Кованую стальную деталь температурой 400 °C оставили остывать в цехе при 28 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,02 min⁻¹ найдите температуру T через 60 min.
T0 = 400 °CTa = 28 °Ck = 0,02 min⁻¹t = 60 min
T = °C
10.Дифференциальные уравненияСложная
В баке 1000 L воды, в которой растворено 10 kg соли. Рассол с содержанием соли 0,05 kg на литр поступает со скоростью 10 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 15 min?
V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0,05 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
11.Матрицы и определителиСредняя
Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.
A = [1 −1 4; −2 −1 −1; 5 3 3]
det A =
12.Матрицы и определителиСложная
Найдите большее собственное значение λ показанной матрицы A.
A = [−3 1; 7 3]
λ =
13.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (1, 0, 5) и b = (7, −7, 6).
a = (1, 0, 5)b = (7, −7, 6)
a·b =
14.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Для a = (−3, −3, −1) и b = (0, 6, −3) найдите x-компоненту (a × b)x векторного произведения a × b.
a = (−3, −3, −1)b = (0, 6, −3)
(a × b)x =
15.ВероятностьСредняя
Сколькими способами N можно выбрать комиссию из 3 человек из группы из 8 человек? Порядок не важен.
n = 8k = 3
N =
16.ВероятностьСложная
Игра стоит €5. Вы выигрываете €25 с вероятностью 0,2 и €50 с вероятностью 0,02; в остальных случаях вы ничего не выигрываете. Ставка не возвращается. Найдите ожидаемый чистый выигрыш E(G) за одну игру.
Величина распределена нормально со средним 50 и стандартным отклонением 5. Какая доля P значений меньше 47,5?
μ = 50σ = 5x = 47,5
P =
19.Нормальное распределениеСредняя
Массы объектов (болты) независимы и нормально распределены со средним 40 g и стандартным отклонением 1,2 g. Найдите вероятность P того, что общая масса 8 из них меньше 314,9 g. Округлите z до двух знаков после запятой.
μ = 40 gσ = 1,2 gn = 8< 314.9 g
P =
20.Нормальное распределениеСложная
Время круга X бегуна A и время круга Y бегуна B независимы и нормально распределены: X имеет среднее 52 s и стандартное отклонение 4 s, Y имеет среднее 48 s и стандартное отклонение 3 s. Найдите вероятность P того, что X больше Y. Округлите z до двух знаков после запятой.
μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =
3Растворы
1.Пределы
Ответ: L = −2,5
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).
Умножьте на сопряжённое
f(x) = −5x/(√(x2 − 5x) + x)
Разделите на x
f(x) = −5/(√(1 + (−5)/x) + 1)
Пусть x → ∞
L = −5/(1 + 1) = −2,5
Ответ
L = −2,5
2.Пределы
Ответ: L = 0,5
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
(1·ex − 1)/(2x) → 0/0
Второе применение
1·ex/2
Подставьте x = 0
L = 1·1/2 = 0,5
Ответ
L = 0,5
3.Производные
Ответ: f′(2) = 0,8889
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.
Цепное правило для логарифма
f′(x) = 4x/(2x2 + 1)
Подставьте
f′(2) = 8/9 = 0,8889
Ответ
f′(2) = 0,8889
4.Производные
Ответ: b = −11
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.
Точка и наклон
f(3) = −2
f′(x) = 2x − 3 → f′(3) = 3
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − 3·3 = −11
Ответ
b = −11
5.Интегралы
Ответ: I = 0,3012
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
6.Интегралы
Ответ: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Интегрируйте
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Ответ
A = 10,67
7.Комплексные числа
Ответ: a = −7,713
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.
Составляющие
a = 12·cos(−130°) = −7,713
b = 12·sin(−130°) = −9,193
Алгебраическая форма
z = −7,713 − j9,193
a = −7,713
Ответ
a = −7,713
8.Комплексные числа
Ответ: r = 4
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.
Проверьте по сумме корней: z₁ + z₂ + r = 4 + 4 = 8 = −(−8).
9.Дифференциальные уравнения
Ответ: T = 140 °C
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.
