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″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 6. Найдите y(1,5).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 500 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,2 kg на литр поступает со скоростью 2 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Через сколько минут t в баке будет 40 kg соли?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [1 −5 −5; −4 −1 −1; −2 0 1]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему 2x − 2y = −8 и −6x + 2y = 10. Найдите x.
2x − 2y = −8−6x + 2y = 10
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите значение k, при котором векторы a = (1, −1, −6) и b = (0, k, −1) перпендикулярны.
a = (1, −1, −6)b = (0, k, −1)
k =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Сила F = (−20, 40, −60) N действует в точке A(−4, 4, 0). Координаты даны в метрах. Найдите y-компоненту My момента силы относительно начало координат O(0, 0, 0).
F = (−20, 40, −60) NA(−4, 4, 0) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
8.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
z = 5xy + 4x² − 3y², где x = −3t + 2 и y = −t² − 2. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 1.
z = 5xy + 4x² − 3y²x = −3t + 2y = −t² − 2t = 1
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Функция f(x, y) = x³ + y³ − 3xy имеет критическую точку (0, 0). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ + y³ − 3xyP = (0, 0)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=112 1/(k(k + 1)).
ak = 1/(k(k + 1))n = 12
S =
12.Последовательности и рядыСложная
Найдите коэффициент c₃ при (x − 3)³ в ряде Тейлора функции f(x) = 1/x в точке a = 3.
f(x) = 1/xa = 3k = 3
c₃ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (5s + 33)/(s² + 12s + 35). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−5t + B·e−7t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (5s + 33)/(s² + 12s + 35)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 1. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,3).
Импульс x(t) = 5 при 0 ≤ t < 3 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 4 при t = 0 до 0 при t = 2 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(2) = 0
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −1 и +1 s периодом T = 1 ms. Найдите амплитуду c3 её фурье-компоненты на частоте 3000 Hz.
±1T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 0,4289
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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 4, −2A − 5B = 6
A = 8,667, B = −4,667
Вычислите
y(1,5) = 8,667·e−3 + (−4,667)·e−7,5 = 0,4289
Ответ
y(1,5) = 0,4289
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 127,7 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.
Результат
m(t) = 100 + (−100)·e−t/250
Найдите t
e−t/250 = (100 − 40)/(100 − 0) = 0,6
t = 250·ln(1,667) = 127,7 min
Ответ
t = 127,7 min
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −21
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 = −1, M₁₂ = −6, M₁₃ = −2
Разложение по строке
det A = 1·(−1) − (−5)·(−6) + (−5)·(−2) = −21
Ответ
det A = −21
4.Матрицы и определители
Ответ: x = −0,5
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 = 2·2 − (−2)·(−6) = −8
Замените столбец x
det Aₓ = (−8)·2 − (−2)·10 = 4
x = 4/(−8) = −0,5
Ответ
x = −0,5
y = 3,5
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: k = 6
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 равно нулю
a·b = 1·0 + (−1)·k + (−6)·(−1) = 0
6 + (−1)·k = 0
Найдите k
k = −6/(−1) = 6
Ответ
k = 6
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: My = −240 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.
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: dz/dt = 43
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) = −1, y(1) = −3
dx/dt = −3, dy/dt = −2t = −2
Частные производные
fx = 5y + 8x = −23
fy = 5x − 6y = 13
Цепное правило
dz/dt = (−23)·(−3) + 13·(−2) = 43
Ответ
dz/dt = 43
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: D = −9
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 = 0, fyy = 0, fxy = −3
Дискриминант
D = 0·0 − (−3)² = −9
→ седловая точка
Ответ
D = −9
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 0,9231
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
1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))
Отмена
S = 1·(1 − 1/13) = 0,9231
Ответ
S = 0,9231
12.Последовательности и ряды
Ответ: c₃ = −0,01235
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⁽³⁾
f⁽³⁾(x) = −6/x⁴
Коэффициент
c₃ = −6/(3⁴·6) = −0,01235
c₃ = −0,01235
Ответ
c₃ = −0,01235
13.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 4
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 + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 5) и положите s = −5: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (5s + 33)/(s + 7) |s = −5 = 8/2 = 4
Ответ
A = 4
(B = 1, поэтому f(t) = 4·e−5t + e−7t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.3) = 4,454
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 + 9s + 20)·Y(s) = 6s + 54 + 40/s
Y(s) = (6s² + 54s + 40)/(s(s + 4)(s + 5))
Простые дроби
A = 40/(4·5) = 2
B = −80/((−4)·1) = 20
C = −80/((−5)·(−1)) = −16
Результат
y(t) = 2 + 20·e−4t − 16·e−5t
y(0,3) = 4,454
Ответ
y(0,3) = 4,454
Проверка: y(0) = A + B + C = 6.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 60
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 = 5·3 = 15
∫h dt = ½·2·4 = 4
Площадь выхода
Ay = 15·4 = 60
Ответ
Ay = 60
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c3 = 0,09006
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)|.