Баллы за экзамен распределены нормально со средним 50 и стандартным отклонением 12. Найдите z-оценку z для результата 35,6.
μ = 50σ = 12x = 35,6
z =
19.Нормальное распределениеСредняя
Пусть результаты IQ-тестов распределены нормально со средним 100 баллов и стандартным отклонением 15 баллов. Какая доля значений лежит между 76 и 130,75 баллов? Дайте P в виде десятичной дроби.
μ = 100σ = 15x1 = 76x2 = 130,75
P =
20.Нормальное распределениеСложная
Пусть сроки доставки распределены нормально со средним 32 min и стандартным отклонением 6 min. Найдите значение x, ниже которого лежат 97,5 % значений (97,5-й процентиль).
μ = 32σ = 6P = 97,5%
x = min
3Растворы
1.Пределы
Ответ: L = 2,718
Пределы: сначала попробуйте прямую подстановку. Если получается 0/0, сначала упростите: разложите на множители и сократите общий множитель или умножьте на сопряжённое выражение. При x → ∞ разделите числитель и знаменатель на старшую степень x. Правило Лопиталя: если f/g даёт 0/0 или ∞/∞, то lim f/g = lim f′/g′, причём числитель и знаменатель дифференцируются по отдельности (а не по правилу для частного).
Возьмите логарифм
ln L = limx→∞ x·ln(1 + 1/x)
Вычислите
ln(1 + u)/u → 1 при u → 0, поэтому x·ln(1 + a/x) → a.
ln L = 1·1 = 1
Избавьтесь от логарифма
L = e1 = 2,718
Ответ
L = 2,718
2.Пределы
Ответ: L = 1
Пределы: сначала попробуйте прямую подстановку. Если получается 0/0, сначала упростите: разложите на множители и сократите общий множитель или умножьте на сопряжённое выражение. При x → ∞ разделите числитель и знаменатель на старшую степень x. Правило Лопиталя: если f/g даёт 0/0 или ∞/∞, то lim f/g = lim f′/g′, причём числитель и знаменатель дифференцируются по отдельности (а не по правилу для частного).
Первое применение
2·sin 2x/(4x) → 0/0
Второе применение
4·cos 2x/4
Подставьте x = 0
L = 4/4 = 1
Ответ
L = 1
3.Производные
Ответ: f′(0.5) = 1,043
Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.
Правило произведения
f′(x) = u′v + uv′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)
Подставьте
f′(0,5) = 1,284·(0,75 + 0,0625) = 1,043
Ответ
f′(0,5) = 1,043
4.Производные
Ответ: x = 6
Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.
Производная
f′(x) = 3x2 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)
Решите f′(x) = 0
x = 3 или x = 6
Что есть что
f″(x) = 6x − 27: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.
f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 6
Ответ
x = 6
5.Интегралы
Ответ: I = 0,3818
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 = cos x dx, v = sin x
Первообразная
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Пределы
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Ответ
I = 0,3818
6.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
7.Комплексные числа
Ответ: θ = 55 °
Полярная форма: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, где r = |z| и θ = arg z. Обратно к алгебраической форме: a = r cos θ, b = r sin θ. Для аргумента нужна четверть: θ = atan(b/a) только при a > 0; при a < 0 прибавьте или вычтите 180°. В полярной форме умножение простое: перемножьте модули и сложите аргументы; при делении разделите модули и вычтите аргументы.
Модуль и аргумент w
|w| = 2,5 / 2 = 1,25
θ = 100° − 45° = 55°
Аргумент
θ = 55°
Ответ
θ = 55°
8.Комплексные числа
Ответ: b = 3
Формула Муавра и корни: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Уравнение zⁿ = R∠φ имеет ровно n корней, все с модулем R1/n, при аргументах (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1: они лежат равномерно на окружности, через 360°/n. Квадратное уравнение z² + pz + q = 0 при p² < 4q имеет комплексные корни z = −p/2 ± j√(q − p²/4); многочлен с действительными коэффициентами всегда имеет комплексные корни парами сопряжённых a ± jb.