Решение закона охлаждения
T(t) = 28 + 372·e−0,02t
Подставьте t
T(60) = 28 + 372·0,3012 = 140 °C
Ответ
T = 140 °C
10.Дифференциальные уравнения
Ответ: m = 15,57 kg
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.
Составьте уравнение
dm/dt = 10·0,05 − (10/1000)·m = 0,5 − 0,01·m
Решите
Интегрирующий множитель равен ert/V; решение стремится к равновесному значению c·V.
m(t) = 50 + (−40)·e−t/100
Подставьте t
m(15) = 50 + (−40)·0,8607 = 15,57 kg
Ответ
m = 15,57 kg
11.Матрицы и определители
Ответ: det A = −5
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 = 0, M₁₂ = −1, M₁₃ = −1
Разложение по строке
det A = 1·0 − (−1)·(−1) + 4·(−1) = −5
Ответ
det A = −5
12.Матрицы и определители
Ответ: λ = 4
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 − (0)λ + (−16) = 0
Решите
λ = (0 ± √(64))/2 → λ = −4, 4
λ = 4
Ответ
λ = 4
13.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: a·b = 37
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 = 1·7 + 0·(−7) + 5·6 = 7 + 0 + 30 = 37
Ответ
a·b = 37
Положительное: угол между векторами меньше 90°.
14.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: (a × b)x = 15
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 = (−3)·(−3) − (−1)·6 = 15
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·0 − (−3)·(−3) = −9
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·6 − (−3)·0 = −18
Искомая компонента
(a × b)x = 15
Ответ
(a × b)x = 15
Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.
15.Вероятность
Ответ: N = 56
Вероятность: при равновозможных исходах P(A) = благоприятные/все. Для независимых событий вероятности перемножают: P(A и B) = P(A)·P(B). Часто помогает противоположное событие: P(хотя бы одно) = 1 − P(ни одного). Биномиальное распределение: в n независимых испытаниях с вероятностью успеха p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.
Сочетания
C(8, 3) = (8·7·6)/(3·2·1) = 56
Ответ
N = 56
16.Вероятность
Ответ: E(G) = 1 €
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.
Чистые исходы
G: 20 (p = 0,2), 45 (p = 0,02), −5 (p = 0,78)
Математическое ожидание
E(G) = 20·0,2 + 45·0,02 − 5·0,78 = 1 €
Ответ
E(G) = 1 €
Положительное значение означает, что в среднем вы выигрываете деньги.
17.Описательная статистика
Ответ: s = 16,36
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 = −0,5
Таблица нормального распределения
Φ(−0,5) = 0,3085
P = 0,3085
Ответ
P = 0,3085
19.Нормальное распределение
Ответ: P = 0,06681
Суммы и разности нормальных величин: если X и Y независимы и нормальны, то X + Y и X − Y тоже нормальны. Средние складываются или вычитаются: E(X ± Y) = μX ± μY. Дисперсии всегда складываются, в том числе для разности: Var(X ± Y) = σX² + σY², поэтому σ = √(σX² + σY²). Стандартные отклонения напрямую никогда не складываются. Сумма n независимых элементов с одинаковым распределением имеет среднее n·μ и стандартное отклонение σ·√n. Затем стандартизируйте как обычно: z = (x − среднее)/σ и найдите Φ(z).
Распределение суммы
μT = 320 g, σT = 1,2·√8 = 3,394 g
Стандартизуйте
z = (314,9 − 320)/3,394 = −1,5
Вероятность
P = Φ(−1,5) = 0,06681
Ответ
P = 0,06681
20.Нормальное распределение
Ответ: P = 0,7881
Суммы и разности нормальных величин: если X и Y независимы и нормальны, то X + Y и X − Y тоже нормальны. Средние складываются или вычитаются: E(X ± Y) = μX ± μY. Дисперсии всегда складываются, в том числе для разности: Var(X ± Y) = σX² + σY², поэтому σ = √(σX² + σY²). Стандартные отклонения напрямую никогда не складываются. Сумма n независимых элементов с одинаковым распределением имеет среднее n·μ и стандартное отклонение σ·√n. Затем стандартизируйте как обычно: z = (x − среднее)/σ и найдите Φ(z).