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) = 2 і y′(0) = -2. Знайдіть y(1,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(1.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + y/x = 2x2 при x > 0, y(1) = 1. Знайдіть y(2).
y′ + y/x = 2x2y(1) = 1
y(2) =
3.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).
A = [3 −6; 0 4]B = [−1 −1; −3 4]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Розв'яжіть систему 6x − 2y = 9 і −6x + y = −6. Знайдіть x.
6x − 2y = 9−6x + y = −6
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (3, 7, 1) і b = (−2, 5, 2).
a = (3, 7, 1)b = (−2, 5, 2)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (−5, 0, 5), b = (−2, 4, 3) і c = (−1, −2, −2).
a = (−5, 0, 5)b = (−2, 4, 3)c = (−1, −2, −2)
V =
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫14 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 4]
I =
8.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 4x і параболою y = 3x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 4xy = 3x²
V =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
z = 2 sin(−3x + 3y), де x = t + 1 і y = t² + 2. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 1.
z = 2 sin(−3x + 3y)x = t + 1y = t² + 2t = 1
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Позначені точки — критичні точки f(x, y) = x³ + y³ + 3xy. Клікніть сідлову точку.
f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
1A (−1, −1)
2B (0, 0)
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть суму S = Σk=1∞ 1/(k(k + 4)).
ak = 1/(k(k + 4))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
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) = (3s + 25)/(s² + 8s + 16) і обчисліть f(0,4).
F(s) = (3s + 25)/(s² + 8s + 16)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 8y′ + 12y = 24·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(0,4).
Система має імпульсну характеристику h(t) = e−2tu(t). Вхід — східчастий сигнал x(t) = 5·u(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.
h(t) = e−2tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 2 s
y(2) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Прямокутна хвиля перемикається між 5 і 0 з періодом T = 1 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 5000 Hz.
0 … 5T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1.5) = 0,4463
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) = 2
y′(0) = B − 1A → B = -2 + 2 = 0
Обчисліть
y(1,5) = (2 + 0·1,5)·e−1,5 = 0,4463
Відповідь
y(1,5) = 0,4463
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(2) = 4,25
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)′ = 2x3 → x1y = 2x4/4 + C
Початкова умова
1 = 2/4 + C → C = 0,5
Обчисліть
y(2) = (2·24/4 + 0,5)/21 = 4,25
Відповідь
y(2) = 4,25
3.Матриці та визначники
Відповідь: c22 = 16
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
c22 = 0·(−1) + 4·4 = 16
Відповідь
c22 = 16
4.Матриці та визначники
Відповідь: x = 0,5
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.
Визначник матриці коефіцієнтів
det A = 6·1 − (−2)·(−6) = −6
Замініть стовпець x
det Aₓ = 9·1 − (−2)·(−6) = −3
x = −3/(−6) = 0,5
Відповідь
x = 0,5
y = −3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: a·b = 31
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.
Перемножте відповідні компоненти й додайте
a·b = 3·(−2) + 7·5 + 1·2 = (−6) + 35 + 2 = 31
Відповідь
a·b = 31
Додатний: кут між векторами менший за 90°.
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: V = 50
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 4·(−2) − 3·(−2) = −2
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·(−1) − (−2)·(−2) = −7
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·(−2) − 4·(−1) = 8
Скалярний добуток з a
a·(b × c) = (−5)·(−2) + 0·(−7) + 5·8 = 50
V = |50| = 50
Відповідь
V = 50
7.Інтеграли
Відповідь: I = 1,386
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) = ln x
Підставте межі
I = (ln 4 − ln 1) = ln 4 = 1,386
Відповідь
I = 1,386
8.Інтеграли
Відповідь: V = 15,89
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.
Точки перетину
4x = 3x² → x = 0, x = 1,333
Метод шайб
V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89
Відповідь
V = 15,89
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: dz/dt = −5,94
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(1) = 2, y(1) = 3
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 2
Частинні похідні
fx = −6 cos(−3x + 3y) = 5,94
fy = 6 cos(−3x + 3y) = −5,94
Ланцюгове правило
dz/dt = 5,94·1 + (−5,94)·2 = −5,94
Відповідь
dz/dt = −5,94
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: B (0, 0)
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).
Критичні точки
Розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом.
fx = 3x² + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)
Тест другої похідної
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → сідлова точка
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
1/(k(k + 4)) = (1/4)·(1/k − 1/(k + 4))
Скасувати
S = (1/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 0,5208
Відповідь
S = 0,5208
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
Простіші дроби
3s + 25 = 3(s + 4) + 13
F(s) = 3/(s + 4) + 13/(s + 4)²
Обернене перетворення
f(t) = 3·e−4t + 13·t·e−4t
f(0,4) = (3 + 13·0,4)·e−4·0,4 = 1,656
Відповідь
f(0,4) = 1,656
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.4) = 3,714
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) = 120/(s(s + 2)(s + 6))
Простіші дроби
A = 120/(2·6) = 10
B = 120/((−2)·4) = −15
C = 120/((−6)·(−4)) = 5
Виведення
y(t) = 10 − 15·e−2t + 5·e−6t
y(0,4) = 3,714
Відповідь
y(0,4) = 3,714
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(2) = 2,454
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) = 5·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (5/2)·(1 − e−2t)
Обчисліть
y(2) = 2,5·(1 − e−4) = 2,454
Відповідь
y(2) = 2,454
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c5 = 0,6366
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)|.