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 87 °C оставили в комнате при 23 °C. Через 29 min температура равна 38 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 32 °C?
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [5 −4 0; −2 0 −5; −1 −4 −2]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [5 −1; −2 4]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (−25, −5, 30) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−5, 2, 2) в точку B(0, 4, 3). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (−25, −5, 30) NA(−5, 2, 2) mB(0, 4, 3) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Сила F = (50, −10, −20) N действует в точке A(−2, 1, −1). Координаты даны в метрах. Найдите y-компоненту My момента силы относительно точка O(2, −3, −2).
F = (50, −10, −20) NA(−2, 1, −1) mO(2, −3, −2) m
My = N·m
7.ИнтегралыСредняя
Область под y = 0,5x от x = 0 до x = 2 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 4 − x² и осью x.
y = 4 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
z = −xy³ − 3x² + 3y³ + 4xy, где x = t − 2 и y = t² − 2. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 2.
z = −xy³ − 3x² + 3y³ + 4xyx = t − 2y = t² − 2t = 2
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫02 ∫y2 cos(x²) dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 2
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.
A: Σ 1/√kB: Σ k!/2ᵏC: Σ (3/2)ᵏD: Σ (−1)ᵏ/k
1A: Σ 1/√k
2B: Σ k!/2ᵏ
3C: Σ (3/2)ᵏ
4D: Σ (−1)ᵏ/k
12.Последовательности и рядыСложная
Найдите коэффициент c₄ при (x − 1)⁴ в ряде Тейлора функции f(x) = eˣ в точке a = 1.
f(x) = eˣa = 1k = 4
c₄ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (2s + 12)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,4).
F(s) = (2s + 12)/(s² + 8s + 16)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 5y′ + 4y = 15u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,5 s. Найдите g(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 15ut = 0,5 s
g(0.5) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−1tu(t). На входе ступенька x(t) = 4·u(t). Найдите выход y(0,2) при t = 0,2 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Меандр переключается между +4 и −4 s периодом T = 4 ms (половину периода на каждом уровне). Найдите амплитуду c7 его фурье-компоненты на частоте 1750 Hz.
±4T = 4 msf = 1750 Hz
c7 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 39,21 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(64/15)/29 = 0,05003 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(64/9)/0,05003 = 39,21 min
Ответ
t = 39,21 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 1,981
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−2,5t
Общее решение
y = 6/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −2,4·e−3t + C·e−0,5t
Начальное условие
3 = −2,4 + C → C = 5,4
Вычислите
y(2) = −2,4·0,002479 + 5,4·0,3679 = 1,981
Ответ
y(2) = 1,981
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −104
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 = −20, M₁₂ = −1, M₁₃ = 8
Разложение по строке
det A = 5·(−20) − (−4)·(−1) + 0·8 = −104
Ответ
det A = −104
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 6
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 − (9)λ + (18) = 0
Решите
λ = (9 ± √(9))/2 → λ = 3, 6
λ = 6
Ответ
λ = 6
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = −105 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 = (0, 4, 3) − (−5, 2, 2) = (5, 2, 1) m
Работа
W = F·d = (−25)·5 + (−5)·2 + 30·1 = −105 J
Ответ
W = −105 J
Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: My = −30 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 = (−2, 1, −1) − (2, −3, −2) = (−4, 4, 1) m
Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.
Метод дисков
V = π∫₀2 0,25x² dx
Интегрируйте
V = π·0,25·2³/3 = 2,094
Ответ
V = 2,094
Проверка: конус с радиусом 1 и высотой 2 имеет (1/3)πr²h = 2,094.
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: dz/dt = 144
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) = 0, y(2) = 2
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 4
Частные производные
fx = −y³ − 6x + 4y = 0
fy = −3xy² + 9y² + 4x = 36
Цепное правило
dz/dt = 0·1 + 36·4 = 144
Ответ
dz/dt = 144
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = −0,3784
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 ≤ 2
Изменённый порядок
I = ∫02 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫02 x·cos(x²) dx
Замена u = x²
I = [sin(x²)/2]02 = −0,3784
Ответ
I = −0,3784
11.Последовательности и ряды
Ответ: D: Σ (−1)ᵏ/k
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.
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) = eˣ
Коэффициент
c₄ = e1/4! = 0,1133
c₄ = 0,1133
Ответ
c₄ = 0,1133
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 0,7268
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
Простые дроби
2s + 12 = 2(s + 4) + 4
F(s) = 2/(s + 4) + 4/(s + 4)²
Обратное преобразование
f(t) = 2·e−4t + 4·t·e−4t
f(0,4) = (2 + 4·0,4)·e−4·0,4 = 0,7268
Ответ
f(0,4) = 0,7268
14.Преобразования Лапласа
Ответ: g(0.5) = 2,356
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).
Передаточная функция
G(s) = Y(s)/U(s) = 15/(s² + 5s + 4)
Простые дроби
s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 5, B = −5
Импульсная характеристика
g(t) = 5·e−t − 5·e−4t
g(0,5) = 2,356
Ответ
g(0,5) = 2,356
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(0.2) = 0,7251
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).
Свёртка со ступенькой
y(t) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)
Вычислите
y(0,2) = 4·(1 − e−0,2) = 0,7251
Ответ
y(0,2) = 0,7251
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c7 = 0,7276
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)|.