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
Банку газировки температурой 6 °C достали из холодильника в комнату при 22 °C. Через 17 min температура равна 19 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.
T0 = 6 °CTa = 22 °CT(17) = 19 °C
k = min⁻¹
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите y″ + y′ + 4,25y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(1); углы в радианах.
y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [5 −4 −2; −3 5 −4; −4 −3 5]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −x − 4y = −3 и −3x + 2y = 10. Найдите x.
−x − 4y = −3−3x + 2y = 10
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (10, 10, −20) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−2, 1, 0) в точку B(−4, −2, 0). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (10, 10, −20) NA(−2, 1, 0) mB(−4, −2, 0) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Для a = (−2, −2, 3) и b = (−6, −6, −6) найдите y-компоненту (a × b)y векторного произведения a × b.
a = (−2, −2, 3)b = (−6, −6, −6)
(a × b)y =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫210 1/x dx.
f(x) = 1/x[2, 10]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области между параболой y = 9 − x² и осью x.
y = 9 − x²
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Для f(x, y) = 5x³y² − 5x³ + 2y² + xy найдите наибольшую скорость изменения f в точке (−2, 2), то есть |∇f|.
f(x, y) = 5x³y² − 5x³ + 2y² + xyP = (−2, 2)
|∇f| =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Найдите площадь I = ∬R 1 dA области R между параболой y = x² и прямой y = x.
y = x²y = xf = 1
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=1∞ 3/(k(k + 1)).
ak = 3/(k(k + 1))
S =
12.Последовательности и рядыСложная
Найдите коэффициент c₂ при (x − 1)² в ряде Тейлора функции f(x) = √x в точке a = 1.
f(x) = √xa = 1k = 2
c₂ =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (s + 38)/(s² + 2s + 1) и вычислите f(0,5).
F(s) = (s + 38)/(s² + 2s + 1)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 8y′ + 12y = 12·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 1 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,4).
Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−1tu(t). На входе ступенька x(t) = 1·u(t). Найдите выход y(0,2) при t = 0,2 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 2·e−20tu(t) подан вход x(t) = 10·cos(40t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.
h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 10cos(40t)
φ = °
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: k = 0,09847 min⁻¹
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.
Отношение разностей температур
e−17k = -3/-16
Найдите k
k = ln(-16/-3)/17 = 0,09847 min⁻¹
Ответ
k = 0,09847 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = −0,3436
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.
Комплексные корни
r = −0,5 ± 2j
Константы
A = 3, B = 0,5·3/2 = 0,75
Вычислите
y(1) = e−0,5(3·cos 2 + 0,75·sin 2) = −0,3436
Ответ
y(1) = −0,3436
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −117
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 = 13, M₁₂ = −31, M₁₃ = 29
Разложение по строке
det A = 5·13 − (−4)·(−31) + (−2)·29 = −117
Ответ
det A = −117
4.Матрицы и определители
Ответ: x = −2,429
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 = (−1)·2 − (−4)·(−3) = −14
Замените столбец x
det Aₓ = (−3)·2 − (−4)·10 = 34
x = 34/(−14) = −2,429
Ответ
x = −2,429
y = 1,357
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = −50 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 = (−4, −2, 0) − (−2, 1, 0) = (−2, −3, 0) m
Работа
W = F·d = 10·(−2) + 10·(−3) + (−20)·0 = −50 J
Ответ
W = −50 J
Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: (a × b)y = −30
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.
Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.
7.Интегралы
Ответ: I = 1,609
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) = ln x
Подставьте пределы
I = (ln 10 − ln 2) = ln 5 = 1,609
Ответ
I = 1,609
8.Интегралы
Ответ: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Интегрируйте
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Ответ
A = 36
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: |∇f| = 238,4
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.
Частные производные
fx = 15x²y² − 15x² + y → fx(−2, 2) = 182
fy = 10x³y + 4y + x → fy(−2, 2) = −154
Длина градиента
|∇f| = √(182² + (−154)²) = 238,4
Ответ
|∇f| = 238,4
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,1667
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).
Точки пересечения
x² = x → x = 0, x = 1
Внутренний интеграл
∫x²x 1 dy = x − x²
Внешний интеграл
I = ∫01 (x − x²) dx = 0,1667
Ответ
I = 0,1667
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 3
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
3/(k(k + 1)) = 3·(1/k − 1/(k + 1))
Отмена
S = 3·1 = 3
Ответ
S = 3
12.Последовательности и ряды
Ответ: c₂ = −0,125
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.
Производная f⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2
Коэффициент
c₂ = −0,25·11/2 − 2/2! = −0,125
c₂ = −0,125
Ответ
c₂ = −0,125
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.5) = 11,83
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 + 2s + 1 = (s + 1)²
Простые дроби
s + 38 = 1(s + 1) + 37
F(s) = 1/(s + 1) + 37/(s + 1)²
Обратное преобразование
f(t) = e−t + 37·t·e−t
f(0,5) = (1 + 37·0,5)·e−0,5 = 11,83
Ответ
f(0,5) = 11,83
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.4) = 0,3714
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) = 12/(s(s + 2)(s + 6))
Простые дроби
A = 12/(2·6) = 1
B = 12/((−2)·4) = −1,5
C = 12/((−6)·(−4)) = 0,5
Выделение
y(t) = 1 − 1,5·e−2t + 0,5·e−6t
y(0,4) = 0,3714
Ответ
y(0,4) = 0,3714
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(0.2) = 0,1813
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).
Свёртка со ступенькой
y(t) = 1·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (1/1)·(1 − e−1t)
Вычислите
y(0,2) = 1·(1 − e−0,2) = 0,1813
Ответ
y(0,2) = 0,1813
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: φ = −63,43 °
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)|.