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 3 °C достали из холодильника в комнату при 23 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,05 min⁻¹ найдите температуру T через 25 min.
T0 = 3 °CTa = 23 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 25 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 200 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,1 kg на литр поступает со скоростью 20 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Через сколько минут t в баке будет 10 kg соли?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [1 4 −1; −4 0 −3; 1 3 3]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −3x + 3y = 9 и −4x + 5y = 11. Найдите x.
−3x + 3y = 9−4x + 5y = 11
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (1, −6, 0) и b = (5, 3, −5) в градусах.
a = (1, −6, 0)b = (5, 3, −5)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (0, −1, −3), b = (−4, 0, −1) и c = (2, 5, −2).
a = (0, −1, −3)b = (−4, 0, −1)c = (2, 5, −2)
V =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫03 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 3]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 9 − x² и осью x.
y = 9 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = −xy + 3x² − 2y³ найдите направление наискорейшего роста в точке (2, 1) как угол θ от положительной оси x, в градусах между −180° и 180°.
f(x, y) = −xy + 3x² − 2y³P = (2, 1)
θ = °
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Функция f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 2y имеет критическую точку (1, −1). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 2yP = (1, −1)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.
Найдите коэффициент c₄ при (x − 1)⁴ в ряде Тейлора функции f(x) = 1/x в точке a = 1.
f(x) = 1/xa = 1k = 4
c₄ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 32/(s² + 2s + 26) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).
F(s) = 32/(s² + 2s + 26)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t), где y(0) = 3 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 1. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,1).
Импульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 2 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(1) при t = 1 s.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 1 s
y(1) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] и начинает с состояния покоя. Найдите отсчёт h[5] её импульсной характеристики.
y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 17,27 °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) = 23 + (−20)·e−0,05t
Подставьте t
T(25) = 23 + (−20)·0,2865 = 17,27 °C
Ответ
T = 17,27 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 6,931 min
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.
Результат
m(t) = 20 + (−20)·e−t/10
Найдите t
e−t/10 = (20 − 10)/(20 − 0) = 0,5
t = 10·ln(2) = 6,931 min
Ответ
t = 6,931 min
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = 57
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.
Миноры 2×2 первой строки
M₁₁ = 9, M₁₂ = −9, M₁₃ = −12
Разложение по строке
det A = 1·9 − 4·(−9) + (−1)·(−12) = 57
Ответ
det A = 57
4.Матрицы и определители
Ответ: x = −4
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 = (−3)·5 − 3·(−4) = −3
Замените столбец x
det Aₓ = 9·5 − 3·11 = 12
x = 12/(−3) = −4
Ответ
x = −4
y = −1
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 106,2 °
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 = 1·5 + (−6)·3 + 0·(−5) = −13
Модули
|a| = √(1² + (−6)² + 0²) = 6,083
|b| = √(5² + 3² + (−5)²) = 7,681
Угол
cos θ = −13/(6,083·7,681) = −0,2782
θ = arccos(−0,2782) = 106,2°
Ответ
θ = 106,2°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: V = 70
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.
Векторное произведение b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−2) − (−1)·5 = 5
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·2 − (−4)·(−2) = −10
(b × c)z = bxcy − bycx = (−4)·5 − 0·2 = −20
Скалярное произведение с a
a·(b × c) = 0·5 + (−1)·(−10) + (−3)·(−20) = 70
V = |70| = 70
Ответ
V = 70
7.Интегралы
Ответ: I = 1,554
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.
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Интегрируйте
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Ответ
A = 36
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: θ = −36,03 °
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.
Частные производные
fx = −y + 6x → fx(2, 1) = 11
fy = −x − 6y² → fy(2, 1) = −8
Направление
θ = atan2(−8, 11) = −36,03°
Ответ
θ = −36,03°
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: D = 12
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).
Вторые производные
fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0
Дискриминант
D = (−6)·(−2) − 0² = 12
→ локальный максимум
Ответ
D = 12
11.Последовательности и ряды
Ответ: B: Σ 1/(k² + 8)
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.
Проверьте каждый ряд
A: Σ (k + 1)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.
B: Σ 1/(k² + 8) → Меньше 1/k², сходящегося p-ряда: сходится по признаку сравнения.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Члены стремятся к e, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
D: Σ 1/√k → p-ряд с p = 1/2 ≤ 1: расходится.
Ответ
B: Σ 1/(k² + 8)
Ответ
B: Σ 1/(k² + 8)
12.Последовательности и ряды
Ответ: c₄ = 1
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.
Производная f⁽⁴⁾
f⁽⁴⁾(x) = 24/x⁵
Коэффициент
c₄ = 24/(1⁵·24) = 1
c₄ = 1
Ответ
c₄ = 1
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 3,901
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).
Выделение полного квадрата
s² + 2s + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²
Подбор числителя
F(s) = (32/5)·5/((s + 1)² + 5²)
Обратное преобразование
f(t) = e−t·(6,4·sin 5t)
f(0,4) = e−0,4·(6,4·sin(5·0,4)) = 3,901
Ответ
f(0,4) = 3,901
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = 2,79
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
(s² + 11s + 30)·Y(s) = 3s + 33 + 30/s
Y(s) = (3s² + 33s + 30)/(s(s + 5)(s + 6))
Простые дроби
A = 30/(5·6) = 1
B = −60/((−5)·1) = 12
C = −60/((−6)·(−1)) = −10
Результат
y(t) = 1 + 12·e−5t − 10·e−6t
y(0,1) = 2,79
Ответ
y(0,1) = 2,79
Проверка: y(0) = A + B + C = 3.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(1) = 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, 1] → длина 1 s
Интеграл
y(1) = 2·1·1 = 2
Ответ
y(1) = 2
y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 4 и снова падает до 0 при t = 6 s.
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: h[5] = 0,125
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)|.