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 5 °C достали из холодильника в комнату при 29 °C. Через 16 min температура равна 16 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 24 °C?
T0 = 5 °CTa = 29 °CT(16) = 16 °CT = 24 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y′ + y = 6e−2t при y(0) = 5. Найдите y(1).
y′ + y = 6e−2ty(0) = 5
y(1) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c12 (строка 1, столбец 2).
A = [5 5; 4 −5]B = [−2 0; 6 −6]
c12 =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [0 3; 5 2]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (−2, 4, 5) на b = (−2, 4, 0), то есть компоненту a в направлении b.
a = (−2, 4, 5)b = (−2, 4, 0)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (1, −3, −4) и b = (−1, −5, 2) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его x-компоненту n̂x.
a = (1, −3, −4)b = (−1, −5, 2)n̂z > 0
n̂x =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Касательную плоскость к z = x²y + 4x² − y² − 2xy в точке, где (x, y) = (2, −1), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.
f(x, y) = x²y + 4x² − y² − 2xy(a, b) = (2, −1)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Найдите критические точки функции f(x, y) = x³ + y³ − 9xy, классифицируйте их и укажите значение fmin функции f в её локальном минимуме.
f(x, y) = x³ + y³ − 9xy
fmin =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=1∞ 12/(k(k + 1)).
ak = 12/(k(k + 1))
S =
12.Последовательности и рядыСложная
Используйте многочлен Маклорена степени 5 для f(x) = sin(3x), чтобы приблизить f(0,8). Укажите P₅(0,8).
f(x) = sin(3x)n = 5x = 0,8
P₅(0.8) =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (4s + 31)/(s² + 8s + 41) выделением полного квадрата и вычислите f(0,1).
F(s) = (4s + 31)/(s² + 8s + 41)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = −3 и y′(0) = 8 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,8).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = −3y′(0) = 8t = 0,8 s
y(0.8) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = 0 s и t = 1 s, а h(t) — только между t = −1 s и t = 0 s. Найдите момент времени tend, в который заканчивается y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 0 … 1 sh: −1 … 0 s
tend = s
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −1 и +1 s периодом T = 20 ms. Найдите амплитуду c1 её фурье-компоненты на частоте 50 Hz.
±1T = 20 msf = 50 Hz
c1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 40,94 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.
Константа охлаждения
k = ln(-24/-13)/16 = 0,03832 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(-24/(−5))/0,03832 = 40,94 min
Ответ
t = 40,94 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 3,235
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.
Интегрирующий множитель
μ = et
(ety)′ = 6e−t
Общее решение
y = 6/(−1)·e−2t + C·e−t = −6·e−2t + C·e−t
Начальное условие
5 = −6 + C → C = 11
Вычислите
y(1) = −6·0,1353 + 11·0,3679 = 3,235
Ответ
y(1) = 3,235
3.Матрицы и определители
Ответ: c12 = −30
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 = 5·0 + 5·(−6) = −30
Ответ
c12 = −30
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 5
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.
Характеристическое уравнение
λ² − (2)λ + (−15) = 0
Решите
λ = (2 ± √(64))/2 → λ = −3, 5
λ = 5
Ответ
λ = 5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: compb a = 4,472
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 = (−2)·(−2) + 4·4 + 5·0 = 20
Длина b
|b| = √((−2)² + 4² + 0²) = 4,472
Скалярная проекция
compb a = a·b/|b| = 20/4,472 = 4,472
Ответ
compb a = 4,472
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: n̂x = 0,9532
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
(a × b)x = aybz − azby = (−3)·2 − (−4)·(−5) = −26
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·(−1) − 1·2 = 2
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−5) − (−3)·(−1) = −8
Нормирование
z-компонента a × b отрицательна, поэтому берите −(a × b).
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.
Замена переменной
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Проинтегрируйте и подставьте пределы
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Ответ
I = 2,333
8.Интегралы
Ответ: A = 42,67
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.
Точки пересечения
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Ответ
A = 42,67
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: c = −11
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) = 15
fx = 2xy + 8x − 2y → fx(2, −1) = 14
fy = x² − 2y − 2x → fy(2, −1) = 2
Касательная плоскость
z = 15 + 14(x − 2) + 2(y + 1)
z = 14x + 2y − 11
Постоянный член
c = −11
Ответ
c = −11
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: fmin = −27
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 = 3x² − 9y = 0
fy = 3y² − 9x = 0
(0, 0), (3, 3)
Тест по вторым производным
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −9, D = −81 → седловая точка
(3, 3): fxx = 18, fyy = 18, fxy = −9, D = 243 → локальный минимум
Значение в экстремуме
f(3, 3) = −27
Ответ
fmin = −27
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 12
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.
Простые дроби
12/(k(k + 1)) = 12·(1/k − 1/(k + 1))
Отмена
S = 12·1 = 12
Ответ
S = 12
12.Последовательности и ряды
Ответ: P₅(0.8) = 0,7596
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.
Многочлен Маклорена
P₅(x) = 3x − 4,5x³ + 2,025x⁵
Подставьте
P₅(0,8) = 2,4 − 2,304 + 0,663552 = 0,7596
Ответ
P₅(0,8) = 0,7596
Точное значение равно f(0,8) = 0,675463; погрешность −0,0840888 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.1) = 3,317
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 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 − 8 + 5(sY − (−3)) + 4Y = 0
Y(s) = (−3s − 7)/((s + 1)(s + 4))
Простые дроби
A = −4/3 = −1,333
B = 5/(−3) = −1,667
Результат
y(t) = −1,333·e−t − 1,667·e−4t
y(0,8) = −0,667
Ответ
y(0,8) = −0,667
Проверка: y(0) = A + B = −3.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: tend = 1 s
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).
Начало и конец
tstart = 0 + (−1) = −1 s
tend = 1 + 0 = 1 s
Ответ
tend = 1 s
Ответ
tend = 1 s
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c1 = 0,8106
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)|.