У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.
1Формули та методи
Диференціальні рівняння
Експоненціальне зростання/спадання
dy/dt = ky → y = y0ekt
Період напіврозпаду
k = ln 2 / t½
Закон охолодження Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Інтегрувальний множник
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак змішування
dm/dt = r·c − (r/V)·m
Матриці та визначники
визначник 2×2
det = ad − bc
Обернена матриця 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Власні значення
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)
Вектори: скалярний і векторний добутки
Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Одиничний вектор
û = a/|a|
Компоненти за кутом
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярний добуток
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярна проєкція a на b
a·b/|b|
Робота
W = F·d
Векторний добуток
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площі
паралелограм |a × b|, трикутник ½|a × b|
Момент відносно O
MO = r × F, r = A − O
Об’єм паралелепіпеда
V = |a·(b × c)|
Метод
Запишіть кожен вектор у компонентах; для сили, заданої модулем і кутом, використовуйте F·cos θ і F·sin θ.
Для довжин і напрямів використовуйте модуль √(x² + y² + z²) та одиничний вектор a/|a|.
Скалярний добуток використовуйте для кутів, проєкцій, перпендикулярності й роботи: a·b = |a||b|cos θ.
Векторний добуток використовуйте для перпендикулярних векторів, площ і моментів: акуратно запишіть три компоненти, зберігаючи порядок a × b.
Інтеграли
Похідна степеня
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Визначений інтеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основні інтеграли
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площа між кривими
∫ab (f − g) dx
Метод
Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для ex, 1/x, sin і cos.
Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
Для визначеного інтеграла обчисліть F(b) − F(a).
Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Частинні похідні
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градієнт
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Похідна за напрямом
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Дотична площина
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Ланцюгове правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест другої похідної
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Подвійний інтеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярні координати
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Метод
Для частинної похідної трактуйте іншу змінну як сталу й користуйтеся правилами для однієї змінної.
Для задач про градієнт обчисліть ∇f = (fx, fy) у точці; використовуйте |∇f| для найкрутішого нахилу та ∇f·u з одиничним вектором u для похідної за напрямом.
Для екстремумів розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом, а потім класифікуйте кожну точку за D = fxx·fyy − fxy².
Для подвійного інтеграла накресліть область, оберіть порядок (або полярні координати для кругів), щоб внутрішні межі були обмежувальними кривими, і спершу інтегруйте всередині.
Послідовності та ряди
Арифметична послідовність
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрична послідовність
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Нескінченний геометричний ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ознака Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радіус збіжності
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 + …
Оцінка похибки Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
Метод
Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
Для сум користуйтеся Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) або S = a₁/(1 − r) за |r| < 1, де a₁ — перший член суми.
Для збіжності: спершу ознака n-го члена, потім порівняння з Σ1/kᵖ або геометричним рядом, а ознаку Даламбера чи Коші використовуйте для факторіалів і k-х степенів.
Для многочленів Тейлора випишіть f(a), f′(a), f″(a), …, поділіть k-ту похідну на k! і оцініть похибку за M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Накресліть обидва сигнали й позначте, де кожен з них ненульовий.
Віддзеркаліть h і зсувайте її: для кожного моменту виходу знайдіть діапазон, де обидва сигнали перекриваються.
Перемножуйте й додавайте (дискретно) або перемножуйте й інтегруйте (неперервно) лише на цьому перекритті.
Перевірте результат: вихід починається в суму моментів початку, закінчується в суму моментів завершення, а його площа чи сума дорівнює добутку площ чи сум входів.
2Задачі для практики
1.Диференціальні рівнянняСередня
Кувану сталеву деталь температурою 380 °C залишили остигати в цеху з температурою 26 °C. Через 46 min її температура становить 82 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 380 °CTa = 26 °CT(46) = 82 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 4y′ + 20y = 40 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [3 −3 −1; −5 −1 1; −2 2 0]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Розв'яжіть систему 2x − y = −8 і 2x + 5y = 12. Знайдіть x.
