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) = 5 і y′(0) = 0. Знайдіть y(0,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть y″ + 4y′ + 20y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,5); кути в радіанах.
y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c11 (рядок 1, стовпець 1).
A = [4 0; −5 4]B = [2 5; 4 −5]
c11 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [6 −1; 2 3]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−5, −6, 4) на b = (4, 3, −2), тобто компоненту a у напрямі b.
a = (−5, −6, 4)b = (4, 3, −2)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Сила F = (−10, 30, 20) N діє в точці A(−2, 0, 3). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно точка O(−3, −2, 3).
F = (−10, 30, 20) NA(−2, 0, 3) mO(−3, −2, 3) m
Mx = N·m
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 1 − x² і віссю x.
y = 1 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = 3 ln(x² + 3y²) знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(0,5, 0,5) у напрямку до Q(−3,5, 1,5).
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
f(x, y) = x³ − 27x + y² − 2y має критичну точку в (3, 1). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ − 27x + y² − 2yP = (3, 1)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть суму S = Σk=1∞ 5/(k(k + 3)).
ak = 5/(k(k + 3))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
Функцію f(x) = eˣ наближено в точці x = 0,5 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 2 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,001.
f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,001
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (5s + 40)/(s² + 8s + 25), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,1).
F(s) = (5s + 40)/(s² + 8s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 1 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,2).
Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−4tu(t). Знайдіть вихід y(3) при t = 3 s, після закінчення імпульсу.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−4tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −2 і +2 з періодом T = 1 ms. Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 3000 Hz.
±2T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 4,549
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) = 5
y′(0) = B − 1A → B = 0 + 5 = 5
Обчисліть
y(0,5) = (5 + 5·0,5)·e−0,5 = 4,549
Відповідь
y(0,5) = 4,549
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 0,01416
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.
Комплексні корені
r = −2 ± 4j
Сталі
A = 1, B = 2·1/4 = 0,5
Обчисліть
y(0,5) = e−1(1·cos 2 + 0,5·sin 2) = 0,01416
Відповідь
y(0,5) = 0,01416
3.Матриці та визначники
Відповідь: c11 = 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
c11 = 4·2 + 0·4 = 8
Відповідь
c11 = 8
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 5
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 − (9)λ + (20) = 0
Розв’яжіть
λ = (9 ± √(1))/2 → λ = 4, 5
λ = 5
Відповідь
λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: compb a = −8,542
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)·4 + (−6)·3 + 4·(−2) = −46
Довжина b
|b| = √(4² + 3² + (−2)²) = 5,385
Скалярна проєкція
compb a = a·b/|b| = −46/5,385 = −8,542
Відповідь
compb a = −8,542
Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: Mx = 40 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 = (−2, 0, 3) − (−3, −2, 3) = (1, 2, 0) m
Момент M = r × F
(r × F)x = ryFz − rzFy = 2·20 − 0·30 = 40 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 0·(−10) − 1·20 = −20 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·30 − 2·(−10) = 50 N·m
Потрібна компонента
Mx = 40 N·m
Відповідь
Mx = 40 N·m
7.Інтеграли
Відповідь: I = 1,297
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.
Первісна
F(x) = e0,5x/0,5
Підставте межі
I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297
Відповідь
I = 1,297
8.Інтеграли
Відповідь: A = 1,333
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.
Нулі
1 − x² = 0 → x = ±1
Інтегруйте
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Відповідь
A = 1,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: Duf = −0,7276
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.
Градієнт у точці
fx = 6x/(x² + 3y²) → fx(0,5, 0,5) = 3
fy = 18y/(x² + 3y²) → fy(0,5, 0,5) = 9
Одиничний вектор
|v| = √((−4)² + 1²) = 4,123
u = (−0,9701, 0,2425)
Скалярний добуток
Duf = 3·(−0,9701) + 9·0,2425 = −0,7276
Відповідь
Duf = −0,7276
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: D = 36
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 = 18, fyy = 2, fxy = 0
Дискримінант
D = 18·2 − 0² = 36
→ локальний мінімум
Відповідь
D = 36
11.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 3,056
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
5/(k(k + 3)) = (5/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Скасувати
S = (5/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 3,056
Відповідь
S = 3,056
12.Послідовності та ряди
Відповідь: n = 4
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.
Оцінки для зростаючого n
n = 3: 0,005208 ≥ 0,001
n = 4: 0,0005208 < 0,001
Найменший степінь
n = 4
Відповідь
n = 4
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.1) = 4,523
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
Y(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))
Простіші дроби
A = 2/(1·2) = 1
B = 2/((−1)·1) = −2
C = 2/((−2)·(−1)) = 1
Виведення
y(t) = 1 − 2·e−t + e−2t
y(0,2) = 0,03286
Відповідь
y(0,2) = 0,03286
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(3) = 0,0003293
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).
Вихід наприкінці імпульсу
y(1) = (4/4)(1 − e−4) = 0,9817
Спад після імпульсу
y(3) = 0,9817·e−4·2 = 0,0003293
Відповідь
y(3) = 0,0003293
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c3 = 0,1801
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)|.