คณิตศาสตร์วิศวกรรม: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 20 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

ลิมิต

การแทนค่าโดยตรง
ลองแทน x = a ก่อน ถ้าได้ 0/0 ให้ลดรูป
แยกตัวประกอบและตัดกัน
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
สังยุค
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
ลิมิตที่อนันต์
หารด้วยกำลังสูงสุดของ x ถ้าดีกรีเท่ากันจะได้อัตราส่วนของสัมประสิทธิ์นำ
ลิมิตพิเศษ
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
กฎของโลปีตาล
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

อนุพันธ์

กฎกำลัง
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
กฎผลคูณ
(uv)′ = u′v + uv′
กฎผลหาร
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
กฎลูกโซ่
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
อนุพันธ์ที่พบบ่อย
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

วิธีการ

  1. ระบุโครงสร้าง: ผลบวก ผลคูณ ผลหาร หรือฟังก์ชันประกอบ
  2. ใช้กฎกำลังกับแต่ละกำลังของ x
  3. ใช้กฎผลคูณ กฎผลหาร หรือกฎลูกโซ่ตามความจำเป็น
  4. ลดรูป และคำนวณที่จุดนั้นถ้าโจทย์ถาม

อินทิกรัล

กฎกำลัง
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
อินทิกรัลจำกัดเขต
∫ab f dx = F(b) − F(a)
อินทิกรัลที่พบบ่อย
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
พื้นที่ระหว่างเส้นโค้ง
∫ab (f − g) dx

วิธีการ

  1. เขียนฟังก์ชันที่อินทิเกรตใหม่เป็นผลบวกของพจน์ง่าย ๆ เมื่อเป็นไปได้
  2. ใช้กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) และอินทิกรัลมาตรฐานของ ex, 1/x, sin และ cos
  3. ใช้การแทนค่าเมื่อเห็นฟังก์ชันและอนุพันธ์ของมันอยู่ด้วยกัน
  4. สำหรับอินทิกรัลจำกัดเขต คำนวณ F(b) − F(a)

จำนวนเชิงซ้อน

รูปเชิงสี่เหลี่ยม
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
มอดูลัสและอาร์กิวเมนต์
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
รูปเชิงขั้วและรูปเอกซ์โพเนนเชียล
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
การหาร
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
ผลคูณและผลหาร
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
เดอมัวฟร์
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
รากที่ n
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
สมการกำลังสองที่ p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

วิธีการ

  1. เลือกรูปแบบที่เหมาะกับการดำเนินการ: รูปเชิงสี่เหลี่ยม a + jb สำหรับการบวกและลบ รูปเชิงขั้ว r∠θ สำหรับการคูณ หาร เลขยกกำลัง และราก
  2. คูณกระจายด้วย j² = −1; หารโดยคูณทั้งตัวเศษและตัวส่วนด้วยสังยุคของตัวส่วน
  3. แปลงด้วย r = √(a² + b²) และ θ จากภาพร่างของจุด (ตรวจจตุภาค) และกลับด้วย a = r cos θ, b = r sin θ
  4. สำหรับเลขยกกำลังใช้เดอมัวฟร์ (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; สำหรับ zⁿ = R∠φ ให้เขียนรายการรากทั้ง n ราก R1/n∠((φ + 360°k)/n)

สมการเชิงอนุพันธ์

การเติบโต/การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล
dy/dt = ky → y = y0ekt
ครึ่งชีวิต
k = ln 2 / t½
กฎการเย็นตัวของนิวตัน
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
ตัวประกอบอินทิเกรต
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
ถังผสม
dm/dt = r·c − (r/V)·m

เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

ดีเทอร์มินันต์ 2×2
det = ad − bc
อินเวอร์สของ 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
ผลิตภัณฑ์
(AB)ij = Σk AikBkj
ค่าเฉพาะ
det(A − λI) = 0
กฎของคราเมอร์
xi = det(Ai)/det(A)

เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

ขนาด
|a| = √(ax² + ay² + az²)
เวกเตอร์หนึ่งหน่วย
û = a/|a|
องค์ประกอบจากมุม
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
ผลคูณจุด
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
โพรเจกชันสเกลาร์ของ a บน b
a·b/|b|
งาน
W = F·d
ผลคูณไขว้
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
พื้นที่
สี่เหลี่ยมด้านขนาน |a × b|, สามเหลี่ยม ½|a × b|
โมเมนต์รอบ O
MO = r × F, r = A − O
ปริมาตรของทรงหกหน้าขนาน
V = |a·(b × c)|

