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 27 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,08 min⁻¹ найдите температуру T через 18 min.
T0 = 6 °CTa = 27 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 18 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y′ + 3y = 4e−t при y(0) = 4. Найдите y(2).
y′ + 3y = 4e−ty(0) = 4
y(2) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [4 2 3; −1 −2 −1; 4 −3 5]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему x − 6y = −11 и −5x − 3y = −5. Найдите x.
x − 6y = −11−5x − 3y = −5
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярную проекцию compb a вектора a = (2, −2, 5) на b = (−4, 5, 0), то есть компоненту a в направлении b.
a = (2, −2, 5)b = (−4, 5, 0)
compb a =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите площадь A треугольника с вершинами A(−1, 1, −3), B(3, −2, −2) и C(−4, 0, 2). Координаты даны в метрах.
A(−1, 1, −3)B(3, −2, −2)C(−4, 0, 2)
A = m²
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫26 1/x dx.
f(x) = 1/x[2, 6]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Используйте касательную плоскость к f(x, y) = −2xy³ − 2x² + 3y³ + 3xy в точке (1, 2), чтобы приблизить f(1,2, 2,1). Укажите линейное приближение L.
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫00,8 ∫x0,8 cos(y²) dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите радиус сходимости R степенного ряда Σk=1∞ k²·4ᵏ·xᵏ.
Σ k²·4ᵏ·xᵏx₀ = 0
R =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = sin x приближается её многочленом Маклорена степени 2 в точке x = −0,5. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 1, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₂|.
f(x) = sin xn = 2x = −0,5M = 1
|R₂| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (6s + 38)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,5).
F(s) = (6s + 38)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 9y′ + 18y = 0 при y(0) = −3 и y′(0) = 7 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).
y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −3y′(0) = 7t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с h(t) = e−5tu(t). Найдите выход y(2,5) при t = 2,5 s, после окончания импульса.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[3].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 22,02 °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) = 27 + (−21)·e−0,08t
Подставьте t
T(18) = 27 + (−21)·0,2369 = 22,02 °C
Ответ
T = 22,02 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 0,2756
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 = e3t
(e3ty)′ = 4e2t
Общее решение
y = 4/2·e−t + C·e−3t = 2·e−t + C·e−3t
Начальное условие
4 = 2 + C → C = 2
Вычислите
y(2) = 2·0,1353 + 2·0,002479 = 0,2756
Ответ
y(2) = 0,2756
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −17
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 = −13, M₁₂ = −1, M₁₃ = 11
Разложение по строке
det A = 4·(−13) − 2·(−1) + 3·11 = −17
Ответ
det A = −17
4.Матрицы и определители
Ответ: x = −0,09091
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 = 1·(−3) − (−6)·(−5) = −33
Замените столбец x
det Aₓ = (−11)·(−3) − (−6)·(−5) = 3
x = 3/(−33) = −0,09091
Ответ
x = −0,09091
y = 1,818
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: compb a = −2,811
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 = 2·(−4) + (−2)·5 + 5·0 = −18
Длина b
|b| = √((−4)² + 5² + 0²) = 6,403
Скалярная проекция
compb a = a·b/|b| = −18/6,403 = −2,811
Ответ
compb a = −2,811
Отрицательная: у a есть компонента, направленная против b.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: A = 14,95 m²
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.
Первообразная
F(x) = ln x
Подставьте пределы
I = (ln 6 − ln 2) = ln 3 = 1,099
Ответ
I = 1,099
8.Интегралы
Ответ: A = 1,333
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
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Ответ
A = 1,333
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: L = 10,7
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(1, 2) = 12
fx = −2y³ − 4x + 3y → fx(1, 2) = −14
fy = −6xy² + 9y² + 3x → fy(1, 2) = 15
Касательная плоскость
z = 12 − 14(x − 1) + 15(y − 2)
z = −14x + 15y − 4
Линейное приближение
L = 12 + (−14)·0,2 + 15·0,1 = 10,7
Ответ
L = 10,7
Точное значение равно f = 10,2366; плоскость близка, потому что шаг мал.
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,2986
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 ≤ 0,8
Изменённый порядок
I = ∫00,8 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫00,8 y·cos(y²) dy
Замена u = y²
I = [sin(y²)/2]00,8 = 0,2986
Ответ
I = 0,2986
11.Последовательности и ряды
Ответ: R = 0,25
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.
Коэффициенты
ck/ck+1 = (1/4)·(k/(k + 1))² → 1/4
Радиус
R = 0,25
Ответ
R = 0,25
В двух конечных точках признак Даламбера ничего не говорит; их нужно проверять отдельно.
12.Последовательности и ряды
Ответ: |R₂| = 0,02083
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.
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
Простые дроби
6s + 38 = 6(s + 4) + 14
F(s) = 6/(s + 4) + 14/(s + 4)²
Обратное преобразование
f(t) = 6·e−4t + 14·t·e−4t
f(0,5) = (6 + 14·0,5)·e−4·0,5 = 1,759
Ответ
f(0,5) = 1,759
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = −1,812
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
s²Y − (−3)s − 7 + 9(sY − (−3)) + 18Y = 0
Y(s) = (−3s − 20)/((s + 3)(s + 6))
Простые дроби
A = −11/3 = −3,667
B = −2/(−3) = 0,6667
Результат
y(t) = −3,667·e−3t + 0,6667·e−6t
y(0,2) = −1,812
Ответ
y(0,2) = −1,812
Проверка: y(0) = A + B = −3.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(2.5) = 0,06567
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).
Выход в конце импульса
y(2) = (4/5)(1 − e−10) = 0,8
Затухание после импульса
y(2,5) = 0,8·e−5·0,5 = 0,06567
Ответ
y(2,5) = 0,06567
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y[3] = 5,625
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)|.