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″ + 4y′ + 3y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 2. Найдите y(0,5).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + 3y/x = x2 при x > 0, y(1) = −2. Найдите y(2).
y′ + 3y/x = x2y(1) = −2
y(2) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [0 −4 3; 0 2 1; 2 −3 −2]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −5x + 2y = −5 и −6x − 5y = 7. Найдите x.
−5x + 2y = −5−6x − 5y = 7
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите угол θ между векторами a = (1, −1, 3) и b = (0, −1, −1) в градусах.
a = (1, −1, 3)b = (0, −1, −1)
θ = °
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (−4, 1, 0) и b = (3, 1, −5) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его x-компоненту n̂x.
a = (−4, 1, 0)b = (3, 1, −5)n̂z > 0
n̂x =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 1 − x² и осью x.
y = 1 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = 4x²y³ + 4x² − y³ + 3xy найдите производную по направлению Duf в точке P(2, 3) в направлении к Q(6, 4).
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Функция f(x, y) = −x³ + 3x − y² имеет критическую точку (1, 0). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = −x³ + 3x − y²P = (1, 0)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите радиус сходимости R степенного ряда Σk=1∞ xᵏ/4ᵏ.
Σ xᵏ/4ᵏx₀ = 0
R =
12.Последовательности и рядыСложная
Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·22k/(2k)!
S =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = 20/(s² + 4s + 3). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−3t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = 20/(s² + 4s + 3)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 7y′ + 6y = 5u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 1 s. Найдите g(1).
y″ + 7y′ + 6y = 5ut = 1 s
g(1) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Импульс x(t) = 5 при 0 ≤ t < 4 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 3 при t = 0 до 0 при t = 4 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Последовательность импульсов имеет высоту 4, длительность импульса 5 ms и период 20 ms. Найдите амплитуду c2 гармоники номер 2 на частоте 100 Hz.
A = 4τ = 5 msT = 20 ms
c2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 4,375
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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3
Константы по начальным значениям
A + B = 5, −1A − 3B = 2
A = 8,5, B = −3,5
Вычислите
y(0,5) = 8,5·e−0,5 + (−3,5)·e−1,5 = 4,375
Ответ
y(0,5) = 4,375
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 1,063
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∫3/x dx = x3
Интегрируйте
(x3y)′ = x5 → x3y = 1x6/6 + C
Начальное условие
−2 = 1/6 + C → C = −2,167
Вычислите
y(2) = (1·26/6 + (−2,167))/23 = 1,063
Ответ
y(2) = 1,063
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −20
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 = −2, M₁₃ = −4
Разложение по строке
det A = 0·(−1) − (−4)·(−2) + 3·(−4) = −20
Ответ
det A = −20
4.Матрицы и определители
Ответ: x = 0,2973
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 = (−5)·(−5) − 2·(−6) = 37
Замените столбец x
det Aₓ = (−5)·(−5) − 2·7 = 11
x = 11/37 = 0,2973
Ответ
x = 0,2973
y = −1,757
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 115,2 °
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 = 1·0 + (−1)·(−1) + 3·(−1) = −2
Модули
|a| = √(1² + (−1)² + 3²) = 3,317
|b| = √(0² + (−1)² + (−1)²) = 1,414
Угол
cos θ = −2/(3,317·1,414) = −0,4264
θ = arccos(−0,4264) = 115,2°
Ответ
θ = 115,2°
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: n̂x = 0,2297
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 = 1·(−5) − 0·1 = −5
(a × b)y = azbx − axbz = 0·3 − (−4)·(−5) = −20
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·1 − 1·3 = −7
Нормирование
z-компонента a × b отрицательна, поэтому берите −(a × b).
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.
Замена переменной
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
Проинтегрируйте и подставьте пределы
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Ответ
I = 12
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.
Нули
1 − x² = 0 → x = ±1
Интегрируйте
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Ответ
A = 1,333
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: Duf = 543
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.
Градиент в точке
fx = 8xy³ + 8x + 3y → fx(2, 3) = 457
fy = 12x²y² − 3y² + 3x → fy(2, 3) = 411
Единичный вектор
|v| = √(4² + 1²) = 4,123
u = (0,9701, 0,2425)
Скалярное произведение
Duf = 457·0,9701 + 411·0,2425 = 543
Ответ
Duf = 543
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: D = 12
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 = −6, fyy = −2, fxy = 0
Дискриминант
D = (−6)·(−2) − 0² = 12
→ локальный максимум
Ответ
D = 12
11.Последовательности и ряды
Ответ: R = 4
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 = 4
Радиус
R = 4
Ответ
R = 4
В двух конечных точках признак Даламбера ничего не говорит; их нужно проверять отдельно.
12.Последовательности и ряды
Ответ: S = −0,4161
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 = 2
S = cos 2 = −0,4161
Ответ
S = −0,4161
13.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 10
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 + 3 = (s + 1)(s + 3)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 3)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.
A = 20/(s + 3) |s = −1 = 20/2 = 10
Ответ
A = 10
(B = −10, поэтому f(t) = 10·e−t − 10·e−3t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: g(1) = 0,3654
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).
Передаточная функция
G(s) = Y(s)/U(s) = 5/(s² + 7s + 6)
Простые дроби
s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 1, B = −1
Импульсная характеристика
g(t) = e−t − e−6t
g(1) = 0,3654
Ответ
g(1) = 0,3654
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 120
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 = 5·4 = 20
∫h dt = ½·4·3 = 6
Площадь выхода
Ay = 20·6 = 120
Ответ
Ay = 120
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c2 = 1,273
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)|.