วิธีการ

  1. เขียนทุกเวกเตอร์เป็นองค์ประกอบ สำหรับแรงที่ให้ด้วยขนาดและมุม ใช้ F·cos θ และ F·sin θ
  2. สำหรับความยาวและทิศทาง ใช้ขนาด √(x² + y² + z²) และเวกเตอร์หนึ่งหน่วย a/|a|
  3. ใช้ผลคูณจุดสำหรับมุม โพรเจกชัน การตั้งฉาก และงาน: a·b = |a||b|cos θ
  4. ใช้ผลคูณไขว้สำหรับเวกเตอร์ตั้งฉาก พื้นที่ และโมเมนต์: เขียนทั้งสามองค์ประกอบอย่างระมัดระวัง โดยคงลำดับ a × b

ความน่าจะเป็น

ส่วนเติมเต็ม
P(not A) = 1 − P(A)
กฎการบวก
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
เหตุการณ์อิสระ
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
ความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไข
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
ทวินาม
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

สถิติเชิงพรรณนา

ค่าเฉลี่ย
x̄ = Σx/n
ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานตัวอย่าง
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
มัธยฐาน
ค่ากลางของข้อมูลที่เรียงลำดับแล้ว
คะแนนมาตรฐาน z
z = (x − μ)/σ
การแจกแจงปกติ
68% อยู่ภายใน ±1σ, 95% อยู่ภายใน ±2σ

การแจกแจงปกติ

คะแนนมาตรฐาน z
z = (x − μ)/σ
ต่ำกว่า x
P(X < x) = Φ(z)
สูงกว่า x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
ระหว่าง
Φ(z2) − Φ(z1)
เปอร์เซ็นไทล์
x = μ + z·σ

วิธีการ

  1. แปลงค่าเป็นคะแนนมาตรฐาน z: z = (x − μ)/σ
  2. ดูค่า Φ(z) ซึ่งเป็นพื้นที่ทางซ้ายของ z
  3. สำหรับพื้นที่ทางขวาใช้ 1 − Φ(z) สำหรับช่วงให้ลบพื้นที่ทางซ้ายสองค่า
  4. สำหรับเปอร์เซ็นไทล์ ให้ทำย้อนกลับ: หา z จากพื้นที่ แล้ว x = μ + z·σ

2โจทย์ฝึก

1.ลิมิตปานกลาง
xyy = L

จงหาลิมิต L = limx→∞ (1 − 1/x)x ตอบเป็นค่าทศนิยม

f(x) = (1 − 1/x)xx → ∞
L =
2.ลิมิตยาก
xyx = 0

จงหาลิมิต L = limx→0 ln(1 + 2x)/sin(4x) เมื่อ x มีหน่วยเป็นเรเดียน

f(x) = ln(1 + 2x)/sin(4x)x → 0
L =
3.อนุพันธ์ปานกลาง
xyx = 1

ให้ f(x) = x·sin(x) โดย x เป็นเรเดียน หา f′(1)

f(x) = x·sin(x)x = 1 rad
f′(1) =
4.อนุพันธ์ยาก
xyx = 3

เส้นสัมผัสของ f(x) = 3x2 + 4 ที่ x = 3 ตัดแกน y ที่ y = b หา b

f(x) = 3x2 + 4x = 3
b =
5.อินทิกรัลปานกลาง
xy01

คำนวณ I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
6.อินทิกรัลยาก
xy−22

หาพื้นที่ A ของบริเวณระหว่างพาราโบลา y = 4 − x² กับแกน x

y = 4 − x²
A =
7.จำนวนเชิงซ้อนปานกลาง
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

กำหนด z₁ = 3∠40° และ z₂ = 1.5∠−50° จงหาส่วนจินตภาพของ w = z₁·z₂

z₁ = 3∠40°z₂ = 1.5∠−50°
Im(w) =
8.จำนวนเชิงซ้อนยาก
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

รากหนึ่งของ z³ − 7z² + 17z + 25 = 0 คือ z₁ = 4 + j3 สัมประสิทธิ์เป็นจำนวนจริง จงหารากจริง r

z₁ = 4 + j3
r =
9.สมการเชิงอนุพันธ์ปานกลาง
t (min)T (°C)16Ta​40 °C

กาแฟหนึ่งถ้วยอุณหภูมิ 84 °C วางไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 19 °C หลังผ่านไป 16 min อุณหภูมิเท่ากับ 40 °C เป็นไปตามกฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) จงหาค่าคงที่ k ในหน่วย min⁻¹

T0 = 84 °CTa = 19 °CT(16) = 40 °C
k = min⁻¹
10.สมการเชิงอนุพันธ์ยาก
xy13(1, 5)y(3) = ?

