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
Кованую стальную деталь температурой 500 °C оставили остывать в цехе при 22 °C. Через 38 min температура равна 175 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.
T0 = 500 °CTa = 22 °CT(38) = 175 °C
k = min⁻¹
2.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 500 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,25 kg на литр поступает со скоростью 5 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 25 min?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [−4 0 5; −2 −1 −3; 4 −2 2]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −2x − 3y = 2 и x + 4y = 2. Найдите x.
−2x − 3y = 2x + 4y = 2
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (−3, −6, 6) и b = (−2, 4, −2) в градусах.
a = (−3, −6, 6)b = (−2, 4, −2)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Для a = (1, 3, 6) и b = (2, 0, 1) найдите z-компоненту (a × b)z векторного произведения a × b.
a = (1, 3, 6)b = (2, 0, 1)
(a × b)z =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 2]
I =
8.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = −3xy² + x³ − y² + 3xy найдите производную по направлению Duf в точке (1, −1) в направлении v = (−1, −3).
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫00,8 ∫y0,8 1/(1 + x²)² dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите радиус сходимости R степенного ряда Σk=1∞ 16ᵏx²ᵏ/k.
Σ 16ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.Последовательности и рядыСложная
Используйте многочлен Маклорена степени 5 для f(x) = sin x, чтобы приблизить f(2,5). Укажите P₅(2,5).
f(x) = sin xn = 5x = 2,5
P₅(2.5) =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (6s + 2)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,5).
F(s) = (6s + 2)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,5).
На систему с h(t) = e−4tu(t) подан вход x(t) = 2·e−1tu(t). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.
x(t) = 2·e−1tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −2 и +2 s периодом T = 5 ms. Найдите амплитуду c1 её фурье-компоненты на частоте 200 Hz.
±2T = 5 msf = 200 Hz
c1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: k = 0,02998 min⁻¹
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.
Отношение разностей температур
e−38k = 153/478
Найдите k
k = ln(478/153)/38 = 0,02998 min⁻¹
Ответ
k = 0,02998 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: m = 27,65 kg
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.
Составьте уравнение
dm/dt = 5·0,25 − (5/500)·m = 1,25 − 0,01·m
Решите
Интегрирующий множитель равен ert/V; решение стремится к равновесному значению c·V.
m(t) = 125 + (−125)·e−t/100
Подставьте t
m(25) = 125 + (−125)·0,7788 = 27,65 kg
Ответ
m = 27,65 kg
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = 72
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 = −8, M₁₂ = 8, M₁₃ = 8
Разложение по строке
det A = (−4)·(−8) − 0·8 + 5·8 = 72
Ответ
det A = 72
4.Матрицы и определители
Ответ: x = −2,8
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 = (−2)·4 − (−3)·1 = −5
Замените столбец x
det Aₓ = 2·4 − (−3)·2 = 14
x = 14/(−5) = −2,8
Ответ
x = −2,8
y = 1,2
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 132,9 °
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 = (−3)·(−2) + (−6)·4 + 6·(−2) = −30
Модули
|a| = √((−3)² + (−6)² + 6²) = 9
|b| = √((−2)² + 4² + (−2)²) = 4,899
Угол
cos θ = −30/(9·4,899) = −0,6804
θ = arccos(−0,6804) = 132,9°
Ответ
θ = 132,9°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: (a × b)z = −6
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 по компонентам
(a × b)x = aybz − azby = 3·1 − 6·0 = 3
(a × b)y = azbx − axbz = 6·2 − 1·1 = 11
(a × b)z = axby − aybx = 1·0 − 3·2 = −6
Искомая компонента
(a × b)z = −6
Ответ
(a × b)z = −6
Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.
7.Интегралы
Ответ: I = 0,8647
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−2 − 1)/(−1) = (0,1353 − 1)/(−1) = 0,8647
Ответ
I = 0,8647
8.Интегралы
Ответ: I = 98,43
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.
Первый шаг
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Второй шаг
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Пределы
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Ответ
I = 98,43
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: Duf = −9,487
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.
Градиент в точке
fx = −3y² + 3x² + 3y → fx(1, −1) = −3
fy = −6xy − 2y + 3x → fy(1, −1) = 11
Единичный вектор
|v| = √((−1)² + (−3)²) = 3,162
u = (−0,3162, −0,9487)
Скалярное произведение
Duf = (−3)·(−0,3162) + 11·(−0,9487) = −9,487
Ответ
Duf = −9,487
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,1951
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 ≤ 0,8
Изменённый порядок
I = ∫00,8 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫00,8 x·1/(1 + x²)² dx
Замена u = x²
I = [−1/(2(1 + x²))]00,8 = 0,1951
Ответ
I = 0,1951
11.Последовательности и ряды
Ответ: R = 0,25
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.
Коэффициенты
Ряд по x²: он сходится при 16·x² < 1, то есть |x| < 1/4.
Радиус
R = 0,25
Ответ
R = 0,25
В двух конечных точках признак Даламбера ничего не говорит; их нужно проверять отдельно.
12.Последовательности и ряды
Ответ: P₅(2.5) = 0,7096
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) = x − 0,1667x³ + 0,008333x⁵
Подставьте
P₅(2,5) = 2,5 − 2,604167 + 0,813802 = 0,7096
Ответ
P₅(2,5) = 0,7096
Точное значение равно f(2,5) = 0,598472; погрешность −0,111163 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.5) = −0,6767
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
6s + 2 = 6(s + 4) + −22
F(s) = 6/(s + 4) − 22/(s + 4)²
Обратное преобразование
f(t) = 6·e−4t − 22·t·e−4t
f(0,5) = (6 − 22·0,5)·e−4·0,5 = −0,6767
Ответ
f(0,5) = −0,6767
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.5) = 9,673
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 + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 100/s
Y(s) = (6s² + 36s + 100)/(s(s + 1)(s + 5))
Простые дроби
A = 100/(1·5) = 20
B = 70/((−1)·4) = −17,5
C = 70/((−5)·(−4)) = 3,5
Результат
y(t) = 20 − 17,5·e−t + 3,5·e−5t
y(0,5) = 9,673
Ответ
y(0,5) = 9,673
Проверка: y(0) = A + B + C = 6.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(1.5) = 0,1471
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).
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)|.