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 440 °C оставили остывать в цехе при 24 °C. Через 54 min температура равна 266 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.
Пусть C = AB для показанных матриц. Найдите элемент c21 (строка 2, столбец 1).
A = [4 5; −1 −1]B = [4 −1; 5 2]
c21 =
4.Матрицы и определителиСложная
Решите систему −3x + 2y = −3 и 2x − 5y = −4. Найдите x.
−3x + 2y = −32x − 5y = −4
x =
5.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Постоянная сила F = (−25, 20, −5) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(−1, 5, 5) в точку B(−3, 3, 4). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.
F = (−25, 20, −5) NA(−1, 5, 5) mB(−3, 3, 4) m
W = J
6.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите площадь A параллелограмма, построенного на a = (5, −6, 5) и b = (−2, 2, −1).
a = (5, −6, 5)b = (−2, 2, −1)
A =
7.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫24 3/x dx.
f(x) = 3/x[2, 4]
I =
8.ИнтегралыСложная
Найдите площадь A области, ограниченной y = x2 и y = x.
y = x2y = x
A =
9.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
Используйте касательную плоскость к f(x, y) = 3x³e2y в точке (1, 1), чтобы приблизить f(1,05, 1,05). Укажите линейное приближение L.
10.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
Интеграл I = ∫02 ∫x2 cos(y²) dy dx нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.
f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 2
I =
11.Последовательности и рядыСредняя
Примените признак Даламбера к Σk=1∞ k·3ᵏ/5ᵏ. Найдите L = lim |ak+1/ak|.
ak = k·3ᵏ/5ᵏ
L =
12.Последовательности и рядыСложная
Используйте многочлен Маклорена степени 4 для f(x) = cos(2x), чтобы приблизить f(1). Укажите P₄(1).
f(x) = cos(2x)n = 4x = 1
P₄(1) =
13.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (2s + 32)/(s² + 10s + 25) и вычислите f(0,1).
F(s) = (2s + 32)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 9 и y′(0) = 1 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 9y′(0) = 1t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
На систему с h(t) = e−5tu(t) подан вход x(t) = 2·e−1tu(t). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.
x(t) = 2·e−1tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −5 и +5 s периодом T = 1 ms. Найдите амплитуду c1 её фурье-компоненты на частоте 1000 Hz.
±5T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: k = 0,01003 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−54k = 242/416
Найдите k
k = ln(416/242)/54 = 0,01003 min⁻¹
Ответ
k = 0,01003 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1.5) = 2,258
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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 2e−2,5t
Общее решение
y = 2/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −0,8·e−3t + C·e−0,5t
Начальное условие
4 = −0,8 + C → C = 4,8
Вычислите
y(1,5) = −0,8·0,01111 + 4,8·0,4724 = 2,258
Ответ
y(1,5) = 2,258
3.Матрицы и определители
Ответ: c21 = −9
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
c21 = (−1)·4 + (−1)·5 = −9
Ответ
c21 = −9
4.Матрицы и определители
Ответ: x = 2,091
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 = (−3)·(−5) − 2·2 = 11
Замените столбец x
det Aₓ = (−3)·(−5) − 2·(−4) = 23
x = 23/11 = 2,091
Ответ
x = 2,091
y = 1,636
5.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: W = 15 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, 3, 4) − (−1, 5, 5) = (−2, −2, −1) m
Работа
W = F·d = (−25)·(−2) + 20·(−2) + (−5)·(−1) = 15 J
Ответ
W = 15 J
6.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: A = 6,708
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
(a × b)x = aybz − azby = (−6)·(−1) − 5·2 = −4
(a × b)y = azbx − axbz = 5·(−2) − 5·(−1) = −5
(a × b)z = axby − aybx = 5·2 − (−6)·(−2) = −2
Площадь
A = |a × b| = √((−4)² + (−5)² + (−2)²) = 6,708
Ответ
A = 6,708
7.Интегралы
Ответ: I = 2,079
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) = 3·ln x
Подставьте пределы
I = 3·(ln 4 − ln 2) = 3·ln 2 = 2,079
Ответ
I = 2,079
8.Интегралы
Ответ: A = 0,1667
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
x2 = x → x = 0, x = 1
Интегрируйте верхнюю минус нижнюю
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Ответ
A = 0,1667
9.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: L = 27,71
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(1, 1) = 22,17
fx = 9x²e2y → fx(1, 1) = 66,5
fy = 6x³e2y → fy(1, 1) = 44,33
Касательная плоскость
z = 22,17 + 66,5(x − 1) + 44,33(y − 1)
z = 66,5x + 44,33y − 88,67
Линейное приближение
L = 22,17 + 66,5·0,05 + 44,33·0,05 = 27,71
Ответ
L = 27,71
Точное значение равно f = 28,360087; плоскость близка, потому что шаг мал.
10.Математический анализ функций нескольких переменных
Ответ: I = −0,3784
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 cos(y²) dx dy = ∫02 y·cos(y²) dy
Замена u = y²
I = [sin(y²)/2]02 = −0,3784
Ответ
I = −0,3784
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.
Отношение соседних членов
|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)·3/5 → 3/5
Вывод
L = 0,6 < 1
Ответ
L = 0,6
L < 1, поэтому ряд сходится.
12.Последовательности и ряды
Ответ: P₄(1) = −0,3333
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.
Многочлен Маклорена
P₄(x) = 1 − 2x² + 0,6667x⁴
Подставьте
P₄(1) = 1 − 2 + 0,666667 = −0,3333
Ответ
P₄(1) = −0,3333
Точное значение равно f(1) = −0,416147; погрешность −0,0828135 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.
13.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.1) = 2,547
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Простые дроби
2s + 32 = 2(s + 5) + 22
F(s) = 2/(s + 5) + 22/(s + 5)²
Обратное преобразование
f(t) = 2·e−5t + 22·t·e−5t
f(0,1) = (2 + 22·0,1)·e−5·0,1 = 2,547
Ответ
f(0,1) = 2,547
14.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 8,6
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 − 9s − 1 + 5(sY − 9) + 4Y = 0
Y(s) = (9s + 46)/((s + 1)(s + 4))
Простые дроби
A = 37/3 = 12,33
B = 10/(−3) = −3,333
Результат
y(t) = 12,33·e−t − 3,333·e−4t
y(0,2) = 8,6
Ответ
y(0,2) = 8,6
Проверка: y(0) = A + B = 9.
15.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(1.5) = 0,1113
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).
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)|.