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 28 °C. Через 10 min температура равна 414 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 163 °C?
T0 = 500 °CTa = 28 °CT(10) = 414 °CT = 163 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + 2y/x = 4x при x > 0, y(1) = −2. Найдите y(3).
y′ + 2y/x = 4xy(1) = −2
y(3) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [5 4 5; 3 5 3; 4 4 2]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [3 1; 3 1]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (−3, 3, −4) и b = (−5, −2, 3) в градусах.
a = (−3, 3, −4)b = (−5, −2, 3)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (1, −2, −4), b = (−5, −4, 4) и c = (−3, 3, 0).
a = (1, −2, −4)b = (−5, −4, 4)c = (−3, 3, 0)
V =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 9 − x² и осью x.
y = 9 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Используйте касательную плоскость к f(x, y) = 5xy − 3x³ в точке (−2, 3), чтобы приблизить f(−2,2, 3,2). Укажите линейное приближение L.
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Вычислите I = ∬T (x) dA по треугольнику T, ограниченному прямыми y = 0, x = 4 и y = 3x.
f = x0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 3x
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Примените радикальный признак Коши к Σk=1∞ ((5k + 2)/(3k + 2))ᵏ. Найдите L = lim |ak|1/k.
ak = ((5k + 2)/(3k + 2))ᵏ
L =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = sin x приближается в точке x = 1 её многочленом Маклорена степени n. С оценкой Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! и M = 1 найдите наименьшую степень n, гарантирующую погрешность меньше 0,0005.
f(x) = sin xx = 1M = 1ε = 0,0005
n =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (3s + 34)/(s² + 15s + 56). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−7t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (3s + 34)/(s² + 15s + 56)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 12y = 60·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 5 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,1).
На систему с h(t) = e−1tu(t) подан вход x(t) = 1·e−4tu(t). Найдите выход y(2) при t = 2 s.
x(t) = 1·e−4tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y′(t) + 4·y(t) = 2·x(t). Найдите её импульсную характеристику при t = 2 s, h(2).
y′ + 4y = 2xt = 2 s
h(2) =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 62,23 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(472/386)/10 = 0,02011 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(472/135)/0,02011 = 62,23 min
Ответ
t = 62,23 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(3) = 8,667
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∫2/x dx = x2
Интегрируйте
(x2y)′ = 4x3 → x2y = 4x4/4 + C
Начальное условие
−2 = 4/4 + C → C = −3
Вычислите
y(3) = (4·34/4 + (−3))/32 = 8,667
Ответ
y(3) = 8,667
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −26
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 = −2, M₁₂ = −6, M₁₃ = −8
Разложение по строке
det A = 5·(−2) − 4·(−6) + 5·(−8) = −26
Ответ
det A = −26
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 − (4)λ + (0) = 0
Решите
λ = (4 ± √(16))/2 → λ = 0, 4
λ = 4
Ответ
λ = 4
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 94,79 °
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)·(−5) + 3·(−2) + (−4)·3 = −3
Модули
|a| = √((−3)² + 3² + (−4)²) = 5,831
|b| = √((−5)² + (−2)² + 3²) = 6,164
Угол
cos θ = −3/(5,831·6,164) = −0,08346
θ = arccos(−0,08346) = 94,79°
Ответ
θ = 94,79°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: V = 120
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.
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.
Выберите u и dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первообразная
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Пределы
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Ответ
I = 0,1436
8.Интегралы
Ответ: A = 36
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.
Нули
9 − x² = 0 → x = ±3
Интегрируйте
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Ответ
A = 36
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: L = −3,8
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(−2, 3) = −6
fx = 5y − 9x² → fx(−2, 3) = −21
fy = 5x → fy(−2, 3) = −10
Касательная плоскость
z = −6 − 21(x + 2) − 10(y − 3)
z = −21x − 10y − 18
Линейное приближение
L = −6 + (−21)·(−0,2) + (−10)·0,2 = −3,8
Ответ
L = −3,8
Точное значение равно f = −3,256; плоскость близка, потому что шаг мал.
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 64
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).
Пределы
0 ≤ x ≤ 4, 0 ≤ y ≤ 3x
Внутренний интеграл
∫03x (x) dy = x·3x = 3x²
Внешний интеграл
I = 3·4³/3 = 64
Ответ
I = 64
11.Последовательности и ряды
Ответ: L = 1,667
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.
Корень из членов
|ak|1/k = (5k + 2)/(3k + 2) → 5/3
Вывод
L = 1,667 > 1
Ответ
L = 1,667
L > 1, поэтому ряд расходится.
12.Последовательности и ряды
Ответ: n = 6
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.
Оценки при возрастающем n
n = 5: 0,001389 ≥ 0,0005
n = 6: 0,0001984 < 0,0005
Наименьшая степень
n = 6
Ответ
n = 6
13.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 13
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 + 15s + 56 = (s + 7)(s + 8)
F(s) = A/(s + 7) + B/(s + 8)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 7) и положите s = −7: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (3s + 34)/(s + 8) |s = −7 = 13/1 = 13
Ответ
A = 13
(B = −10, поэтому f(t) = 13·e−7t − 10·e−8t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = 1,192
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) = 300/(s(s + 3)(s + 4))
Простые дроби
A = 300/(3·4) = 25
B = 300/((−3)·1) = −100
C = 300/((−4)·(−1)) = 75
Выделение
y(t) = 25 − 100·e−3t + 75·e−4t
y(0,1) = 1,192
Ответ
y(0,1) = 1,192
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(2) = 0,045
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)|.