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 25 °C. Через 11 min температура равна 13 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 21 °C?
T0 = 4 °CTa = 25 °CT(11) = 13 °CT = 21 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 2y′ + 26y = 52 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 2y′ + 26y = 52y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c22 (строка 2, столбец 2).
A = [−3 4; 1 4]B = [1 0; −3 5]
c22 =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [4 2; −1 1]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (1, 4, 4) и b = (−5, −5, 4) в градусах.
a = (1, 4, 4)b = (−5, −5, 4)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (1, 2, 4) и b = (5, 0, −2) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.
a = (1, 2, 4)b = (5, 0, −2)n̂z > 0
n̂y =
7.ИнтегралыСредняя
Область под y = 2x от x = 0 до x = 4 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).
y = 2x0 ≤ x ≤ 4
V =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
z = ln(x² + 2y²), где x = 2t − 2 и y = −2t². Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 1.
z = ln(x² + 2y²)x = 2t − 2y = −2t²t = 1
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Функция f(x, y) = 2x² + 5xy + y² + 17x + 17y + 3 имеет критическую точку (−3, −1). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².
Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·22k/(2k)!
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (2s + 10)/(s² + 8s + 32) выделением полного квадрата и вычислите f(0,1).
F(s) = (2s + 10)/(s² + 8s + 32)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 4y′ + 3y = 2u′ + 6u, 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 = 0,2 s. Найдите g(0,2).
y″ + 4y′ + 3y = 2u′ + 6ut = 0,2 s
g(0.2) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 3 при t = 0 до 0 при t = 2 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 3, h(2) = 0
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Меандр переключается между 1 и 0 s периодом T = 2 ms (половину периода на каждом уровне). Найдите амплитуду c7 его фурье-компоненты на частоте 3500 Hz.
0 … 1T = 2 msf = 3500 Hz
c7 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 32,59 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(-21/-12)/11 = 0,05087 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(-21/(−4))/0,05087 = 32,59 min
Ответ
t = 32,59 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 3,067
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.
Установившееся значение и корни
yss = 2, r = −1 ± 5j
Константы по начальным значениям
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −0,4
Максимум
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−1·π/5) = 3,067
Ответ
ymax = 3,067
3.Матрицы и определители
Ответ: c22 = 20
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
c22 = 1·0 + 4·5 = 20
Ответ
c22 = 20
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 3
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 − (5)λ + (6) = 0
Решите
λ = (5 ± √(1))/2 → λ = 2, 3
λ = 3
Ответ
λ = 3
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 101,1 °
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 = 1·(−5) + 4·(−5) + 4·4 = −9
Модули
|a| = √(1² + 4² + 4²) = 5,745
|b| = √((−5)² + (−5)² + 4²) = 8,124
Угол
cos θ = −9/(5,745·8,124) = −0,1928
θ = arccos(−0,1928) = 101,1°
Ответ
θ = 101,1°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: n̂y = −0,8981
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
(a × b)x = aybz − azby = 2·(−2) − 4·0 = −4
(a × b)y = azbx − axbz = 4·5 − 1·(−2) = 22
(a × b)z = axby − aybx = 1·0 − 2·5 = −10
Нормирование
z-компонента a × b отрицательна, поэтому берите −(a × b).
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∫₀4 4x² dx
Интегрируйте
V = π·4·4³/3 = 268,1
Ответ
V = 268,1
Проверка: конус с радиусом 8 и высотой 4 имеет (1/3)πr²h = 268,1.
8.Интегралы
Ответ: A = 5,333
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
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Ответ
A = 5,333
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: dz/dt = 4
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(1) = 0, y(1) = −2
dx/dt = 2, dy/dt = −4t = −4
Частные производные
fx = 2x/(x² + 2y²) = 0
fy = 4y/(x² + 2y²) = −1
Цепное правило
dz/dt = 0·2 + (−1)·(−4) = 4
Ответ
dz/dt = 4
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: D = −17
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 = 4, fyy = 2, fxy = 5
Дискриминант
D = 4·2 − 5² = −17
→ седловая точка
Ответ
D = −17
11.Последовательности и ряды
Ответ: C: Σ 1/(4k + 7)
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.
Проверьте каждый ряд
A: Σ 1/(k² + 5) → Меньше 1/k², сходящегося p-ряда: сходится по признаку сравнения.
B: Σ (3/5)ᵏ → Геометрический ряд с r = 3/5, |r| < 1: сходится.
C: Σ 1/(4k + 7) → При больших k ведёт себя как 1/(4k); при сравнении с гармоническим рядом расходится.
D: Σ 1/k² → p-ряд с p = 2 > 1: сходится.
Ответ
C: Σ 1/(4k + 7)
Ответ
C: Σ 1/(4k + 7)
12.Последовательности и ряды
Ответ: S = −0,4161
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.
Стандартные ряды
Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x
Подставьте
x = 2
S = cos 2 = −0,4161
Ответ
S = −0,4161
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.1) = 1,365
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 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) = (2s + 6)/(s² + 4s + 3)
Простые дроби
s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 2, B = 0
Импульсная характеристика
g(t) = 2·e−t
g(0,2) = 1,637
Ответ
g(0,2) = 1,637
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 24
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 = 4·2 = 8
∫h dt = ½·2·3 = 3
Площадь выхода
Ay = 8·3 = 24
Ответ
Ay = 24
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c7 = 0,09095
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)|.