จงแก้ปัญหาค่าเริ่มต้น y′ + 2y/x = 2x สำหรับ x > 0 โดย y(1) = 5 จงหา y(3)

y′ + 2y/x = 2xy(1) = 5
y(3) =
11.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ปานกลาง
A =−30−2−4B =−433−5

ให้ C = AB สำหรับเมทริกซ์ที่แสดง หาสมาชิก c11 (แถว 1 หลัก 1)

A = [−3 0; −2 −4]B = [−4 3; 3 −5]
c11 =
12.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์ยาก
A =46−5−7

หาค่าเฉพาะที่มากกว่า λ ของเมทริกซ์ A ที่แสดง

A = [4 6; −5 −7]
λ =
13.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ปานกลาง
xyzab

จงหาค่าของ k ที่ทำให้เวกเตอร์ a = (6, 4, 4) และ b = (5, 3, k) ตั้งฉากกัน

a = (6, 4, 4)b = (5, 3, k)
k =
14.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้ยาก
xyzab

เวกเตอร์หนึ่งหน่วย n̂ ตั้งฉากกับทั้ง a = (−4, 0, 4) และ b = (1, 3, 0) และมีองค์ประกอบ z เป็นบวก จงหาองค์ประกอบ x ซึ่งคือ n̂x ของมัน

a = (−4, 0, 4)b = (1, 3, 0)n̂z > 0
n̂x =
15.ความน่าจะเป็นปานกลาง
xp(x)10.320.1530.2540.3μ = 2.55

สำหรับการแจกแจงที่แสดง จงหาความแปรปรวน Var(X) ของ X

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.3, 0.15, 0.25, 0.3
Var(X) =
16.ความน่าจะเป็นยาก
xp(x)10.1520.230.3540.0550.25μ

X มีการแจกแจงดังที่แสดง และ Y = 0.5X − 3 จงหาส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน σY ของ Y

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.15, 0.2, 0.35, 0.05, 0.25Y = 0.5X − 3
σY =
17.สถิติเชิงพรรณนาปานกลาง
1520253035404550

หาส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานตัวอย่าง s ของข้อมูล: 37, 49, 38, 52, 11, 30

n = 6
s =
18.สถิติเชิงพรรณนายาก
z −2−1012

ปริมาณหนึ่งมีการแจกแจงปกติ ค่าเฉลี่ย 500 และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 60 สัดส่วน P ของค่าที่สูงกว่า 524 คือเท่าใด

μ = 500σ = 60x = 524
P =
19.การแจกแจงปกติปานกลาง
340 kg328 kgT = X₁ + … + X₄?

มวลของผู้โดยสารพร้อมสัมภาระเป็นอิสระต่อกันและมีการแจกแจงปกติที่มีค่าเฉลี่ย 85 kg และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 12 kg จงหาความน่าจะเป็น P ที่มวลรวมของ 4 ชิ้นต่ำกว่า 328 kg ปัดเศษ z เป็นสองตำแหน่งทศนิยม

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 4< 328 kg
P =
20.การแจกแจงปกติยาก
380420460500540580620hล่าง 80%

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ แจกแจงปกติที่มีค่าเฉลี่ย 500 h และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 40 h ลากค่าตัดให้ส่วนล่าง 80% ที่แรเงาอยู่ทางซ้าย หาค่าตัด x

μ = 500 hσ = 40 h80%
x = h

3สารละลาย

1.ลิมิต

คำตอบ: L = 0.3679

ลิมิต: ลองแทนค่าโดยตรงก่อน ถ้าได้ 0/0 ให้ทำให้เรียบง่ายก่อน: แยกตัวประกอบแล้วตัดตัวประกอบร่วม หรือคูณด้วยสังยุค เมื่อ x → ∞ ให้หารทั้งตัวเศษและตัวส่วนด้วยกำลังสูงสุดของ x กฎโลปีตาล: ถ้า f/g ให้ 0/0 หรือ ∞/∞ แล้ว lim f/g = lim f′/g′ โดยหาอนุพันธ์ของตัวเศษและตัวส่วนแยกกัน (ไม่ใช้กฎผลหาร)

