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
Розв’яжіть y″ + 2y′ + y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = -1. Знайдіть y(1,5).
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c21 (рядок 2, стовпець 1).
A = [−2 2; −6 4]B = [−2 5; −1 −5]
c21 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Розв'яжіть систему 4x − y = −1 і −4x + 3y = −2. Знайдіть x.
4x − y = −1−4x + 3y = −2
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть кут θ між векторами a = (1, −6, −1) і b = (−2, 1, 3) у градусах.
a = (1, −6, −1)b = (−2, 1, 3)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Для a = (−2, 5, 3) і b = (−4, 0, 4) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.
a = (−2, 5, 3)b = (−4, 0, 4)
(a × b)z =
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
z = 5xy + 5x² + y³, де x = t − 2 і y = −2t² + 2. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 0.
z = 5xy + 5x² + y³x = t − 2y = −2t² + 2t = 0
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Знайдіть площу I = ∬R 1 dA області R між параболою y = x² і прямою y = 3x.
y = x²y = 3xf = 1
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть суму S = Σk=1∞ 3/(k(k + 1)).
ak = 3/(k(k + 1))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!
S =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 12/(s² + 4s + 8), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(1).
F(s) = 12/(s² + 4s + 8)t = 1 s
f(1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 12y = 12·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 5 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,3).
Система має імпульсну характеристику h(t) = e−0,5tu(t). Вхід — східчастий сигнал x(t) = 10·u(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Вхід x(t) = 10·cos(1,5t) подано на систему з h(t) = 2·e−2tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.
h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 10cos(1,5t)
φ = °
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1.5) = 1,339
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.
Подвійний корінь
(r + 1)² = 0 → r = −1
Сталі
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 1A → B = -1 + 3 = 2
Обчисліть
y(1,5) = (3 + 2·1,5)·e−1,5 = 1,339
Відповідь
y(1,5) = 1,339
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 1,757
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)′ = 8e2t
Загальний розв’язок
y = 8/2·e−t + C·e−3t = 4·e−t + C·e−3t
Початкова умова
1 = 4 + C → C = −3
Обчисліть
y(0,5) = 4·0,6065 + (−3)·0,2231 = 1,757
Відповідь
y(0,5) = 1,757
3.Матриці та визначники
Відповідь: c21 = 8
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
c21 = (−6)·(−2) + 4·(−1) = 8
Відповідь
c21 = 8
4.Матриці та визначники
Відповідь: x = −0,625
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 = 4·3 − (−1)·(−4) = 8
Замініть стовпець x
det Aₓ = (−1)·3 − (−1)·(−2) = −5
x = −5/8 = −0,625
Відповідь
x = −0,625
y = −1,5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: θ = 118,5 °
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 = 1·(−2) + (−6)·1 + (−1)·3 = −11
Модулі
|a| = √(1² + (−6)² + (−1)²) = 6,164
|b| = √((−2)² + 1² + 3²) = 3,742
Кут
cos θ = −11/(6,164·3,742) = −0,4769
θ = arccos(−0,4769) = 118,5°
Відповідь
θ = 118,5°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: (a × b)z = 20
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 покомпонентно
(a × b)x = aybz − azby = 5·4 − 3·0 = 20
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−4) − (−2)·4 = −4
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·0 − 5·(−4) = 20
Потрібна компонента
(a × b)z = 20
Відповідь
(a × b)z = 20
Перевірка: a × b перпендикулярний до обох векторів, тож його скалярний добуток з a і з b дорівнює нулю.
7.Інтеграли
Відповідь: I = 2,333
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.
Заміна змінної
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Відповідь
I = 2,333
8.Інтеграли
Відповідь: A = 5,333
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 = 2x → x = 0, x = 4
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Відповідь
A = 5,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: dz/dt = −10
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.
Точка і швидкості
x(0) = −2, y(0) = 2
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = 0
Частинні похідні
fx = 5y + 10x = −10
fy = 5x + 3y² = 2
Ланцюгове правило
dz/dt = (−10)·1 + 2·0 = −10
Відповідь
dz/dt = −10
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 4,5
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).
Точки перетину
x² = 3x → x = 0, x = 3
Внутрішній інтеграл
∫x²3x 1 dy = 3x − x²
Зовнішній інтеграл
I = ∫03 (3x − x²) dx = 4,5
Відповідь
I = 4,5
11.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 3
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.
Простіші дроби
3/(k(k + 1)) = 3·(1/k − 1/(k + 1))
Скасувати
S = 3·1 = 3
Відповідь
S = 3
12.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 0,6967
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/(2k)! = cos x
Підставте
x = 0,8
S = cos 0,8 = 0,6967
Відповідь
S = 0,6967
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(1) = 0,7384
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).
Виділення повного квадрата
s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 4 = (s + 2)² + 2²
Зіставлення чисельника
F(s) = (12/2)·2/((s + 2)² + 2²)
Обернене перетворення
f(t) = e−2t·(6·sin 2t)
f(1) = e−2·1·(6·sin(2·1)) = 0,7384
Відповідь
f(1) = 0,7384
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.3) = 1,387
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
Y(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))
Простіші дроби
A = 60/(3·4) = 5
B = 60/((−3)·1) = −20
C = 60/((−4)·(−1)) = 15
Виведення
y(t) = 5 − 20·e−3t + 15·e−4t
y(0,3) = 1,387
Відповідь
y(0,3) = 1,387
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(2) = 12,64
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) = 10·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (10/0,5)·(1 − e−0,5t)
Обчисліть
y(2) = 20·(1 − e−1) = 12,64
Відповідь
y(2) = 12,64
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: φ = −36,87 °
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)|.