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″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = 2. Найдите y(1,5).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + 2y/x = 4 при x > 0, y(1) = 0. Найдите y(3).
y′ + 2y/x = 4y(1) = 0
y(3) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [3 −1 5; −1 2 1; 2 −2 3]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему 4x − 3y = 2 и −3x − 2y = −1. Найдите x.
4x − 3y = 2−3x − 2y = −1
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (−6, −6, 6) и b = (−6, 0, 7).
a = (−6, −6, 6)b = (−6, 0, 7)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Сила F = (60, 0, 30) N действует в точке A(−3, −2, 4). Координаты даны в метрах. Найдите модуль |M| момента силы относительно точка O(0, 3, 0).
F = (60, 0, 30) NA(−3, −2, 4) mO(0, 3, 0) m
|M| = N·m
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫26 5/x dx.
f(x) = 5/x[2, 6]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Касательную плоскость к z = −4x³y² + 2x² − 4y² + 4xy в точке, где (x, y) = (2, −1), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Найдите критические точки функции f(x, y) = x³ + y³ + 3xy, классифицируйте их и укажите значение fmax функции f в её локальном максимуме.
f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
fmax =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите радиус сходимости R степенного ряда Σk=1∞ (x − 3)ᵏ/(k²·5ᵏ).
Σ (x − 3)ᵏ/(k²·5ᵏ)x₀ = 3
R =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = eˣ приближается её многочленом Маклорена степени 3 в точке x = 1. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = e1 = 2,718, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₃|.
f(x) = eˣn = 3x = 1M = 2,718
|R₃| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (6s + 21)/(s² + 4s + 4) и вычислите f(0,75).
F(s) = (6s + 21)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 18·u(t), где y(0) = 4 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 10. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,3).
На систему с h(t) = e−5tu(t) подан вход x(t) = 1·e−4tu(t). Найдите выход y(1) при t = 1 s.
x(t) = 1·e−4tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Последовательность импульсов имеет высоту 3, длительность импульса 0,4 ms и период 1 ms. Найдите амплитуду c3 гармоники номер 3 на частоте 3000 Hz.
A = 3τ = 0,4 msT = 1 ms
c3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 0,3316
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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Константы по начальным значениям
A + B = 2, −2A − 3B = 2
A = 8, B = −6
Вычислите
y(1,5) = 8·e−3 + (−6)·e−4,5 = 0,3316
Ответ
y(1,5) = 0,3316
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(3) = 3,852
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)′ = 4x2 → x2y = 4x3/3 + C
Начальное условие
0 = 4/3 + C → C = −1,333
Вычислите
y(3) = (4·33/3 + (−1,333))/32 = 3,852
Ответ
y(3) = 3,852
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = 9
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 = 8, M₁₂ = −5, M₁₃ = −2
Разложение по строке
det A = 3·8 − (−1)·(−5) + 5·(−2) = 9
Ответ
det A = 9
4.Матрицы и определители
Ответ: x = 0,4118
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 = 4·(−2) − (−3)·(−3) = −17
Замените столбец x
det Aₓ = 2·(−2) − (−3)·(−1) = −7
x = −7/(−17) = 0,4118
Ответ
x = 0,4118
y = −0,1176
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: a·b = 78
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.
Перемножьте соответствующие компоненты и сложите
a·b = (−6)·(−6) + (−6)·0 + 6·7 = 36 + 0 + 42 = 78
Ответ
a·b = 78
Положительное: угол между векторами меньше 90°.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: |M| = 470,5 N·m
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.
Радиус-вектор из O в A
r = A − O = (−3, −2, 4) − (0, 3, 0) = (−3, −5, 4) m
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 = 0,3333
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
2x2 = 2x → x = 0, x = 1
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333
Ответ
A = 0,3333
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: c = 132
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, −1) = −36
fx = −12x²y² + 4x + 4y → fx(2, −1) = −44
fy = −8x³y − 8y + 4x → fy(2, −1) = 80
Касательная плоскость
z = −36 − 44(x − 2) + 80(y + 1)
z = −44x + 80y + 132
Постоянный член
c = 132
Ответ
c = 132
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: fmax = 1
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.
Коэффициенты
ck/ck+1 = 5·((k + 1)/k)² → 5
Радиус
R = 5
Ответ
R = 5
В двух конечных точках признак Даламбера ничего не говорит; их нужно проверять отдельно.
12.Последовательности и ряды
Ответ: |R₃| = 0,1133
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Простые дроби
6s + 21 = 6(s + 2) + 9
F(s) = 6/(s + 2) + 9/(s + 2)²
Обратное преобразование
f(t) = 6·e−2t + 9·t·e−2t
f(0,75) = (6 + 9·0,75)·e−2·0,75 = 2,845
Ответ
f(0,75) = 2,845
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.3) = 6,113
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 + 9s + 18)·Y(s) = 4s + 36 + 180/s
Y(s) = (4s² + 36s + 180)/(s(s + 3)(s + 6))
Простые дроби
A = 180/(3·6) = 10
B = 108/((−3)·3) = −12
C = 108/((−6)·(−3)) = 6
Результат
y(t) = 10 − 12·e−3t + 6·e−6t
y(0,3) = 6,113
Ответ
y(0,3) = 6,113
Проверка: y(0) = A + B + C = 4.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(1) = 0,01158
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)|.