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″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = -1. Найдите y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 500 L воды, в которой растворено 20 kg соли. Рассол с содержанием соли 0,2 kg на литр поступает со скоростью 5 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Через сколько минут t в баке будет 52 kg соли?
V = 500 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.Матрицы и определителиСредняя
Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c11 (строка 1, столбец 1).
A = [−2 −6; 0 4]B = [1 −2; 3 −6]
c11 =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему 6x + 6y = −10 и 6x − 2y = 11. Найдите x.
6x + 6y = −106x − 2y = 11
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (−30, 5, 5) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−5, −3, −3) в точку B(−3, −1, −4). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (−30, 5, 5) NA(−5, −3, −3) mB(−3, −1, −4) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (5, −4, 2), b = (−2, 1, 5) и c = (−2, 5, −3).
a = (5, −4, 2)b = (−2, 1, 5)c = (−2, 5, −3)
V =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
z = 4x²y² − 5x³ + 2y³ − 3xy, где x = t + 2 и y = t² + 1. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 1.
z = 4x²y² − 5x³ + 2y³ − 3xyx = t + 2y = t² + 1t = 1
dz/dt =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Функция f(x, y) = x³ − 3x + y² − 4y имеет критическую точку (−1, 2). Вычислите там дискриминант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ − 3x + y² − 4yP = (−1, 2)
D =
11.Последовательности и рядыСредняя
Примените радикальный признак Коши к Σk=1∞ ((3k + 6)/(5k + 1))ᵏ. Найдите L = lim |ak|1/k.
ak = ((3k + 6)/(5k + 1))ᵏ
L =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = eˣ приближается её многочленом Маклорена степени 3 в точке x = 1,5. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = e1,5 = 4,482, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₃|.
f(x) = eˣn = 3x = 1,5M = 4,482
|R₃| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,8).
F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3))t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 54·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(0,3).
Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = −2 s и t = 0 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 … 0 sh: −1 … 0 s
D = s
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Последовательность импульсов имеет высоту 2, длительность импульса 2 ms и период 5 ms. Найдите амплитуду c3 гармоники номер 3 на частоте 600 Hz.
A = 2τ = 2 msT = 5 ms
c3 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(0.5) = 1,15
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.
Двойной корень
(r + 4)² = 0 → r = −4
Константы
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 12 = 11
Вычислите
y(0,5) = (3 + 11·0,5)·e−2 = 1,15
Ответ
y(0,5) = 1,15
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 51,08 min
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.
Результат
m(t) = 100 + (−80)·e−t/100
Найдите t
e−t/100 = (100 − 52)/(100 − 20) = 0,6
t = 100·ln(1,667) = 51,08 min
Ответ
t = 51,08 min
3.Матрицы и определители
Ответ: c11 = −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.
Строка на столбец
c11 = (−2)·1 + (−6)·3 = −20
Ответ
c11 = −20
4.Матрицы и определители
Ответ: x = 0,9583
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 = 6·(−2) − 6·6 = −48
Замените столбец x
det Aₓ = (−10)·(−2) − 6·11 = −46
x = −46/(−48) = 0,9583
Ответ
x = 0,9583
y = −2,625
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = −55 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 = (−3, −1, −4) − (−5, −3, −3) = (2, 2, −1) m
Работа
W = F·d = (−30)·2 + 5·2 + 5·(−1) = −55 J
Ответ
W = −55 J
Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: V = 92
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 1·(−3) − 5·5 = −28
(b × c)y = bzcx − bxcz = 5·(−2) − (−2)·(−3) = −16
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·5 − 1·(−2) = −8
Скалярное произведение с a
a·(b × c) = 5·(−28) + (−4)·(−16) + 2·(−8) = −92
V = |−92| = 92
Ответ
V = 92
7.Интегралы
Ответ: I = 0,1436
Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.
Выберите u и dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первообразная
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Пределы
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Ответ
I = 0,1436
8.Интегралы
Ответ: I = 98,43
Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.
Первый шаг
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Второй шаг
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Пределы
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Ответ
I = 98,43
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: dz/dt = 273
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) = 3, y(1) = 2
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 2
Частные производные
fx = 8xy² − 15x² − 3y = −45
fy = 8x²y + 6y² − 3x = 159
Цепное правило
dz/dt = (−45)·1 + 159·2 = 273
Ответ
dz/dt = 273
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
→ седловая точка
Ответ
D = −12
11.Последовательности и ряды
Ответ: L = 0,6
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 + 6)/(5k + 1) → 3/5
Вывод
L = 0,6 < 1
Ответ
L = 0,6
L < 1, поэтому ряд сходится.
12.Последовательности и ряды
Ответ: |R₃| = 0,9454
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).
Простые дроби
F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 50/(1·3) = 16,67
B = 50/((−1)·2) = −25
C = 50/((−3)·(−2)) = 8,333
Обратное преобразование
f(t) = 16,67 − 25·e−t + 8,333·e−3t
Вычислите
f(0,8) = 16,67 − 25·e−0,8 + 8,333·e−3·0,8 = 6,189
Ответ
f(0,8) = 6,189
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.3) = 6,578
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) = 2s + 18 + 270/s
Y(s) = (2s² + 18s + 270)/(s(s + 3)(s + 6))
Простые дроби
A = 270/(3·6) = 15
B = 234/((−3)·3) = −26
C = 234/((−6)·(−3)) = 13
Результат
y(t) = 15 − 26·e−3t + 13·e−6t
y(0,3) = 6,578
Ответ
y(0,3) = 6,578
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) = −3 s
tend = 0 + 0 = 0 s
Ответ
D = 3 s
Ответ
D = 3 s
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c3 = 0,2495
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)|.