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″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 1. Найдите y(1,5).
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [5 4 1; 0 0 2; 4 3 5]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [0 3; −4 8]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (0, −5, 30) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(1, −5, 0) в точку B(−1, −3, 2). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (0, −5, 30) NA(1, −5, 0) mB(−1, −3, 2) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Сила F = (60, −40, −30) N действует в точке A(−2, 1, 4). Координаты даны в метрах. Найдите x-компоненту Mx момента силы относительно начало координат O(0, 0, 0).
F = (60, −40, −30) NA(−2, 1, 4) mO(0, 0, 0) m
Mx = N·m
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫15 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 5]
I =
8.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 2x и параболой y = 0,5x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
y = 2xy = 0,5x²
V =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Касательную плоскость к z = 3 ln(x² + 2y²) в точке, где (x, y) = (1, 2), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.
f(x, y) = 3 ln(x² + 2y²)(a, b) = (1, 2)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Функция f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy имеет критическую точку (−2, −2). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xyP = (−2, −2)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите радиус сходимости R степенного ряда Σk=1∞ k·2ᵏ·(x − 3)ᵏ.
Σ k·2ᵏ·(x − 3)ᵏx₀ = 3
R =
12.Последовательности и рядыСложная
Используйте многочлен Маклорена степени 2 для f(x) = 1/(1 − x), чтобы приблизить f(0,4). Укажите P₂(0,4).
f(x) = 1/(1 − x)n = 2x = 0,4
P₂(0.4) =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (2s + 8)/(s² + 6s + 9) и вычислите f(0,2).
F(s) = (2s + 8)/(s² + 6s + 9)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 72·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(0,2).
Импульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 3 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 3 при t = 0 до 0 при t = 1 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 3, h(1) = 0
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −2 и +2 s периодом T = 2 ms. Найдите амплитуду c5 её фурье-компоненты на частоте 2500 Hz.
±2T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 1,45
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 + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 5, −1A − 5B = 1
A = 6,5, B = −1,5
Вычислите
y(1,5) = 6,5·e−1,5 + (−1,5)·e−7,5 = 1,45
Ответ
y(1,5) = 1,45
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 0,663
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 = e2t
(e2ty)′ = 2e1,5t
Общее решение
y = 2/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 1,333·e−0,5t + C·e−2t
Начальное условие
2 = 1,333 + C → C = 0,6667
Вычислите
y(1,5) = 1,333·0,4724 + 0,6667·0,04979 = 0,663
Ответ
y(1,5) = 0,663
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = 2
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 = −6, M₁₂ = −8, M₁₃ = 0
Разложение по строке
det A = 5·(−6) − 4·(−8) + 1·0 = 2
Ответ
det A = 2
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 − (8)λ + (12) = 0
Решите
λ = (8 ± √(16))/2 → λ = 2, 6
λ = 6
Ответ
λ = 6
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = 50 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 = (−1, −3, 2) − (1, −5, 0) = (−2, 2, 2) m
Работа
W = F·d = 0·(−2) + (−5)·2 + 30·2 = 50 J
Ответ
W = 50 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: Mx = 130 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.
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) = 3·ln x
Подставьте пределы
I = 3·(ln 5 − ln 1) = 3·ln 5 = 4,828
Ответ
I = 4,828
8.Интегралы
Ответ: V = 107,2
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.
Точки пересечения
2x = 0,5x² → x = 0, x = 4
Метод колец (шайб)
V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx
Интегрируйте
V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2
Ответ
V = 107,2
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: c = 0,5917
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(1, 2) = 6,592
fx = 6x/(x² + 2y²) → fx(1, 2) = 0,6667
fy = 12y/(x² + 2y²) → fy(1, 2) = 2,667
Касательная плоскость
z = 6,592 + 0,6667(x − 1) + 2,667(y − 2)
z = 0,6667x + 2,667y + 0,5917
Постоянный член
c = 0,5917
Ответ
c = 0,5917
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: D = 2048
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).
Вторые производные
fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16
Дискриминант
D = 48·48 − (−16)² = 2048
→ локальный минимум
Ответ
D = 2048
11.Последовательности и ряды
Ответ: R = 0,5
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
ck/ck+1 = (1/2)·(k/(k + 1)) → 1/2
Радиус
R = 0,5
Ответ
R = 0,5
В двух конечных точках признак Даламбера ничего не говорит; их нужно проверять отдельно.
12.Последовательности и ряды
Ответ: P₂(0.4) = 1,56
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
P₂(x) = 1 + x + x²
Подставьте
P₂(0,4) = 1 + 0,4 + 0,16 = 1,56
Ответ
P₂(0,4) = 1,56
Точное значение равно f(0,4) = 1,666667; погрешность 0,106667 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.2) = 1,317
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).
Разложение знаменателя на множители
s² + 6s + 9 = (s + 3)²
Простые дроби
2s + 8 = 2(s + 3) + 2
F(s) = 2/(s + 3) + 2/(s + 3)²
Обратное преобразование
f(t) = 2·e−3t + 2·t·e−3t
f(0,2) = (2 + 2·0,2)·e−3·0,2 = 1,317
Ответ
f(0,2) = 1,317
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 1,629
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) = 144/(s(s + 3)(s + 6))
Простые дроби
A = 144/(3·6) = 8
B = 144/((−3)·3) = −16
C = 144/((−6)·(−3)) = 8
Выделение
y(t) = 8 − 16·e−3t + 8·e−6t
y(0,2) = 1,629
Ответ
y(0,2) = 1,629
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 9
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 = 2·3 = 6
∫h dt = ½·1·3 = 1,5
Площадь выхода
Ay = 6·1,5 = 9
Ответ
Ay = 9
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c5 = 0,06485
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)|.