หาลอการิทึม

ln L = limx→∞ x·ln(1 − 1/x)

คำนวณค่า

ln(1 + u)/u → 1 เมื่อ u → 0 ดังนั้น x·ln(1 + a/x) → a

ln L = 1·(−1) = −1

ย้อนกลับลอการิทึม

L = e−1 = 0.3679

คำตอบ

L = 0.3679
2.ลิมิต

คำตอบ: L = 0.5

ลิมิต: ลองแทนค่าโดยตรงก่อน ถ้าได้ 0/0 ให้ทำให้เรียบง่ายก่อน: แยกตัวประกอบแล้วตัดตัวประกอบร่วม หรือคูณด้วยสังยุค เมื่อ x → ∞ ให้หารทั้งตัวเศษและตัวส่วนด้วยกำลังสูงสุดของ x กฎโลปีตาล: ถ้า f/g ให้ 0/0 หรือ ∞/∞ แล้ว lim f/g = lim f′/g′ โดยหาอนุพันธ์ของตัวเศษและตัวส่วนแยกกัน (ไม่ใช้กฎผลหาร)

กฎของโลปีตาล

L = limx→0 [2/(1 + 2x)]/[4·cos 4x]

แทนค่า x = 0

L = 2/4 = 0.5

คำตอบ

L = 0.5
3.อนุพันธ์

คำตอบ: f′(1) = 1.382

การหาอนุพันธ์: อนุพันธ์ f′(x) คือความชันของกราฟที่ x กฎกำลัง: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹ กฎผลคูณ: (uv)′ = u′v + uv′ กฎลูกโซ่: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x) ตรงที่ f′(x) = 0 กราฟมีเส้นสัมผัสในแนวนอน ซึ่งเป็นจุดสูงสุด จุดต่ำสุด หรือจุดโค้งเว้า

กฎผลคูณและกฎลูกโซ่

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

แทนค่า

f′(1) = 0.8415 + 1·0.5403 = 1.382

คำตอบ

f′(1) = 1.382
4.อนุพันธ์

คำตอบ: b = −23

การหาอนุพันธ์: อนุพันธ์ f′(x) คือความชันของกราฟที่ x กฎกำลัง: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹ กฎผลคูณ: (uv)′ = u′v + uv′ กฎลูกโซ่: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x) ตรงที่ f′(x) = 0 กราฟมีเส้นสัมผัสในแนวนอน ซึ่งเป็นจุดสูงสุด จุดต่ำสุด หรือจุดโค้งเว้า

จุดและความชัน

f(3) = 31
f′(x) = 6x → f′(3) = 18

เส้นสัมผัสที่ x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 31 − 18·3 = −23

คำตอบ

b = −23
5.อินทิกรัล

คำตอบ: I = 1.5

อินทิกรัลจำกัดเขต: ∫ₐᵇ f(x) dx คือพื้นที่แบบมีเครื่องหมายระหว่างกราฟกับแกน x จาก a ถึง b หาปฏิยานุพันธ์ F (โดย F′ = f) แล้วคำนวณ F(b) − F(a) กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) พื้นที่ระหว่างเส้นโค้งสองเส้นคือ ∫(บน − ล่าง) dx

การแทนค่า

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du

อินทิเกรตและคำนวณค่า

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1.5

คำตอบ

I = 1.5
6.อินทิกรัล

คำตอบ: A = 10.67

อินทิกรัลจำกัดเขต: ∫ₐᵇ f(x) dx คือพื้นที่แบบมีเครื่องหมายระหว่างกราฟกับแกน x จาก a ถึง b หาปฏิยานุพันธ์ F (โดย F′ = f) แล้วคำนวณ F(b) − F(a) กฎกำลัง: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) พื้นที่ระหว่างเส้นโค้งสองเส้นคือ ∫(บน − ล่าง) dx

