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
Чашку кави температурою 83 °C залишили в кімнаті з температурою 18 °C. Через 26 min її температура становить 36 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 29 °C?
T0 = 83 °CTa = 18 °CT(26) = 36 °CT = 29 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 3y′ + 11,25y = 22,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + 3y′ + 11,25y = 22,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).
A = [2 −2; 3 2]B = [1 6; 4 −4]
c12 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [4 −4; 2 −5]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (1, 2, 7) на b = (1, −2, 6), тобто компоненту a у напрямі b.
a = (1, 2, 7)b = (1, −2, 6)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Сила F = (10, −30, −30) N діє в точці A(3, −3, 0). Координати подано в метрах. Знайдіть z-компоненту Mz моменту сили відносно точка O(0, 1, −1).
F = (10, −30, −30) NA(3, −3, 0) mO(0, 1, −1) m
Mz = N·m
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₀1 x·cos x dx (x у радіанах).
∫₀1 x·cos x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = x2 і y = x.
y = x2y = x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = −4x²y + 3x² − 2y² + 3xy знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (3, −1), тобто |∇f|.
f(x, y) = −4x²y + 3x² − 2y² + 3xyP = (3, −1)
|∇f| =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
f(x, y) = −2x² + 2xy − y² + 10x − 8y − 5 має критичну точку в (1, −3). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².
Функцію f(x) = cos x наближено многочленом Маклорена степеня 2 у точці x = −0,5. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₂|.
f(x) = cos xn = 2x = −0,5M = 1
|R₂| =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 7)/(s² + 4s + 4) і обчисліть f(0,4).
F(s) = (2s + 7)/(s² + 4s + 4)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 6 і y′(0) = 13 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 6y′(0) = 13t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Імпульс x(t) = 3 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 5 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 2 st = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = 0,6·y[n − 1] + 4·x[n] і починає з нульового стану. Знайдіть відлік h[5] її імпульсної характеристики.
y[n] = 0,6y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 35,97 min
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.
Стала охолодження
k = ln(65/18)/26 = 0,04939 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(65/11)/0,04939 = 35,97 min
Відповідь
t = 35,97 min
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 = −1,5 ± 3j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −1
Пік
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/3) = 2,416
Відповідь
ymax = 2,416
3.Матриці та визначники
Відповідь: c12 = 20
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 = 2·6 + (−2)·(−4) = 20
Відповідь
c12 = 20
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 3
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 − (−1)λ + (−12) = 0
Розв’яжіть
λ = (−1 ± √(49))/2 → λ = −4, 3
λ = 3
Відповідь
λ = 3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: compb a = 6,091
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 = 1·1 + 2·(−2) + 7·6 = 39
Довжина b
|b| = √(1² + (−2)² + 6²) = 6,403
Скалярна проєкція
compb a = a·b/|b| = 39/6,403 = 6,091
Відповідь
compb a = 6,091
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: Mz = −50 N·m
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.
Радіус-вектор від O до A
r = A − O = (3, −3, 0) − (0, 1, −1) = (3, −4, 1) m
Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.
Оберіть u та dv
u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Первісна
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Границі
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Відповідь
I = 0,3818
8.Інтеграли
Відповідь: A = 0,1667
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
x2 = x → x = 0, x = 1
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Відповідь
A = 0,1667
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: |∇f| = 45,28
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.
Частинні похідні
fx = −8xy + 6x + 3y → fx(3, −1) = 39
fy = −4x² − 4y + 3x → fy(3, −1) = −23
Довжина градієнта
|∇f| = √(39² + (−23)²) = 45,28
Відповідь
|∇f| = 45,28
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: D = 4
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).
Другі похідні
fxx = −4, fyy = −2, fxy = 2
Дискримінант
D = (−4)·(−2) − 2² = 4
→ локальний максимум
Відповідь
D = 4
11.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 3,81
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
4/(k(k + 1)) = 4·(1/k − 1/(k + 1))
Скасувати
S = 4·(1 − 1/21) = 3,81
Відповідь
S = 3,81
12.Послідовності та ряди
Відповідь: |R₂| = 0,02083
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.
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).
Розкладіть знаменник на множники
s² + 4s + 4 = (s + 2)²
Простіші дроби
2s + 7 = 2(s + 2) + 3
F(s) = 2/(s + 2) + 3/(s + 2)²
Обернене перетворення
f(t) = 2·e−2t + 3·t·e−2t
f(0,4) = (2 + 3·0,4)·e−2·0,4 = 1,438
Відповідь
f(0,4) = 1,438
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.5) = 6,623
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 − 6s − 13 + 5(sY − 6) + 4Y = 0
Y(s) = (6s + 43)/((s + 1)(s + 4))
Простіші дроби
A = 37/3 = 12,33
B = 19/(−3) = −6,333
Результат
y(t) = 12,33·e−t − 6,333·e−4t
y(0,5) = 6,623
Відповідь
y(0,5) = 6,623
Перевірка: y(0) = A + B = 6.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(2) = 15
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).
Перекриття віддзеркаленого імпульсу
h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.
τ ∈ [0, 1] → довжина 1 s
Інтеграл
y(2) = 3·5·1 = 15
Відповідь
y(2) = 15
y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 15 і спадає до 0 при t = 3 s.
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: h[5] = 0,311
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)|.