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
Решите y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = 1. Найдите y(0,5).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + y/x = x при x > 0, y(1) = 5. Найдите y(3).
y′ + y/x = xy(1) = 5
y(3) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [3 4 2; 3 −5 4; 5 2 −4]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −6x − 5y = 7 и 4x + 4y = −3. Найдите x.
−6x − 5y = 74x + 4y = −3
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (−25, 20, 20) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−3, 5, −2) в точку B(2, −2, −1). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (−25, 20, 20) NA(−3, 5, −2) mB(2, −2, −1) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (1, 5, −3), b = (−2, −5, 1) и c = (1, 2, −3).
a = (1, 5, −3)b = (−2, −5, 1)c = (1, 2, −3)
V =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Касательную плоскость к z = −x³y² − 5x² − 2y³ + 3xy в точке, где (x, y) = (−2, 3), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.
f(x, y) = −x³y² − 5x² − 2y³ + 3xy(a, b) = (−2, 3)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫01,2 ∫x1,2 ey² dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Примените признак Даламбера к Σk=1∞ kᵏ/(2ᵏ·k!). Найдите L = lim |ak+1/ak|.
ak = kᵏ/(2ᵏ·k!)
L =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = cos x приближается в точке x = 1,5 её многочленом Маклорена степени n. С оценкой Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! и M = 1 найдите наименьшую степень n, гарантирующую погрешность меньше 1 × 10⁻⁵.
f(x) = cos xx = 1,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (3s + 39)/(s² + 2s + 2) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).
F(s) = (3s + 39)/(s² + 2s + 2)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 2 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,25).
Импульс x(t) = 1 при 0 ≤ t < 2 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 4 при t = 0 до 0 при t = 1 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 4, h(1) = 0
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 2·e−10tu(t) подан вход x(t) = 10·cos(10t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.
h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 10cos(10t)
φ = °
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 1,212
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.
Характеристические корни
(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 2, −2A − 5B = 1
A = 3,667, B = −1,667
Вычислите
y(0,5) = 3,667·e−1 + (−1,667)·e−2,5 = 1,212
Ответ
y(0,5) = 1,212
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(3) = 4,556
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 = e∫1/x dx = x1
Интегрируйте
(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C
Начальное условие
5 = 1/3 + C → C = 4,667
Вычислите
y(3) = (1·33/3 + 4,667)/31 = 4,556
Ответ
y(3) = 4,556
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = 226
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 = 12, M₁₂ = −32, M₁₃ = 31
Разложение по строке
det A = 3·12 − 4·(−32) + 2·31 = 226
Ответ
det A = 226
4.Матрицы и определители
Ответ: x = −3,25
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 = (−6)·4 − (−5)·4 = −4
Замените столбец x
det Aₓ = 7·4 − (−5)·(−3) = 13
x = 13/(−4) = −3,25
Ответ
x = −3,25
y = 2,5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = −245 J
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.
Перемещение
d = B − A = (2, −2, −1) − (−3, 5, −2) = (5, −7, 1) m
Работа
W = F·d = (−25)·5 + 20·(−7) + 20·1 = −245 J
Ответ
W = −245 J
Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: V = 15
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 = (−5)·(−3) − 1·2 = 13
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·1 − (−2)·(−3) = −5
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·2 − (−5)·1 = 1
Скалярное произведение с a
a·(b × c) = 1·13 + 5·(−5) + (−3)·1 = −15
V = |−15| = 15
Ответ
V = 15
7.Интегралы
Ответ: I = 0,6363
Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.
Выберите u и dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первообразная
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Пределы
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Ответ
I = 0,6363
8.Интегралы
Ответ: A = 1,125
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
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Ответ
A = 1,125
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: c = −142
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, 3) = −20
fx = −3x²y² − 10x + 3y → fx(−2, 3) = −79
fy = −2x³y − 6y² + 3x → fy(−2, 3) = −12
Касательная плоскость
z = −20 − 79(x + 2) − 12(y − 3)
z = −79x − 12y − 142
Постоянный член
c = −142
Ответ
c = −142
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 1,61
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).
Область
0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2
Изменённый порядок
I = ∫01,2 ∫0y ey² dx dy = ∫01,2 y·ey² dy
Замена u = y²
I = [ey²/2]01,2 = 1,61
Ответ
I = 1,61
11.Последовательности и ряды
Ответ: L = 1,359
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.
Отношение соседних членов
|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/2 → e/2
Вывод
L = 1,359 > 1
Ответ
L = 1,359
L > 1, поэтому ряд расходится.
12.Последовательности и ряды
Ответ: n = 10
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.
Оценки при возрастающем n
n = 9: 1,589 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 10: 2,167 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵
Наименьшая степень
n = 10
Ответ
n = 10
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 11,25
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
Y(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5))
Простые дроби
A = 40/(2·5) = 4
B = 40/((−2)·3) = −6,667
C = 40/((−5)·(−3)) = 2,667
Выделение
y(t) = 4 − 6,667·e−2t + 2,667·e−5t
y(0,25) = 0,7205
Ответ
y(0,25) = 0,7205
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 4
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).
Площади входов
∫x dt = 1·2 = 2
∫h dt = ½·1·4 = 2
Площадь выхода
Ay = 2·2 = 4
Ответ
Ay = 4
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: φ = −45 °
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)|.