ค่าศูนย์

4 − x² = 0 → x = ±2

อินทิเกรต

A = [4x − x³/3]−22 = 5.333 − (−5.333) = 10.67

คำตอบ

A = 10.67
7.จำนวนเชิงซ้อน

คำตอบ: Im(w) = −0.7814

รูปเชิงขั้ว: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ โดย r = |z| และ θ = arg z กลับเป็นรูปเชิงสี่เหลี่ยม: a = r cos θ, b = r sin θ อาร์กิวเมนต์ต้องคำนึงถึงจตุภาค: θ = atan(b/a) ใช้ได้เฉพาะเมื่อ a > 0; เมื่อ a < 0 ให้บวกหรือลบ 180° ในรูปเชิงขั้ว การคูณง่าย: คูณมอดูลัสและบวกอาร์กิวเมนต์ การหารให้หารมอดูลัสและลบอาร์กิวเมนต์

มอดูลัสและอาร์กิวเมนต์ของ w

|w| = 3 · 1.5 = 4.5
θ = 40° + (−50)° = −10°

รูปเชิงสี่เหลี่ยม

Re(w) = 4.5·cos(−10°) = 4.432
Im(w) = 4.5·sin(−10°) = −0.7814
Im(w) = −0.7814

คำตอบ

Im(w) = −0.7814
8.จำนวนเชิงซ้อน

คำตอบ: r = −1

เดอมัวฟร์และราก: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ สมการ zⁿ = R∠φ มีรากพอดี n ราก ทุกรากมีมอดูลัส R1/n ที่อาร์กิวเมนต์ (φ + 360°·k)/n สำหรับ k = 0, 1, …, n − 1: รากวางห่างเท่า ๆ กันบนวงกลม ห่างกัน 360°/n สมการกำลังสอง z² + pz + q = 0 ที่ p² < 4q มีรากเชิงซ้อน z = −p/2 ± j√(q − p²/4) พหุนามที่มีสัมประสิทธิ์จริงมีรากเชิงซ้อนเป็นคู่สังยุค a ± jb เสมอ

คู่สังยุค

z₂ = 4 − j3
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·4·z + (4² + 3²) = z² − 8z + 25

แยกตัวประกอบกำลังสอง

z³ − 7z² + 17z + 25 = (z² − 8z + 25)(z + 1)

รากจริง

r = −1

คำตอบ

r = −1

ตรวจสอบด้วยผลบวกของราก: z₁ + z₂ + r = 8 + (−1) = 7 = −(−7)

9.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: k = 0.07062 min⁻¹

สมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่ง: dy/dt = k·y มีคำตอบ y = y₀·ekt (เติบโตเมื่อ k > 0 สลายตัวเมื่อ k < 0) ครึ่งชีวิต T ให้ k = ln 2/T กฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) ให้ T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt สมการเชิงเส้น y′ + p(x)·y = q(x) แก้ด้วยตัวคูณอินทิเกรต μ = e∫p dx: (μy)′ = μq ดังนั้น μy = ∫μq dx + C

อัตราส่วนของผลต่างอุณหภูมิ

e−16k = 21/65

แก้หา k

k = ln(65/21)/16 = 0.07062 min⁻¹

คำตอบ

k = 0.07062 min⁻¹
10.สมการเชิงอนุพันธ์

คำตอบ: y(3) = 5

สมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่ง: dy/dt = k·y มีคำตอบ y = y₀·ekt (เติบโตเมื่อ k > 0 สลายตัวเมื่อ k < 0) ครึ่งชีวิต T ให้ k = ln 2/T กฎการเย็นตัวของนิวตัน dT/dt = −k·(T − Tₐ) ให้ T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt สมการเชิงเส้น y′ + p(x)·y = q(x) แก้ด้วยตัวคูณอินทิเกรต μ = e∫p dx: (μy)′ = μq ดังนั้น μy = ∫μq dx + C

ตัวประกอบอินทิเกรต

μ = e∫2/x dx = x2

อินทิเกรต

(x2y)′ = 2x3 → x2y = 2x4/4 + C

เงื่อนไขเริ่มต้น

5 = 2/4 + C → C = 4.5

คำนวณค่า

y(3) = (2·34/4 + 4.5)/32 = 5

คำตอบ

y(3) = 5
11.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: c11 = 12

เมทริกซ์: ดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์ 2×2 คือ ad − bc สำหรับ 3×3 ให้กระจายตามแถว: แต่ละสมาชิกคูณดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์ 2×2 ที่เหลือหลังตัดแถวและหลักของมันออก โดยเครื่องหมายสลับ + − + ค่าเฉพาะ λ เป็นคำตอบของ det(A − λI) = 0 สำหรับ 2×2 คือ λ² − (trace)·λ + det = 0

