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
Чашку кофе температурой 88 °C оставили в комнате при 19 °C. Через 6 min температура равна 62 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 72 °C?
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [−3 −3 1; 5 −4 −2; −2 0 −4]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −6x − 5y = −2 и 2x + 6y = −7. Найдите x.
−6x − 5y = −22x + 6y = −7
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (7, 7, −7) и b = (2, −3, 5).
a = (7, 7, −7)b = (2, −3, 5)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (0, 4, 5) и b = (−4, −1, −1) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.
a = (0, 4, 5)b = (−4, −1, −1)n̂z > 0
n̂y =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫01 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 1]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
z = 5x²y − 2xy, где x = −t − 1 и y = −2t² − 2. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 2.
z = 5x²y − 2xyx = −t − 1y = −2t² − 2t = 2
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫01 ∫y1 ex² dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=135 1/(k(k + 1)).
ak = 1/(k(k + 1))n = 35
S =
12.Последовательности и рядыСложная
Найдите коэффициент c₂ при (x − 25)² в ряде Тейлора функции f(x) = √x в точке a = 25.
f(x) = √xa = 25k = 2
c₂ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (2s + 40)/(s² + 13s + 40). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (2s + 40)/(s² + 13s + 40)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 1. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,25).
Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 5 при 0 ≤ t < 4 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 5·e−10tu(t) подан вход x(t) = 10·cos(20t). Найдите амплитуду Ym установившегося выхода.
h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(20t)
Ym =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 3,347 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(69/43)/6 = 0,07882 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(69/53)/0,07882 = 3,347 min
Ответ
t = 3,347 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 2,635
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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 6e−1,5t
Общее решение
y = 6/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −4·e−2t + C·e−0,5t
Начальное условие
2 = −4 + C → C = 6
Вычислите
y(1,5) = −4·0,04979 + 6·0,4724 = 2,635
Ответ
y(1,5) = 2,635
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −128
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 = 16, M₁₂ = −24, M₁₃ = −8
Разложение по строке
det A = (−3)·16 − (−3)·(−24) + 1·(−8) = −128
Ответ
det A = −128
4.Матрицы и определители
Ответ: x = 1,808
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)·6 − (−5)·2 = −26
Замените столбец x
det Aₓ = (−2)·6 − (−5)·(−7) = −47
x = −47/(−26) = 1,808
Ответ
x = 1,808
y = −1,769
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: a·b = −42
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.
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.
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) = e−x/(−1)
Подставьте пределы
I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321
Ответ
I = 0,6321
8.Интегралы
Ответ: A = 4,5
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
x2 = 3x → x = 0, x = 3
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Ответ
A = 4,5
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: dz/dt = −728
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.
Точка и скорости
x(2) = −3, y(2) = −10
dx/dt = −1, dy/dt = −4t = −8
Частные производные
fx = 10xy − 2y = 320
fy = 5x² − 2x = 51
Цепное правило
dz/dt = 320·(−1) + 51·(−8) = −728
Ответ
dz/dt = −728
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,8591
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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1
Изменённый порядок
I = ∫01 ∫0x ex² dy dx = ∫01 x·ex² dx
Замена u = x²
I = [ex²/2]01 = 0,8591
Ответ
I = 0,8591
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 0,9722
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
1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))
Отмена
S = 1·(1 − 1/36) = 0,9722
Ответ
S = 0,9722
12.Последовательности и ряды
Ответ: c₂ = −0,001
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⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2
Коэффициент
c₂ = −0,25·251/2 − 2/2! = −0,001
c₂ = −0,001
Ответ
c₂ = −0,001
13.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 10
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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 5) и положите s = −5: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (2s + 40)/(s + 8) |s = −5 = 30/3 = 10
Ответ
A = 10
(B = −8, поэтому f(t) = 10·e−5t − 8·e−8t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.25) = 5,45
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 + 7s + 6)·Y(s) = 6s + 42 + 6/s
Y(s) = (6s² + 42s + 6)/(s(s + 1)(s + 6))
Простые дроби
A = 6/(1·6) = 1
B = −30/((−1)·5) = 6
C = −30/((−6)·(−5)) = −1
Результат
y(t) = 1 + 6·e−t − e−6t
y(0,25) = 5,45
Ответ
y(0,25) = 5,45
Проверка: y(0) = A + B + C = 6.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(1.5) = 30
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, 1,5] → длина 1,5 s
Интеграл
y(1,5) = 4·5·1,5 = 30
Ответ
y(1,5) = 30
y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 40 и снова падает до 0 при t = 6 s.
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ym = 2,236
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)|.