =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = sin x приближается её многочленом Маклорена степени 2 в точке x = 1. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 1, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₂|.
f(x) = sin xn = 2x = 1M = 1
|R₂| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (4s + 36)/(s² + 10s + 24). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−4t + B·e−6t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (4s + 36)/(s² + 10s + 24)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 9y′ + 20y = 0 при y(0) = −3 и y′(0) = 13 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,1).
y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = −3y′(0) = 13t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 1 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 1 при 0 ≤ t < 4 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(0,5) при t = 0,5 s.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 0,5 s
y(0.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] и начинает с состояния покоя. Найдите отсчёт h[2] её импульсной характеристики.
y[n] = 0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 20,65 °C
Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.
Решение закона охлаждения
T(t) = 24 + (−18)·e−0,08t
Подставьте t
T(21) = 24 + (−18)·0,1864 = 20,65 °C
Ответ
T = 20,65 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 1,82
Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.
Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.
Строка на столбец
c12 = (−6)·(−2) + (−3)·(−3) = 21
Ответ
c12 = 21
4.Матрицы и определители
Ответ: x = 2
Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.
Определитель матрицы коэффициентов
det A = 5·(−1) − 3·2 = −11
Замените столбец x
det Aₓ = (−2)·(−1) − 3·8 = −22
x = −22/(−11) = 2
Ответ
x = 2
y = −4
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 75,04 °
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.
Скалярное произведение
a·b = 3·3 + 1·(−3) + 0·(−6) = 6
Модули
|a| = √(3² + 1² + 0²) = 3,162
|b| = √(3² + (−3)² + (−6)²) = 7,348
Угол
cos θ = 6/(3,162·7,348) = 0,2582
θ = arccos(0,2582) = 75,04°
Ответ
θ = 75,04°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: |M| = 141,4 N·m
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.
Радиус-вектор из O в A
r = A − O = (−4, −3, 2) − (0, 0, 2) = (−4, −3, 0) m
Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.
Первообразная
F(x) = e2x/2
Подставьте пределы
I = (e6 − 1)/2 = (403,4 − 1)/2 = 201,2
Ответ
I = 201,2
8.Интегралы
Ответ: A = 10,67
Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.
Нули
4 − x² = 0 → x = ±2
Интегрируйте
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Ответ
A = 10,67
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: L = −24,2
Градиент: ∇f = (fx, fy) указывает направление наискорейшего роста, а |∇f| — наибольшая скорость изменения. Производная по направлению v равна Duf = ∇f·u, где единичный вектор u = v/|v|. Касательная плоскость в точке (a, b) задаётся уравнением z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); она даёт линейное приближение f вблизи этой точки. Цепное правило: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Значение и наклоны в точке
f(−2, 1) = −21
fx = 4xy² − 10x + 2y → fx(−2, 1) = 14
fy = 4x²y − 10y + 2x → fy(−2, 1) = 2
Касательная плоскость
z = −21 + 14(x + 2) + 2(y − 1)
z = 14x + 2y + 5
Линейное приближение
L = −21 + 14·(−0,2) + 2·(−0,2) = −24,2
Ответ
L = −24,2
Точное значение равно f = −24,7248; плоскость близка, потому что шаг мал.
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: fmin = −2
Критические точки и двойные интегралы: в критической точке fx = fy = 0. Тест по вторым производным с D = fxxfyy − fxy²: D > 0 и fxx > 0 — локальный минимум, D > 0 и fxx < 0 — локальный максимум, D < 0 — седловая точка, а D = 0 ничего не решает. Для двойного интеграла по произвольной области пусть пределы внутреннего интеграла будут кривыми, ограничивающими область; для кругов и секторов используйте полярные координаты, x = r cos θ, y = r sin θ и dA = r dr dθ (не забывайте множитель r).
Критические точки
Решите fx = 0 и fy = 0 совместно.
fx = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)
Тест по вторым производным
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → седловая точка
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальный минимум
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → локальный минимум
Значение в экстремуме
f(1, 1) = −2
Ответ
fmin = −2
11.Последовательности и ряды
Ответ: x = 5
Сходимость: если члены не стремятся к 0, ряд расходится (необходимый признак сходимости, признак n-го члена). Σ1/kᵖ сходится только при p > 1, а Σrᵏ — только при |r| < 1. Сравнивайте ряд с одним из них, когда его члены при больших k ведут себя так же. Признак Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; радикальный признак Коши: L = lim |ak|1/k. При L < 1 ряд сходится, при L > 1 расходится, при L = 1 вывода нет. Степенной ряд Σck(x − x₀)ᵏ сходится при |x − x₀| < R, где R = lim |ck/ck+1|; знакочередующийся ряд с членами, убывающими к 0, сходится.
Коэффициенты
ck/ck+1 = (1/(1/2))·(k + 2)/(k + 1) → 2
Радиус
R = 2
Интервал
1 < x < 5
x = 5
Ответ
x = 5
В двух конечных точках признак Даламбера ничего не говорит; их нужно проверять отдельно.
12.Последовательности и ряды
Ответ: |R₂| = 0,1667
Многочлены Тейлора: вблизи x = a гладкая функция приближается многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; при a = 0 это многочлен Маклорена. Стандартные ряды: 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. Оценка остатка по Лагранжу: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, где M — наибольшее значение |f⁽ⁿ⁺¹⁾| между a и x.
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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 сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Разложение знаменателя на множители
s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 4) и положите s = −4: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (4s + 36)/(s + 6) |s = −4 = 20/2 = 10
Ответ
A = 10
(B = −6, поэтому f(t) = 10·e−4t − 6·e−6t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = −1,947
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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 сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
s²Y − (−3)s − 13 + 9(sY − (−3)) + 20Y = 0
Y(s) = (−3s − 14)/((s + 4)(s + 5))
Простые дроби
A = −2/1 = −2
B = 1/(−1) = −1
Результат
y(t) = −2·e−4t − e−5t
y(0,1) = −1,947
Ответ
y(0,1) = −1,947
Проверка: y(0) = A + B = −3.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(0.5) = 2
Непрерывная свёртка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Отразите h, сдвиньте в положение t и проинтегрируйте произведение перекрывающихся частей. Для причинных сигналов интеграл берётся от 0 до t. Полезные факты: площадь y равна площади x, умноженной на площадь h; если x длится от t₁ до t₂, а h — от t₃ до t₄, то y длится от t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) и ступеньки высотой A получаем y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Перекрытие отражённого импульса
h(t − τ) — это импульс h, отражённый и сдвинутый так, что он заканчивается в точке τ = t.
τ ∈ [0, 0,5] → длина 0,5 s
Интеграл
y(0,5) = 4·1·0,5 = 2
Ответ
y(0,5) = 2
y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 4 и снова падает до 0 при t = 5 s.
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: h[2] = 0,32
Импульсная характеристика и ряд Фурье: импульсная характеристика h(t) полностью описывает линейную стационарную систему: для y′ + a·y = b·x она равна h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоида cos ωt проходит с коэффициентом передачи |H(jω)| и фазой ∠H(jω), где H — преобразование Фурье функции h. Периодический сигнал — это сумма гармоник на частотах k/T: меандр с амплитудой ±A содержит только нечётные гармоники с амплитудами 4A/(kπ), треугольная волна с пиком A — 8A/(π²k²), а последовательность импульсов высотой A и коэффициентом заполнения D имеет среднее значение A·D и гармоники (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.