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
Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 22 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,06 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 28 min.
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).
A = [0 6; 0 −2]B = [5 1; −6 6]
c12 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [3 −1; 3 7]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Стала сила F = (−30, 10, −20) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−1, 1, −3) до точки B(2, 5, 1). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.
F = (−30, 10, −20) NA(−1, 1, −3) mB(2, 5, 1) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть площу A паралелограма, натягнутого на a = (−4, −6, 0) і b = (4, 6, −1).
a = (−4, −6, 0)b = (4, 6, −1)
A =
7.ІнтегралиСередня
Область під y = √(4x) від x = 0 до x = 3 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (параболоїда).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 3
V =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Дотичну площину до z = 3y·e2xy у точці, де (x, y) = (−1, 1), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.
f(x, y) = 3y·e2xy(a, b) = (−1, 1)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Знайдіть критичні точки f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 4y, класифікуйте їх і дайте значення fmax функції f у її локальному максимумі.
f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 4y
fmax =
11.Послідовності та рядиСередня
Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ k!/kᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.
ak = k!/kᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ/(2k + 1)!.
ak = (−1)ᵏ/(2k + 1)!
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,6).
F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 4y′ + 3y = 0 при y(0) = 8 і y′(0) = 15 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,6).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 8y′(0) = 15t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Система має імпульсну характеристику h(t) = e−1tu(t). Вхід — східчастий сигнал x(t) = 2·u(t). Знайдіть вихід y(1) при t = 1 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 1 s
y(1) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −10 і +10 з періодом T = 10 ms. Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 300 Hz.
±10T = 10 msf = 300 Hz
c3 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: T = 19,02 °C
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.
Розв’язок закону охолодження
T(t) = 22 + (−16)·e−0,06t
Підставте t
T(28) = 22 + (−16)·0,1864 = 19,02 °C
Відповідь
T = 19,02 °C
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1.5) = 0,2156
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.
Інтегрувальний множник
μ = e3t
(e3ty)′ = 5et
Загальний розв’язок
y = 5/1·e−2t + C·e−3t = 5·e−2t + C·e−3t
Початкова умова
2 = 5 + C → C = −3
Обчисліть
y(1,5) = 5·0,04979 + (−3)·0,01111 = 0,2156
Відповідь
y(1,5) = 0,2156
3.Матриці та визначники
Відповідь: c12 = 36
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.
Рядок на стовпець
c12 = 0·1 + 6·6 = 36
Відповідь
c12 = 36
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 6
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.
Характеристичне рівняння
λ² − (10)λ + (24) = 0
Розв’яжіть
λ = (10 ± √(4))/2 → λ = 4, 6
λ = 6
Відповідь
λ = 6
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: W = −130 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.
Переміщення
d = B − A = (2, 5, 1) − (−1, 1, −3) = (3, 4, 4) m
Робота
W = F·d = (−30)·3 + 10·4 + (−20)·4 = −130 J
Відповідь
W = −130 J
Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: A = 7,211
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
(a × b)x = aybz − azby = (−6)·(−1) − 0·6 = 6
(a × b)y = azbx − axbz = 0·4 − (−4)·(−1) = −4
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·6 − (−6)·4 = 0
Площа
A = |a × b| = √(6² + (−4)² + 0²) = 7,211
Відповідь
A = 7,211
7.Інтеграли
Відповідь: V = 56,55
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 4x dx
Інтегруйте
V = π·4·3²/2 = 56,55
Відповідь
V = 56,55
8.Інтеграли
Відповідь: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Відповідь
A = 42,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: c = 1,624
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(−1, 1) = 0,406
fx = 6y²e2xy → fx(−1, 1) = 0,812
fy = 3e2xy(1 + 2xy) → fy(−1, 1) = −0,406
Дотична площина
z = 0,406 + 0,812(x + 1) − 0,406(y − 1)
z = 0,812x − 0,406y + 1,624
Сталий член
c = 1,624
Відповідь
c = 1,624
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: fmax = 6
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).
(−1, 2): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → сідлова точка
Значення в екстремумі
f(1, 2) = 6
Відповідь
fmax = 6
11.Послідовності та ряди
Відповідь: L = 0,3679
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/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e
Висновок
L = 0,3679 < 1
Відповідь
L = 0,3679
L < 1, тож ряд збігається.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 0,8415
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.
Стандартні ряди
Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x
Підставте
x = 1
S = sin 1 = 0,8415
Відповідь
S = 0,8415
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.6) = 2,125
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 − 8s − 15 + 4(sY − 8) + 3Y = 0
Y(s) = (8s + 47)/((s + 1)(s + 3))
Простіші дроби
A = 39/2 = 19,5
B = 23/(−2) = −11,5
Результат
y(t) = 19,5·e−t − 11,5·e−3t
y(0,6) = 8,801
Відповідь
y(0,6) = 8,801
Перевірка: y(0) = A + B = 8.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(1) = 1,264
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).
Згортка зі східчастим сигналом
y(t) = 2·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (2/1)·(1 − e−1t)
Обчисліть
y(1) = 2·(1 − e−1) = 1,264
Відповідь
y(1) = 1,264
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c3 = 0,9006
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)|.