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′ + 10y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = -4. Найдите y(2).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = -4
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 3y′ + 18,25y = 36,5 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 3y′ + 18,25y = 36,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [−1 −4 4; 1 1 5; 5 −2 0]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [1 2; −5 −6]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (3, 0, 4) и b = (0, 3, −1).
a = (3, 0, 4)b = (0, 3, −1)
a·b =
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Сила F = (−50, −10, −10) N действует в точке A(1, −4, −2). Координаты даны в метрах. Найдите модуль |M| момента силы относительно точка O(−3, 3, 0).
F = (−50, −10, −10) NA(1, −4, −2) mO(−3, 3, 0) m
|M| = N·m
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₀1 x·sin x dx (x в радианах).
∫₀1 x·sin x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
Вычислите I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Касательную плоскость к z = 2x³e2y в точке, где (x, y) = (2, 1), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.
f(x, y) = 2x³e2y(a, b) = (2, 1)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Вычислите I = ∬T (x + y) dA по треугольнику T, ограниченному прямыми y = 0, x = 2 и y = x.
f = x + y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ x
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=1∞ 1/(k(k + 2)).
ak = 1/(k(k + 2))
S =
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
Найдите f(t) для F(s) = (3s + 25)/(s² + 6s + 9) и вычислите f(0,25).
F(s) = (3s + 25)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t), где y(0) = 4 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).
Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = 0 s и t = 2 s, а h(t) — только между t = 2 s и t = 3 s. Найдите длительность D сигнала y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 0 … 2 sh: 2 … 3 s
D = s
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 5·e−20tu(t) подан вход x(t) = 5·cos(20t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.
h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 5cos(20t)
φ = °
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 0,006135
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 + 5) = 0 → r = −2, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 1, −2A − 5B = -4
A = 0,3333, B = 0,6667
Вычислите
y(2) = 0,3333·e−4 + 0,6667·e−10 = 0,006135
Ответ
y(2) = 0,006135
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 2,616
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 ± 4j
Константы по начальным значениям
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −0,75
Максимум
t = π/4 = 0,7854
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/4) = 2,616
Ответ
ymax = 2,616
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −138
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 = 10, M₁₂ = −25, M₁₃ = −7
Разложение по строке
det A = (−1)·10 − (−4)·(−25) + 4·(−7) = −138
Ответ
det A = −138
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = −1
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 − (−5)λ + (4) = 0
Решите
λ = (−5 ± √(9))/2 → λ = −4, −1
λ = −1
Ответ
λ = −1
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: a·b = −4
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 = 3·0 + 0·3 + 4·(−1) = 0 + 0 + (−4) = −4
Ответ
a·b = −4
Отрицательное: угол между векторами больше 90°.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: |M| = 417,4 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 = (1, −4, −2) − (−3, 3, 0) = (4, −7, −2) m
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Первообразная
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Пределы
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Ответ
I = 0,3012
8.Интегралы
Ответ: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Ответ
I = 37,59
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: c = −472,9
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) = 118,2
fx = 6x²e2y → fx(2, 1) = 177,3
fy = 4x³e2y → fy(2, 1) = 236,4
Касательная плоскость
z = 118,2 + 177,3(x − 2) + 236,4(y − 1)
z = 177,3x + 236,4y − 472,9
Постоянный член
c = −472,9
Ответ
c = −472,9
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 4
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).
Пределы
0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ x
Внутренний интеграл
∫0x (x + y) dy = x·x + (x)²/2 = 1,5x²
Внешний интеграл
I = 1,5·2³/3 = 4
Ответ
I = 4
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 0,75
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.
Простые дроби
1/(k(k + 2)) = (1/2)·(1/k − 1/(k + 2))
Отмена
S = (1/2)·(1 + 1/2) = 0,75
Ответ
S = 0,75
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: f(0.25) = 3,307
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 + 6s + 9 = (s + 3)²
Простые дроби
3s + 25 = 3(s + 3) + 16
F(s) = 3/(s + 3) + 16/(s + 3)²
Обратное преобразование
f(t) = 3·e−3t + 16·t·e−3t
f(0,25) = (3 + 16·0,25)·e−3·0,25 = 3,307
Ответ
f(0,25) = 3,307
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 3,403
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 + 11s + 30)·Y(s) = 4s + 44 + 60/s
Y(s) = (4s² + 44s + 60)/(s(s + 5)(s + 6))
Простые дроби
A = 60/(5·6) = 2
B = −60/((−5)·1) = 12
C = −60/((−6)·(−1)) = −10
Результат
y(t) = 2 + 12·e−5t − 10·e−6t
y(0,2) = 3,403
Ответ
y(0,2) = 3,403
Проверка: y(0) = A + B + C = 4.
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 = 0 + 2 = 2 s
tend = 2 + 3 = 5 s
Ответ
D = 3 s
Ответ
D = 3 s
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: φ = −45 °
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)|.