2x − y = −82x + 5y = 12
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (5, −4, 4) на b = (−5, −6, −2), тобто компоненту a у напрямі b.
a = (5, −4, 4)b = (−5, −6, −2)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (2, 1, −5), b = (−2, 3, 1) і c = (−3, −4, −1).
a = (2, 1, −5)b = (−2, 3, 1)c = (−3, −4, −1)
V =
7.ІнтегралиСередня
Область під y = x від x = 0 до x = 3 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (конуса).
y = x0 ≤ x ≤ 3
V =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Дотичну площину до z = −4x³y + 4x³ + 4y³ + xy у точці, де (x, y) = (3, −2), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.
f(x, y) = −4x³y + 4x³ + 4y³ + xy(a, b) = (3, −2)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Скористайтеся полярними координатами, щоб обчислити I = ∬R e−(x² + y²) dA, де R — кільце 0,25 ≤ x² + y² ≤ 9.
f = e−(x² + y²)0,5 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ k³·3ᵏ/4ᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.
ak = k³·3ᵏ/4ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
Знайдіть коефіцієнт c₂ при (x − 25)² у ряді Тейлора функції f(x) = √x у точці a = 25.
f(x) = √xa = 25k = 2
c₂ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).
F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 10 і y′(0) = −5 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,3).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 10y′(0) = −5t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Вхід x(t) = 1·e−5tu(t) подано на систему з h(t) = e−4tu(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.
x(t) = 1·e−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 2·x[n] і починає з нульового стану. Знайдіть відлік h[5] її імпульсної характеристики.
y[n] = 0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,04009 min⁻¹
Диференціальні рівняння першого порядку: dy/dt = k·y має розв’язок y = y₀·ekt (зростання при k > 0, спадання при k < 0); період напіврозпаду T дає k = ln 2/T. Закон охолодження Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) дає T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Лінійне рівняння y′ + p(x)·y = q(x) розв’язують з інтегрувальним множником μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, тож μy = ∫μq dx + C.
Відношення різниць температур
e−46k = 56/354
Розв’яжіть щодо k
k = ln(354/56)/46 = 0,04009 min⁻¹
Відповідь
k = 0,04009 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 2,416
Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.
Усталене значення та корені
yss = 2, r = −2 ± 4j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1
Пік
t = π/4 = 0,7854
ymax = 2·(1 + e−2·π/4) = 2,416
Відповідь
ymax = 2,416
3.Матриці та визначники
Відповідь: det A = 12
Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.
Мінори 2×2 першого рядка
M₁₁ = −2, M₁₂ = 2, M₁₃ = −12
Розклад за рядком
det A = 3·(−2) − (−3)·2 + (−1)·(−12) = 12
Відповідь
det A = 12
4.Матриці та визначники
Відповідь: x = −2,333
Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.
Визначник матриці коефіцієнтів
det A = 2·5 − (−1)·2 = 12
Замініть стовпець x
det Aₓ = (−8)·5 − (−1)·12 = −28
x = −28/12 = −2,333
Відповідь
x = −2,333
y = 3,333
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: compb a = −1,116
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.
Скалярний добуток
a·b = 5·(−5) + (−4)·(−6) + 4·(−2) = −9
Довжина b
|b| = √((−5)² + (−6)² + (−2)²) = 8,062
Скалярна проєкція
compb a = a·b/|b| = −9/8,062 = −1,116
Відповідь
compb a = −1,116
Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: V = 88
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.
Векторний добуток b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 3·(−1) − 1·(−4) = 1
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·(−3) − (−2)·(−1) = −5
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·(−4) − 3·(−3) = 17
Скалярний добуток з a
a·(b × c) = 2·1 + 1·(−5) + (−5)·17 = −88
V = |−88| = 88
Відповідь
V = 88
7.Інтеграли
Відповідь: V = 28,27
Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.
Метод дисків
V = π∫₀3 1x² dx
Інтегруйте
V = π·1·3³/3 = 28,27
Відповідь
V = 28,27
Перевірка: конус радіуса 3 і висоти 3 має (1/3)πr²h = 28,27.
8.Інтеграли
Відповідь: A = 2,667
Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.