แถวคูณหลัก

c11 = (−3)·(−4) + 0·3 = 12

คำตอบ

c11 = 12
12.เมทริกซ์และดีเทอร์มินันต์

คำตอบ: λ = −1

เมทริกซ์: ดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์ 2×2 คือ ad − bc สำหรับ 3×3 ให้กระจายตามแถว: แต่ละสมาชิกคูณดีเทอร์มินันต์ของเมทริกซ์ 2×2 ที่เหลือหลังตัดแถวและหลักของมันออก โดยเครื่องหมายสลับ + − + ค่าเฉพาะ λ เป็นคำตอบของ det(A − λI) = 0 สำหรับ 2×2 คือ λ² − (trace)·λ + det = 0

สมการลักษณะเฉพาะ

λ² − (−3)λ + (2) = 0

แก้สมการ

λ = (−3 ± √(1))/2 → λ = −2, −1
λ = −1

คำตอบ

λ = −1
13.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: k = −10.5

ผลคูณจุด: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ เป็นสเกลาร์ มันให้มุมระหว่างเวกเตอร์สองตัว cos θ = a·b/(|a|·|b|) และเป็นศูนย์เมื่อตั้งฉากกัน โพรเจกชันสเกลาร์ของ a บน b คือ a·b/|b| และแรงคงที่ F ที่เคลื่อนผ่านการกระจัด d ทำงาน W = F·d

ผลคูณจุดเท่ากับศูนย์

a·b = 6·5 + 4·3 + 4·k = 0
42 + 4·k = 0

แก้หา k

k = −42/4 = −10.5

คำตอบ

k = −10.5
14.เวกเตอร์: ผลคูณจุดและผลคูณไขว้

คำตอบ: n̂x = 0.6882

ผลคูณไขว้: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) ตั้งฉากกับเวกเตอร์ทั้งสอง และ |a × b| = |a|·|b|·sin θ คือพื้นที่ของสี่เหลี่ยมด้านขนานที่เวกเตอร์ทั้งสองขึง (สามเหลี่ยมมีครึ่งหนึ่งของมัน) ลำดับมีผล: b × a = −(a × b) โมเมนต์ของแรง F ที่กระทำที่จุด A รอบจุด O คือ MO = r × F โดย r = A − O

ผลคูณไขว้

(a × b)x = aybz − azby = 0·0 − 4·3 = −12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·1 − (−4)·0 = 4
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·3 − 0·1 = −12

ทำให้เป็นหนึ่งหน่วย

องค์ประกอบ z ของ a × b เป็นลบ จึงใช้ −(a × b)

|a × b| = √((−12)² + 4² + (−12)²) = 17.44
n̂ = −(−12, 4, −12)/17.44 = (0.6882, −0.2294, 0.6882)
n̂x = 0.6882

คำตอบ

n̂x = 0.6882
15.ความน่าจะเป็น

คำตอบ: Var(X) = 1.447

ตัวแปรสุ่มไม่ต่อเนื่อง: การแจกแจงความน่าจะเป็นแสดงรายการทุกค่า x ที่ตัวแปรเป็นได้พร้อมความน่าจะเป็น p(x) ความน่าจะเป็นอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 และรวมกันได้ 1 ค่าคาดหมาย (ค่าเฉลี่ย) คือ E(X) = Σx·p(x) ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยในระยะยาว ความแปรปรวนคือ Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ² และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน σ = √Var(X) สำหรับการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) และ σY = |a|·σX การบวกค่าคงที่ไม่เปลี่ยนการกระจาย

ค่าเฉลี่ย

μ = 1·0.3 + 2·0.15 + 3·0.25 + 4·0.3 = 2.55

ค่าเฉลี่ยของกำลังสอง

E(X²) = 1·0.3 + 4·0.15 + 9·0.25 + 16·0.3 = 7.95

ความแปรปรวน

Var(X) = 7.95 − 2.55² = 1.447

คำตอบ

Var(X) = 1.447
16.ความน่าจะเป็น

คำตอบ: σY = 0.6796

ตัวแปรสุ่มไม่ต่อเนื่อง: การแจกแจงความน่าจะเป็นแสดงรายการทุกค่า x ที่ตัวแปรเป็นได้พร้อมความน่าจะเป็น p(x) ความน่าจะเป็นอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 และรวมกันได้ 1 ค่าคาดหมาย (ค่าเฉลี่ย) คือ E(X) = Σx·p(x) ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยในระยะยาว ความแปรปรวนคือ Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ² และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน σ = √Var(X) สำหรับการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) และ σY = |a|·σX การบวกค่าคงที่ไม่เปลี่ยนการกระจาย

