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″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = -4. Знайдіть y(1).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(1) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 6x при x > 0, y(1) = −1. Знайдіть y(3).
y′ + y/x = 6xy(1) = −1
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c12 (рядок 1, стовпець 2).
A = [2 −2; −3 5]B = [−5 2; 1 6]
c12 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [1 4; −5 −8]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть значення k, за якого вектори a = (−2, −4, −5) і b = (3, 2, k) перпендикулярні.
a = (−2, −4, −5)b = (3, 2, k)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (1, 3, 3) і b = (−4, 3, 0) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.
a = (1, 3, 3)b = (−4, 3, 0)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
Обчисліть I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Дотичну площину до z = −3xy³ − 2x³ + 5y² − 4xy у точці, де (x, y) = (−1, 1), можна записати як z = px + qy + c. Знайдіть c.
f(x, y) = −3xy³ − 2x³ + 5y² − 4xy(a, b) = (−1, 1)
c =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Інтеграл I = ∫01 ∫y1 1/(1 + x²)² dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.
f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть суму S = Σk=1∞ 2/(k(k + 1)).
ak = 2/(k(k + 1))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
Знайдіть коефіцієнт c₄ при (x − 1)⁴ у ряді Тейлора функції f(x) = e−x у точці a = 1.
f(x) = e−xa = 1k = 4
c₄ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 20), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,4).
F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 20)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t) при y(0) = 3 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 4. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,5).
Імпульс x(t) = 2 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(1) при t = 1 s.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 2 st = 1 s
y(1) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = 0,9·y[n − 1] + 4·x[n] і починає з нульового стану. Знайдіть відлік h[4] її імпульсної характеристики.
y[n] = 0,9y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1) = 1,472
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.
Характеристичні корені
(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Сталі за початковими значеннями
A + B = 4, −1A − 4B = -4
A = 4, B = 0
Обчисліть
y(1) = 4·e−1 + 0·e−4 = 1,472
Відповідь
y(1) = 1,472
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(3) = 17
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 = e∫1/x dx = x1
Інтегруйте
(x1y)′ = 6x2 → x1y = 6x3/3 + C
Початкова умова
−1 = 6/3 + C → C = −3
Обчисліть
y(3) = (6·33/3 + (−3))/31 = 17
Відповідь
y(3) = 17
3.Матриці та визначники
Відповідь: c12 = −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
c12 = 2·2 + (−2)·6 = −8
Відповідь
c12 = −8
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 − (−7)λ + (12) = 0
Розв’яжіть
λ = (−7 ± √(1))/2 → λ = −4, −3
λ = −3
Відповідь
λ = −3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: k = −2,8
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 дорівнює нулю
a·b = (−2)·3 + (−4)·2 + (−5)·k = 0
−14 + (−5)·k = 0
Розв’яжіть щодо k
k = −(−14)/(−5) = −2,8
Відповідь
k = −2,8
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: n̂y = −0,5657
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.
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Первісна
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Границі
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Відповідь
I = 23,5
8.Інтеграли
Відповідь: I = 0,7183
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.
Перший крок
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Другий крок
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Границі
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Відповідь
I = 0,7183
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: c = −22
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) = 14
fx = −3y³ − 6x² − 4y → fx(−1, 1) = −13
fy = −9xy² + 10y − 4x → fy(−1, 1) = 23
Дотична площина
z = 14 − 13(x + 1) + 23(y − 1)
z = −13x + 23y − 22
Сталий член
c = −22
Відповідь
c = −22
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 0,25
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).
Область
0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1
Змінений порядок
I = ∫01 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01 x·1/(1 + x²)² dx
Підстановка u = x²
I = [−1/(2(1 + x²))]01 = 0,25
Відповідь
I = 0,25
11.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 2
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
2/(k(k + 1)) = 2·(1/k − 1/(k + 1))
Скасувати
S = 2·1 = 2
Відповідь
S = 2
12.Послідовності та ряди
Відповідь: c₄ = 0,01533
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⁽⁴⁾
f⁽⁴⁾(x) = (−1)⁴·e−x
Коефіцієнт
c₄ = (−1)⁴·e−1/4! = 0,01533
c₄ = 0,01533
Відповідь
c₄ = 0,01533
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.4) = 2,781
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
(s² + 5s + 6)·Y(s) = 3s + 15 + 96/s
Y(s) = (3s² + 15s + 96)/(s(s + 2)(s + 3))
Простіші дроби
A = 96/(2·3) = 16
B = 78/((−2)·1) = −39
C = 78/((−3)·(−1)) = 26
Результат
y(t) = 16 − 39·e−2t + 26·e−3t
y(0,5) = 7,454
Відповідь
y(0,5) = 7,454
Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(1) = 10
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(1) = 2·5·1 = 10
Відповідь
y(1) = 10
y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 10 і спадає до 0 при t = 3 s.
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: h[4] = 2,624
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)|.