Точки перетину
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Відповідь
A = 2,667
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: c = −794
Градієнт: ∇f = (fx, fy) вказує напрямок найшвидшого зростання, а |∇f| — найбільша швидкість зміни. Похідна за напрямом v дорівнює Duf = ∇f·u з одиничним вектором u = v/|v|. Дотична площина в точці (a, b): z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); вона дає лінійне наближення f поблизу цієї точки. Правило ланцюга: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Значення і нахили в точці
f(3, −2) = 286
fx = −12x²y + 12x² + y → fx(3, −2) = 322
fy = −4x³ + 12y² + x → fy(3, −2) = −57
Дотична площина
z = 286 + 322(x − 3) − 57(y + 2)
z = 322x − 57y − 794
Сталий член
c = −794
Відповідь
c = −794
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 2,446
Критичні точки та подвійні інтеграли: критична точка має fx = fy = 0. Тест другої похідної з D = fxxfyy − fxy²: D > 0 і fxx > 0 — локальний мінімум, D > 0 і fxx < 0 — локальний максимум, D < 0 — сідлова точка, а D = 0 нічого не вирішує. Для подвійного інтеграла по довільній області нехай внутрішні межі будуть кривими, що обмежують область; для кругів і секторів використовуйте полярні координати, x = r cos θ, y = r sin θ і dA = r dr dθ (не забудьте множник r).
Полярна форма
I = ∫02π ∫0,53 e−r²·r dr dθ
Інтегруйте
∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 2,446
Відповідь
I = 2,446
11.Послідовності та ряди
Відповідь: L = 0,75
Збіжність: якщо члени не прямують до 0, ряд розбігається (необхідна умова збіжності, ознака n-го члена). Σ1/kᵖ збігається лише за p > 1, а Σrᵏ лише за |r| < 1. Порівнюйте ряд з одним із них, коли його члени для великих k поводяться як вони. Ознака Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; ознака Коші: L = lim |ak|1/k. L < 1 — збігається, L > 1 — розбігається, L = 1 нічого не вирішує. Степеневий ряд Σck(x − x₀)ᵏ збігається для |x − x₀| < R, де R = lim |ck/ck+1|; знакозмінний ряд із членами, що спадають до 0, збігається.
Відношення сусідніх членів
|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)³·3/4 → 3/4
Висновок
L = 0,75 < 1
Відповідь
L = 0,75
L < 1, тож ряд збігається.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: c₂ = −0,001
Многочлени Тейлора: поблизу x = a гладка функція наближається многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; для a = 0 це многочлен Маклорена. Стандартні ряди: 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. Оцінка похибки Лагранжа: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, де M — найбільше значення |f⁽ⁿ⁺¹⁾| між a і x.
Похідна f⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2
Коефіцієнт
c₂ = −0,25·251/2 − 2/2! = −0,001
c₂ = −0,001
Відповідь
c₂ = −0,001
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.3) = 0,5852
Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Перетворіть рівняння
s²Y − 10s − (−5) + 5(sY − 10) + 6Y = 0
Y(s) = (10s + 45)/((s + 2)(s + 3))
Простіші дроби
A = 25/1 = 25
B = 15/(−1) = −15
Результат
y(t) = 25·e−2t − 15·e−3t
y(0,3) = 7,622
Відповідь
y(0,3) = 7,622
Перевірка: y(0) = A + B = 10.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(2) = 0,0002901
Неперервна згортка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Відобразіть h дзеркально, посуньте її в положення t та проінтегруйте добуток частин, що перекриваються. Для причинних сигналів інтеграл береться від 0 до t. Корисні результати: площа y дорівнює площі x, помноженій на площу h; якщо x триває від t₁ до t₂, а h — від t₃ до t₄, то y триває від t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) і східчастого сигналу висотою A маємо y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Імпульсна характеристика та ряд Фур’є: імпульсна характеристика h(t) повністю описує лінійну стаціонарну систему: для y′ + a·y = b·x вона має вигляд h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоїда cos ωt проходить із коефіцієнтом підсилення |H(jω)| і фазою ∠H(jω), де H — перетворення Фур’є функції h. Періодичний сигнал є сумою гармонік на частотах k/T: прямокутна хвиля ±A має лише непарні гармоніки з амплітудами 4A/(kπ), трикутна хвиля з піком A має 8A/(π²k²), а послідовність імпульсів висотою A з коефіцієнтом заповнення D має середнє значення A·D і гармоніки (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.