การกระจายของ X

μ = 3.05, Var(X) = 1.848, σX = 1.359

การเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น

σY = |0.5|·1.359 = 0.6796

คำตอบ

σY = 0.6796

ค่าเฉลี่ยเลื่อนจริง: E(Y) = 0.5·3.05 − 3 = −1.475

17.สถิติเชิงพรรณนา

คำตอบ: s = 14.77

สถิติเชิงพรรณนา: ค่าเฉลี่ยคือผลรวมหารด้วย n มัธยฐานคือค่ากลางของข้อมูลที่เรียงลำดับแล้ว (ค่าเฉลี่ยของสองค่ากลางเมื่อ n เป็นจำนวนคู่) ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานตัวอย่างคือ s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)) คะแนนมาตรฐาน z = (x − μ)/σ บอกว่าค่าหนึ่งอยู่ห่างจากค่าเฉลี่ยกี่เท่าของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน

ค่าเฉลี่ย

x̄ = 217/6 = 36.17

กำลังสองของความเบี่ยงเบน

Σ(x − x̄)² = 0.8333² + 12.83² + 1.833² + 15.83² + (−25.17)² + (−6.167)² = 1091

ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน

s = √(1091/5) = 14.77

คำตอบ

s = 14.77
18.สถิติเชิงพรรณนา

คำตอบ: P = 0.3446

สถิติเชิงพรรณนา: ค่าเฉลี่ยคือผลรวมหารด้วย n มัธยฐานคือค่ากลางของข้อมูลที่เรียงลำดับแล้ว (ค่าเฉลี่ยของสองค่ากลางเมื่อ n เป็นจำนวนคู่) ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานตัวอย่างคือ s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)) คะแนนมาตรฐาน z = (x − μ)/σ บอกว่าค่าหนึ่งอยู่ห่างจากค่าเฉลี่ยกี่เท่าของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน

ทำให้เป็นมาตรฐาน

z = 0.4

ตารางการแจกแจงปกติมาตรฐาน

Φ(0.4) = 0.6554
P = 1 − 0.6554 = 0.3446

คำตอบ

P = 0.3446
19.การแจกแจงปกติ

คำตอบ: P = 0.3085

ผลบวกและผลต่างของตัวแปรปกติ: ถ้า X และ Y เป็นอิสระต่อกันและมีการแจกแจงปกติ X + Y และ X − Y ก็มีการแจกแจงปกติเช่นกัน ค่าเฉลี่ยบวกหรือลบกัน: E(X ± Y) = μX ± μY ความแปรปรวนบวกกันเสมอ แม้เป็นผลต่าง: Var(X ± Y) = σX² + σY² ดังนั้น σ = √(σX² + σY²) ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานไม่บวกกันโดยตรง ผลรวมของ n รายการอิสระที่มีการแจกแจงเดียวกันมีค่าเฉลี่ย n·μ และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน σ·√n จากนั้นทำให้เป็นมาตรฐานตามปกติ: z = (x − ค่าเฉลี่ย)/σ แล้วอ่าน Φ(z)

การแจกแจงของผลรวม

μT = 340 kg, σT = 12·√4 = 24 kg

ทำให้เป็นมาตรฐาน

z = (328 − 340)/24 = −0.5

ความน่าจะเป็น

P = Φ(−0.5) = 0.3085

คำตอบ

P = 0.3085
20.การแจกแจงปกติ

คำตอบ: x = 534 h

จากพื้นที่กลับเป็น z: Φ(z) คือพื้นที่ทางซ้ายของ z สำหรับพื้นที่หางซ้าย A หา z ที่ Φ(z) = A ในตาราง พื้นที่หางขวา A หมายความว่า Φ(z) = 1 − A พื้นที่ตรงกลาง A ระหว่าง −z และ z เหลือ (1 − A)/2 ในแต่ละหาง ดังนั้น Φ(z) = (1 + A)/2 สำหรับค่า x ใช้ x = μ + zσ

พื้นที่ทางซ้าย

Φ(z) = 0.8

z จากตาราง

z ≈ 0.84

กลับเป็นหน่วยเดิม

x = 500 + 0.84·40 = 534 h

คำตอบ

x = 534 h

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics