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 360 °C оставили остывать в цехе при 28 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,03 min⁻¹ найдите температуру T через 55 min.
T0 = 360 °CTa = 28 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 55 min
T = °C
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + y′ + 9,25y = 18,5 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + y′ + 9,25y = 18,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [−2 3 −3; 4 −4 −4; 1 −2 5]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [5 1; 5 1]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (−5, 1, −5) и b = (−2, −6, −1) в градусах.
a = (−5, 1, −5)b = (−2, −6, −1)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите площадь A треугольника с вершинами A(2, −2, −1), B(3, 4, −1) и C(−4, −2, −4). Координаты даны в метрах.
A(2, −2, −1)B(3, 4, −1)C(−4, −2, −4)
A = m²
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫03 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 3]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 4 − x² и осью x.
y = 4 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = 2 sin(x + 2y) найдите направление наискорейшего роста в точке (−1, 0,5) как угол θ от положительной оси x, в градусах между −180° и 180°.
f(x, y) = 2 sin(x + 2y)P = (−1, 0,5)
θ = °
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Отмеченные точки — критические точки функции f(x, y) = x³ + y³ + 3xy. Нажмите на седловую точку.
f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
1A (0, 0)
2B (−1, −1)
11.Последовательности и рядыСредняя
Примените радикальный признак Коши к Σk=1∞ ((3k + 3)/(5k + 5))ᵏ. Найдите L = lim |ak|1/k.
ak = ((3k + 3)/(5k + 5))ᵏ
L =
12.Последовательности и рядыСложная
Найдите коэффициент c₂ при (x − 4)² в ряде Тейлора функции f(x) = 1/x в точке a = 4.
f(x) = 1/xa = 4k = 2
c₂ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (2s + 15)/(s² + 4s + 4) и вычислите f(0,6).
F(s) = (2s + 15)/(s² + 4s + 4)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t), где y(0) = 2 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).
Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = 2 s и t = 4 s, а h(t) — только между t = −1 s и t = 0 s. Найдите длительность D сигнала y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 2 … 4 sh: −1 … 0 s
D = s
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −1 и +1 s периодом T = 20 ms. Найдите амплитуду c3 её фурье-компоненты на частоте 150 Hz.
±1T = 20 msf = 150 Hz
c3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 91,76 °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) = 28 + 332·e−0,03t
Подставьте t
T(55) = 28 + 332·0,192 = 91,76 °C
Ответ
T = 91,76 °C
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 3,185
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 = −0,5 ± 3j
Константы по начальным значениям
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,3333
Максимум
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/3) = 3,185
Ответ
ymax = 3,185
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −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.
Миноры 2×2 первой строки
M₁₁ = −28, M₁₂ = 24, M₁₃ = −4
Разложение по строке
det A = (−2)·(−28) − 3·24 + (−3)·(−4) = −4
Ответ
det A = −4
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 6
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 − (6)λ + (0) = 0
Решите
λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6
Ответ
λ = 6
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 78,65 °
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 = (−5)·(−2) + 1·(−6) + (−5)·(−1) = 9
Модули
|a| = √((−5)² + 1² + (−5)²) = 7,141
|b| = √((−2)² + (−6)² + (−1)²) = 6,403
Угол
cos θ = 9/(7,141·6,403) = 0,1968
θ = arccos(0,1968) = 78,65°
Ответ
θ = 78,65°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: A = 20,18 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) = e−x/(−1)
Подставьте пределы
I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502
Ответ
I = 0,9502
8.Интегралы
Ответ: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Интегрируйте
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Ответ
A = 10,67
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: θ = 63,43 °
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.
Частные производные
fx = 2 cos(x + 2y) → fx(−1, 0,5) = 2
fy = 4 cos(x + 2y) → fy(−1, 0,5) = 4
Направление
θ = atan2(4, 2) = 63,43°
Ответ
θ = 63,43°
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: A (0, 0)
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).
Критические точки
Решите fx = 0 и fy = 0 совместно.
fx = 3x² + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)
Тест по вторым производным
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → седловая точка
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 = (3k + 3)/(5k + 5) → 3/5
Вывод
L = 0,6 < 1
Ответ
L = 0,6
L < 1, поэтому ряд сходится.
12.Последовательности и ряды
Ответ: c₂ = 0,01563
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⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = 2/x³
Коэффициент
c₂ = 2/(4³·2) = 0,01563
c₂ = 0,01563
Ответ
c₂ = 0,01563
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.6) = 2,59
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Простые дроби
2s + 15 = 2(s + 2) + 11
F(s) = 2/(s + 2) + 11/(s + 2)²
Обратное преобразование
f(t) = 2·e−2t + 11·t·e−2t
f(0,6) = (2 + 11·0,6)·e−2·0,6 = 2,59
Ответ
f(0,6) = 2,59
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 3,665
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) = 2s + 14 + 150/s
Y(s) = (2s² + 14s + 150)/(s(s + 2)(s + 5))
Простые дроби
A = 150/(2·5) = 15
B = 130/((−2)·3) = −21,67
C = 130/((−5)·(−3)) = 8,667
Результат
y(t) = 15 − 21,67·e−2t + 8,667·e−5t
y(0,2) = 3,665
Ответ
y(0,2) = 3,665
Проверка: y(0) = A + B + C = 2.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: D = 3 s
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).
Начало и конец
tstart = 2 + (−1) = 1 s
tend = 4 + 0 = 4 s
Ответ
D = 3 s
Ответ
D = 3 s
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)|.