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
Кованую стальную деталь температурой 380 °C оставили остывать в цехе при 20 °C. Через 47 min температура равна 75 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через какое время после начала, t, температура достигнет 258 °C?
T0 = 380 °CTa = 20 °CT(47) = 75 °CT = 258 °C
t = min
2.Дифференциальные уравненияСложная
Решите задачу Коши y′ + y/x = x при x > 0, y(1) = −3. Найдите y(2).
y′ + y/x = xy(1) = −3
y(2) =
3.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [−1 2 −3; −1 −1 5; −2 −5 −4]
det A =
4.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [2 4; −3 9]
λ =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (15, −25, −5) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(3, 1, −5) в точку B(−1, −4, −1). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (15, −25, −5) NA(3, 1, −5) mB(−1, −4, −1) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (0, −2, 5), b = (2, −3, 0) и c = (0, 1, 3).
a = (0, −2, 5)b = (2, −3, 0)c = (0, 1, 3)
V =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Касательную плоскость к z = −4x³y² − 3x³ + y² − 3xy в точке, где (x, y) = (3, 2), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.
f(x, y) = −4x³y² − 3x³ + y² − 3xy(a, b) = (3, 2)
c =
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫02 ∫x2 1/(1 + y²)² dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 2
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Найдите сумму S = Σk=1∞ 3/(k(k + 2)).
ak = 3/(k(k + 2))
S =
12.Последовательности и рядыСложная
Функция f(x) = ln(1 + x) приближается её многочленом Маклорена степени 5 в точке x = 0,5. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 5! = 120, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₅|.
f(x) = ln(1 + x)n = 5x = 0,5M = 120
|R₅| =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (s + 13)/(s² + 4s + 4) и вычислите f(0,25).
F(s) = (s + 13)/(s² + 4s + 4)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 11y′ + 30y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = −7 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,1).
y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 4y′(0) = −7t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
Импульс x(t) = 3 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 5 при 0 ≤ t < 3 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(2) при t = 2 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 10·e−20tu(t) подан вход x(t) = 2·cos(40t). Найдите амплитуду Ym установившегося выхода.
h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 2cos(40t)
Ym =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: t = 10,35 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.
Константа охлаждения
k = ln(360/55)/47 = 0,03997 min⁻¹
Время достижения целевой температуры
t = ln(360/238)/0,03997 = 10,35 min
Ответ
t = 10,35 min
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = −0,3333
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∫1/x dx = x1
Интегрируйте
(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C
Начальное условие
−3 = 1/3 + C → C = −3,333
Вычислите
y(2) = (1·23/3 + (−3,333))/21 = −0,3333
Ответ
y(2) = −0,3333
3.Матрицы и определители
Ответ: det A = −66
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 = 29, M₁₂ = 14, M₁₃ = 3
Разложение по строке
det A = (−1)·29 − 2·14 + (−3)·3 = −66
Ответ
det A = −66
4.Матрицы и определители
Ответ: λ = 6
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 − (11)λ + (30) = 0
Решите
λ = (11 ± √(1))/2 → λ = 5, 6
λ = 6
Ответ
λ = 6
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = 45 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 = (−1, −4, −1) − (3, 1, −5) = (−4, −5, 4) m
Работа
W = F·d = 15·(−4) + (−25)·(−5) + (−5)·4 = 45 J
Ответ
W = 45 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: V = 22
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 = (−3)·3 − 0·1 = −9
(b × c)y = bzcx − bxcz = 0·0 − 2·3 = −6
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·1 − (−3)·0 = 2
Скалярное произведение с a
a·(b × c) = 0·(−9) + (−2)·(−6) + 5·2 = 22
V = |22| = 22
Ответ
V = 22
7.Интегралы
Ответ: I = 1,551
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
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Ответ
I = 1,551
8.Интегралы
Ответ: A = 18
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
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Ответ
A = 18
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: c = 1904
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(3, 2) = −527
fx = −12x²y² − 9x² − 3y → fx(3, 2) = −519
fy = −8x³y + 2y − 3x → fy(3, 2) = −437
Касательная плоскость
z = −527 − 519(x − 3) − 437(y − 2)
z = −519x − 437y + 1904
Постоянный член
c = 1904
Ответ
c = 1904
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = 0,4
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).
Область
0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 2
Изменённый порядок
I = ∫02 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫02 y·1/(1 + y²)² dy
Замена u = y²
I = [−1/(2(1 + y²))]02 = 0,4
Ответ
I = 0,4
11.Последовательности и ряды
Ответ: S = 2,25
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 + 2)) = (3/2)·(1/k − 1/(k + 2))
Отмена
S = (3/2)·(1 + 1/2) = 2,25
Ответ
S = 2,25
12.Последовательности и ряды
Ответ: |R₅| = 0,002604
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
s + 13 = 1(s + 2) + 11
F(s) = 1/(s + 2) + 11/(s + 2)²
Обратное преобразование
f(t) = e−2t + 11·t·e−2t
f(0,25) = (1 + 11·0,25)·e−2·0,25 = 2,274
Ответ
f(0,25) = 2,274
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = 3,176
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
s²Y − 4s − (−7) + 11(sY − 4) + 30Y = 0
Y(s) = (4s + 37)/((s + 5)(s + 6))
Простые дроби
A = 17/1 = 17
B = 13/(−1) = −13
Результат
y(t) = 17·e−5t − 13·e−6t
y(0,1) = 3,176
Ответ
y(0,1) = 3,176
Проверка: y(0) = A + B = 4.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(2) = 30
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).
Перекрытие отражённого импульса
h(t − τ) — это импульс h, отражённый и сдвинутый так, что он заканчивается в точке τ = t.
τ ∈ [0, 2] → длина 2 s
Интеграл
y(2) = 3·5·2 = 30
Ответ
y(2) = 30
y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 30 и снова падает до 0 при t = 5 s.
16.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ym = 0,4472
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)|.