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
Банку газировки температурой 4 °C достали из холодильника в комнату при 24 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,04 min⁻¹ найдите температуру T через 19 min.
T0 = 4 °CTa = 24 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 19 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + y/x = 5x при x > 0, y(1) = 0. Найдите y(2).
y′ + y/x = 5xy(1) = 0
y(2) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c21 (строка 2, столбец 1).
A = [−4 5; −3 4]B = [6 −1; −1 2]
c21 =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [3 1; 7 −3]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (−5, −5, 0) и b = (1, 0, 1).
a = (−5, −5, 0)b = (1, 0, 1)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Для a = (−6, 4, 1) и b = (−4, 5, −2) найдите y-компоненту (a × b)y векторного произведения a × b.
a = (−6, 4, 1)b = (−4, 5, −2)
(a × b)y =
7.ИнтегралыСредняя
Область под y = 2x от x = 0 до x = 1 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).
y = 2x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²) найдите производную по направлению Duf в точке (2, 1) в направлении v = (0, −3).
f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²)P = (2, 1)v = (0, −3)
Duf =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫01,2 ∫y1,2 sin(x²) dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = sin(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1,2
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=1∞ 4/(k(k + 3)).
ak = 4/(k(k + 3))
S =
12.Последовательности и рядыСложная
Используйте многочлен Маклорена степени 3 для f(x) = sin(3x), чтобы приблизить f(0,5). Укажите P₃(0,5).
f(x) = sin(3x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = 25/(s² + 5s + 4). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−4t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = 25/(s² + 5s + 4)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 5y′ + 4y = 8u, 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 = 0,6 s. Найдите g(0,6).
y″ + 5y′ + 4y = 8ut = 0,6 s
g(0.6) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−5tu(t). На входе ступенька x(t) = 2·u(t). Найдите выход y(0,4) при t = 0,4 s.
h(t) = e−5tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,4·y[n − 1] + 4·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[3].
y[n] = 0,4y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 14,65 °C
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.
Решение закона охлаждения
T(t) = 24 + (−20)·e−0,04t
Подставьте t
T(19) = 24 + (−20)·0,4677 = 14,65 °C
Ответ
T = 14,65 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 5,833
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)′ = 5x2 → x1y = 5x3/3 + C
Начальное условие
0 = 5/3 + C → C = −1,667
Вычислите
y(2) = (5·23/3 + (−1,667))/21 = 5,833
Ответ
y(2) = 5,833
3.Матрицы и определители
Ответ: c21 = −22
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.
Строка на столбец
c21 = (−3)·6 + 4·(−1) = −22
Ответ
c21 = −22
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 4
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 − (0)λ + (−16) = 0
Решите
λ = (0 ± √(64))/2 → λ = −4, 4
λ = 4
Ответ
λ = 4
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: a·b = −5
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.
Перемножьте соответствующие компоненты и сложите
a·b = (−5)·1 + (−5)·0 + 0·1 = (−5) + 0 + 0 = −5
Ответ
a·b = −5
Отрицательное: угол между векторами больше 90°.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: (a × b)y = −16
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 = 4·(−2) − 1·5 = −13
(a × b)y = azbx − axbz = 1·(−4) − (−6)·(−2) = −16
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·5 − 4·(−4) = −14
Искомая компонента
(a × b)y = −16
Ответ
(a × b)y = −16
Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.
7.Интегралы
Ответ: V = 4,189
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∫₀1 4x² dx
Интегрируйте
V = π·4·1³/3 = 4,189
Ответ
V = 4,189
Проверка: конус с радиусом 2 и высотой 1 имеет (1/3)πr²h = 4,189.
8.Интегралы
Ответ: I = 0,0609
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
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Ответ
I = 0,0609
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: Duf = −1,714
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 = 4x/(x² + 3y²) → fx(2, 1) = 1,143
fy = 12y/(x² + 3y²) → fy(2, 1) = 1,714
Единичный вектор
|v| = √(0² + (−3)²) = 3
u = (0, −1)
Скалярное произведение
Duf = 1,143·0 + 1,714·(−1) = −1,714
Ответ
Duf = −1,714
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,4348
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 ≤ 1,2
Изменённый порядок
I = ∫01,2 ∫0x sin(x²) dy dx = ∫01,2 x·sin(x²) dx
Замена u = x²
I = [−cos(x²)/2]01,2 = 0,4348
Ответ
I = 0,4348
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 2,444
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
4/(k(k + 3)) = (4/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Отмена
S = (4/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 2,444
Ответ
S = 2,444
12.Последовательности и ряды
Ответ: P₃(0.5) = 0,9375
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
P₃(x) = 3x − 4,5x³
Подставьте
P₃(0,5) = 1,5 − 0,5625 = 0,9375
Ответ
P₃(0,5) = 0,9375
Точное значение равно f(0,5) = 0,997495; погрешность 0,059995 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.
13.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 8,333
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 + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 4)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.
A = 25/(s + 4) |s = −1 = 25/3 = 8,333
Ответ
A = 8,333
(B = −8,333, поэтому f(t) = 8,333·e−t − 8,333·e−4t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: g(0.6) = 1,222
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) = 8/(s² + 5s + 4)
Простые дроби
s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 2,667, B = −2,667
Импульсная характеристика
g(t) = 2,667·e−t − 2,667·e−4t
g(0,6) = 1,222
Ответ
g(0,6) = 1,222
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(0.4) = 0,3459
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) = 2·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (2/5)·(1 − e−5t)
Вычислите
y(0,4) = 0,4·(1 − e−2) = 0,3459
Ответ
y(0,4) = 0,3459
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y[3] = 6,496
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)|.