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 6 °C достали из холодильника в комнату при 26 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,03 min⁻¹ найдите температуру T через 21 min.
T0 = 6 °CTa = 26 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 21 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите y(1); углы в радианах.
y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [0 −3 2; 4 −5 −2; 0 4 −2]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [−2 −2; 4 4]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (−7, −2, 4) на b = (−2, 4, 2), то есть компоненту a в направлении b.
a = (−7, −2, 4)b = (−2, 4, 2)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите площадь A параллелограмма, построенного на a = (0, 3, −1) и b = (−3, −1, 0).
a = (0, 3, −1)b = (−3, −1, 0)
A =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫26 5/x dx.
f(x) = 5/x[2, 6]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = −2x³e2y найдите наибольшую скорость изменения f в точке (0,5, 0,5), то есть |∇f|.
f(x, y) = −2x³e2yP = (0,5, 0,5)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫01,5 ∫x1,5 cos(y²) dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,5
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.
Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ/(2k)!
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 5)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,6).
F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,3).
Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−1tu(t). На входе ступенька x(t) = 4·u(t). Найдите выход y(4) при t = 4 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 4 s
y(4) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Последовательность импульсов имеет высоту 10, длительность импульса 1 ms и период 4 ms. Найдите амплитуду c2 гармоники номер 2 на частоте 500 Hz.
A = 10τ = 1 msT = 4 ms
c2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 15,35 °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) = 26 + (−20)·e−0,03t
Подставьте t
T(21) = 26 + (−20)·0,5326 = 15,35 °C
Ответ
T = 15,35 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 10,01
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 = 10, r = −1,5 ± 5j
Константы по начальным значениям
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3
Вычислите
y(1) = 10·(1 − e−1,5(cos 5 + 0,3·sin 5)) = 10,01
Ответ
y(1) = 10,01
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = 8
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 = 18, M₁₂ = −8, M₁₃ = 16
Разложение по строке
det A = 0·18 − (−3)·(−8) + 2·16 = 8
Ответ
det A = 8
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 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.
Характеристическое уравнение
λ² − (2)λ + (0) = 0
Решите
λ = (2 ± √(4))/2 → λ = 0, 2
λ = 2
Ответ
λ = 2
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: compb a = 2,858
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 = (−7)·(−2) + (−2)·4 + 4·2 = 14
Длина b
|b| = √((−2)² + 4² + 2²) = 4,899
Скалярная проекция
compb a = a·b/|b| = 14/4,899 = 2,858
Ответ
compb a = 2,858
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: A = 9,539
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 = 3·0 − (−1)·(−1) = −1
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−3) − 0·0 = 3
(a × b)z = axby − aybx = 0·(−1) − 3·(−3) = 9
Площадь
A = |a × b| = √((−1)² + 3² + 9²) = 9,539
Ответ
A = 9,539
7.Интегралы
Ответ: I = 5,493
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) = 5·ln x
Подставьте пределы
I = 5·(ln 6 − ln 2) = 5·ln 3 = 5,493
Ответ
I = 5,493
8.Интегралы
Ответ: A = 4,5
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
x2 = 3x → x = 0, x = 3
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Ответ
A = 4,5
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: |∇f| = 4,298
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.
Частные производные
fx = −6x²e2y → fx(0,5, 0,5) = −4,077
fy = −4x³e2y → fy(0,5, 0,5) = −1,359
Длина градиента
|∇f| = √((−4,077)² + (−1,359)²) = 4,298
Ответ
|∇f| = 4,298
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,389
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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,5
Изменённый порядок
I = ∫01,5 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01,5 y·cos(y²) dy
Замена u = y²
I = [sin(y²)/2]01,5 = 0,389
Ответ
I = 0,389
11.Последовательности и ряды
Ответ: A: Σ (k + 1)/k²
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 (k + 1)/k² → При больших k ведёт себя как 1/k: расходится по признаку сравнения с гармоническим рядом.
C: Σ 1/(k(k + 1)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.
D: Σ (2/5)ᵏ → Геометрический ряд с r = 2/5, |r| < 1: сходится.
Ответ
A: Σ (k + 1)/k²
Ответ
A: Σ (k + 1)/k²
12.Последовательности и ряды
Ответ: S = 0,5403
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 = 1
S = cos 1 = 0,5403
Ответ
S = 0,5403
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.6) = 2,285
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).
Простые дроби
F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 35/(1·5) = 7
B = 35/((−1)·4) = −8,75
C = 35/((−5)·(−4)) = 1,75
Обратное преобразование
f(t) = 7 − 8,75·e−t + 1,75·e−5t
Вычислите
f(0,6) = 7 − 8,75·e−0,6 + 1,75·e−5·0,6 = 2,285
Ответ
f(0,6) = 2,285
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.3) = 5,766
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 + 7s + 10)·Y(s) = 6s + 42 + 50/s
Y(s) = (6s² + 42s + 50)/(s(s + 2)(s + 5))
Простые дроби
A = 50/(2·5) = 5
B = −10/((−2)·3) = 1,667
C = −10/((−5)·(−3)) = −0,6667
Результат
y(t) = 5 + 1,667·e−2t − 0,6667·e−5t
y(0,3) = 5,766
Ответ
y(0,3) = 5,766
Проверка: y(0) = A + B + C = 6.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(4) = 3,927
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) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)
Вычислите
y(4) = 4·(1 − e−4) = 3,927
Ответ
y(4) = 3,927
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c2 = 3,183
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)|.