Дискриминант
p² − 4q = 64 − 100 = −36 < 0
Формула корней квадратного уравнения
z = (−8 ± j√36)/2 = −4 + j3, −4 − j3
Ответ
b = 3
Ответ
b = 3
9.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 1,046
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 + 3)² = 0 → r = −3
Константы
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 15 = 16
Вычислите
y(1) = (5 + 16·1)·e−3 = 1,046
Ответ
y(1) = 1,046
10.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(1) = 6,55
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 = 5, r = −1 ± 4j
Константы по начальным значениям
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −1,25
Вычислите
y(1) = 5·(1 − e−1(cos 4 + 0,25·sin 4)) = 6,55
Ответ
y(1) = 6,55
11.Матрицы и определители
Ответ: det A = −26
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 = −2, M₁₂ = 6, M₁₃ = 2
Разложение по строке
det A = 5·(−2) − 1·6 + (−5)·2 = −26
Ответ
det A = −26
12.Матрицы и определители
Ответ: λ = 3
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 − (4)λ + (3) = 0
Решите
λ = (4 ± √(4))/2 → λ = 1, 3
λ = 3
Ответ
λ = 3
13.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 100,9 °
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.
Скалярное произведение
a·b = 3·2 + 3·(−3) + 0·1 = −3
Модули
|a| = √(3² + 3² + 0²) = 4,243
|b| = √(2² + (−3)² + 1²) = 3,742
Угол
cos θ = −3/(4,243·3,742) = −0,189
θ = arccos(−0,189) = 100,9°
Ответ
θ = 100,9°
14.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: (a × b)x = −17
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 по компонентам
(a × b)x = aybz − azby = 5·(−1) − 2·6 = −17
(a × b)y = azbx − axbz = 2·2 − (−2)·(−1) = 2
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·6 − 5·2 = −22
Искомая компонента
(a × b)x = −17
Ответ
(a × b)x = −17
Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.
15.Вероятность
Ответ: σ = 10,62
Дискретные случайные величины: распределение вероятностей перечисляет все значения x, которые может принять величина, с их вероятностями p(x); вероятности лежат между 0 и 1, а их сумма равна 1. Математическое ожидание (среднее) равно E(X) = Σx·p(x), это долгосрочное среднее значение. Дисперсия равна Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², а стандартное отклонение σ = √Var(X). При линейном преобразовании Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) и σY = |a|·σX; прибавление константы не меняет разброс.
Дискретные случайные величины: распределение вероятностей перечисляет все значения x, которые может принять величина, с их вероятностями p(x); вероятности лежат между 0 и 1, а их сумма равна 1. Математическое ожидание (среднее) равно E(X) = Σx·p(x), это долгосрочное среднее значение. Дисперсия равна Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², а стандартное отклонение σ = √Var(X). При линейном преобразовании Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) и σY = |a|·σX; прибавление константы не меняет разброс.
Разброс X
μ = 2,45, Var(X) = 1,347, σX = 1,161
Линейное преобразование
σY = |−2|·1,161 = 2,322
Ответ
σY = 2,322
Среднее действительно сдвигается: E(Y) = −2·2,45 + 20 = 15,1.
17.Описательная статистика
Ответ: s = 14,37
Описательная статистика: среднее — сумма, делённая на n; медиана — середина упорядоченных данных (среднее двух средних значений при чётном n). Выборочное стандартное отклонение s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). z-оценка z = (x − μ)/σ показывает, на сколько стандартных отклонений значение отстоит от среднего.
Описательная статистика: среднее — сумма, делённая на n; медиана — середина упорядоченных данных (среднее двух средних значений при чётном n). Выборочное стандартное отклонение s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). z-оценка z = (x − μ)/σ показывает, на сколько стандартных отклонений значение отстоит от среднего.
Стандартизуйте
z = (35,6 − 50)/12 = −1,2
Ответ
z = −1,2
19.Нормальное распределение
Ответ: P = 0,925
Нормальное распределение: переведите значение x в z-оценку z = (x − μ)/σ, которая показывает, на сколько стандартных отклонений значение отстоит от среднего. Таблица z (или Φ(z)) даёт площадь слева от z, то есть P(X < x). Площадь справа равна 1 − Φ(z), а площадь между двумя значениями — разности их площадей слева.
z-оценки
z₁ = (76 − 100)/15 = −1,6
z₂ = (130,75 − 100)/15 = 2,05
Площадь между
P = Φ(2,05) − Φ(−1,6) = 0,9798 − 0,0548 = 0,925
Ответ
P = 0,925
20.Нормальное распределение
Ответ: x = 43,76 min
Нормальное распределение: переведите значение x в z-оценку z = (x − μ)/σ, которая показывает, на сколько стандартных отклонений значение отстоит от среднего. Таблица z (или Φ(z)) даёт площадь слева от z, то есть P(X < x). Площадь справа равна 1 − Φ(z), а площадь между двумя значениями — разности их площадей слева.