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″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 4. Найдите y(2).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [−5 4 3; −2 −5 −2; −1 0 −1]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [6 −1; 6 1]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (30, −25, −5) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−3, 5, −3) в точку B(−5, −5, 4). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (30, −25, −5) NA(−3, 5, −3) mB(−5, −5, 4) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (5, −4, 0) и b = (4, 3, −4) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его x-компоненту n̂x.
a = (5, −4, 0)b = (4, 3, −4)n̂z > 0
n̂x =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫28 5/x dx.
f(x) = 5/x[2, 8]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 2x2 и y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
z = x³e0,5y, где x = −t + 1 и y = 2t². Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = −1.
z = x³e0,5yx = −t + 1y = 2t²t = −1
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Найдите критические точки функции f(x, y) = x³ − 3x + y² + 6y, классифицируйте их и укажите значение fmin функции f в её локальном минимуме.
f(x, y) = x³ − 3x + y² + 6y
fmin =
11.Последовательности и рядыСредняя
Примените признак Даламбера к Σk=1∞ kᵏ/(3ᵏ·k!). Найдите L = lim |ak+1/ak|.
ak = kᵏ/(3ᵏ·k!)
L =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = sin x приближается её многочленом Маклорена степени 5 в точке x = 1. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 1, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₅|.
f(x) = sin xn = 5x = 1M = 1
|R₅| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = 30/(s² + 11s + 24). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−3t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = 30/(s² + 11s + 24)
A =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 5y = 2,5·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 2 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(1).
Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = −1 s и t = 0 s, а h(t) — только между t = 2 s и t = 4 s. Найдите момент времени tend, в который заканчивается y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 0 sh: 2 … 4 s
tend = s
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[5].
y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 0,0353
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Константы по начальным значениям
A + B = 3, −3A − 4B = 4
A = 16, B = −13
Вычислите
y(2) = 16·e−6 + (−13)·e−8 = 0,0353
Ответ
y(2) = 0,0353
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 2,19
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 = −1,5 ± 2j
Константы по начальным значениям
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −1,5
Максимум
t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/2) = 2,19
Ответ
ymax = 2,19
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −40
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 = 5, M₁₂ = 0, M₁₃ = −5
Разложение по строке
det A = (−5)·5 − 4·0 + 3·(−5) = −40
Ответ
det A = −40
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 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.
Характеристическое уравнение
λ² − (7)λ + (12) = 0
Решите
λ = (7 ± √(1))/2 → λ = 3, 4
λ = 4
Ответ
λ = 4
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = 155 J
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.
Перемещение
d = B − A = (−5, −5, 4) − (−3, 5, −3) = (−2, −10, 7) m
Работа
W = F·d = 30·(−2) + (−25)·(−10) + (−5)·7 = 155 J
Ответ
W = 155 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: n̂x = 0,3979
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) = 5·ln x
Подставьте пределы
I = 5·(ln 8 − ln 2) = 5·ln 4 = 6,931
Ответ
I = 6,931
8.Интегралы
Ответ: A = 1,125
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 = 3x → x = 0, x = 1,5
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Ответ
A = 1,125
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: dz/dt = −76,11
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.
Точка и скорости
x(−1) = 2, y(−1) = 2
dx/dt = −1, dy/dt = 4t = −4
Частные производные
fx = 3x²e0,5y = 32,62
fy = 0,5x³e0,5y = 10,87
Цепное правило
dz/dt = 32,62·(−1) + 10,87·(−4) = −76,11
Ответ
dz/dt = −76,11
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: fmin = −11
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 − 3) = 0
fy = (2y + 6) = 0
(1, −3), (−1, −3)
Тест по вторым производным
(1, −3): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → локальный минимум
(−1, −3): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → седловая точка
Значение в экстремуме
f(1, −3) = −11
Ответ
fmin = −11
11.Последовательности и ряды
Ответ: L = 0,9061
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.
Отношение соседних членов
|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/3 → e/3
Вывод
L = 0,9061 < 1
Ответ
L = 0,9061
L < 1, поэтому ряд сходится.
12.Последовательности и ряды
Ответ: |R₅| = 0,001389
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 + 11s + 24 = (s + 3)(s + 8)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 8)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 3) и положите s = −3: слагаемое с B обращается в нуль.
A = 30/(s + 8) |s = −3 = 30/5 = 6
Ответ
A = 6
(B = −6, поэтому f(t) = 6·e−3t − 6·e−8t)
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(1) = 0,5418
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
Y(s) = 5/(s(s + 1)(s + 5))
Простые дроби
A = 5/(1·5) = 1
B = 5/((−1)·4) = −1,25
C = 5/((−5)·(−4)) = 0,25
Выделение
y(t) = 1 − 1,25·e−t + 0,25·e−5t
y(1) = 0,5418
Ответ
y(1) = 0,5418
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: tend = 4 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 = −1 + 2 = 1 s
tend = 0 + 4 = 4 s
Ответ
tend = 4 s
Ответ
tend = 4 s
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y[5] = 1,969
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)|.