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
Банку газованого напою температурою 6 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 27 °C. Через 22 min її температура становить 16 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 24 °C?
T0 = 6 °CTa = 27 °CT(22) = 16 °CT = 24 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + 2y/x = 3 при x > 0, y(1) = 1. Знайдіть y(3).
y′ + 2y/x = 3y(1) = 1
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [5 1 −4; −4 0 −3; −4 −3 −2]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Розв'яжіть систему −4x + y = −5 і −2x − 3y = 4. Знайдіть x.
−4x + y = −5−2x − 3y = 4
x =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть кут θ між векторами a = (5, −2, −3) і b = (2, 5, −2) у градусах.
a = (5, −2, −3)b = (2, 5, −2)
θ = °
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(4, 1, 3), B(3, −3, 0) і C(−3, −2, −3). Координати подано в метрах.
A(4, 1, 3)B(3, −3, 0)C(−3, −2, −3)
A = m²
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[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) = −3xy + 4x³ − y² знайдіть похідну за напрямом Duf у точці P(3, 2) у напрямку до Q(5, −2).
f(x, y) = −3xy + 4x³ − y²P = (3, 2)Q = (5, −2)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Знайдіть критичні точки f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy, класифікуйте їх і дайте значення fmin функції f у її локальному мінімумі.
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
fmin =
11.Послідовності та рядиСередня
Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ k³·3ᵏ/4ᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.
ak = k³·3ᵏ/4ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 3 для f(x) = sin(0,5x), щоб наблизити f(2,5). Дайте P₃(2,5).
f(x) = sin(0,5x)n = 3x = 2,5
P₃(2.5) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (5s + 36)/(s² + 6s + 18), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,25).
F(s) = (5s + 36)/(s² + 6s + 18)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = 8 і y′(0) = 11 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 8y′(0) = 11t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −1 s і t = 2 s, а h(t) — лише між t = −1 s і t = 3 s. Знайдіть тривалість D сигналу y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 2 sh: −1 … 3 s
D = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y′(t) + 2·y(t) = 3·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 0,2 s, h(0,2).
y′ + 2y = 3xt = 0,2 s
h(0.2) =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 66,21 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(-21/-11)/22 = 0,02939 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(-21/(−3))/0,02939 = 66,21 min
Відповідь
t = 66,21 min
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(3) = 3
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∫2/x dx = x2
Інтегруйте
(x2y)′ = 3x2 → x2y = 3x3/3 + C
Початкова умова
1 = 3/3 + C → C = 0
Обчисліть
y(3) = (3·33/3 + 0)/32 = 3
Відповідь
y(3) = 3
3.Матриці та визначники
Відповідь: det A = −89
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.
Мінори 2×2 першого рядка
M₁₁ = −9, M₁₂ = −4, M₁₃ = 12
Розклад за рядком
det A = 5·(−9) − 1·(−4) + (−4)·12 = −89
Відповідь
det A = −89
4.Матриці та визначники
Відповідь: x = 0,7857
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·(−2) = 14
Замініть стовпець x
det Aₓ = (−5)·(−3) − 1·4 = 11
x = 11/14 = 0,7857
Відповідь
x = 0,7857
y = −1,857
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: θ = 80,25 °
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 = 5·2 + (−2)·5 + (−3)·(−2) = 6
Модулі
|a| = √(5² + (−2)² + (−3)²) = 6,164
|b| = √(2² + 5² + (−2)²) = 5,745
Кут
cos θ = 6/(6,164·5,745) = 0,1694
θ = arccos(0,1694) = 80,25°
Відповідь
θ = 80,25°
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: A = 16,39 m²
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.
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 u3 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Відповідь
I = 3,75
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 = 57,24
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 = −3y + 12x² → fx(3, 2) = 102
fy = −3x − 2y → fy(3, 2) = −13
Одиничний вектор
|v| = √(2² + (−4)²) = 4,472
u = (0,4472, −0,8944)
Скалярний добуток
Duf = 102·0,4472 + (−13)·(−0,8944) = 57,24
Відповідь
Duf = 57,24
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: fmin = −2
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 = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)
Тест другої похідної
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → 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.
Відношення сусідніх членів
|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)³·3/4 → 3/4
Висновок
L = 0,75 < 1
Відповідь
L = 0,75
L < 1, тож ряд збігається.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: P₃(2.5) = 0,9245
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.
Многочлен Маклорена
P₃(x) = 0,5x − 0,02083x³
Підставте
P₃(2,5) = 1,25 − 0,325521 = 0,9245
Відповідь
P₃(2,5) = 0,9245
Точне значення дорівнює f(2,5) = 0,948985; похибка 0,0245055 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.25) = 3,982
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
s²Y − 8s − 11 + 7(sY − 8) + 12Y = 0
Y(s) = (8s + 67)/((s + 3)(s + 4))
Простіші дроби
A = 43/1 = 43
B = 35/(−1) = −35
Результат
y(t) = 43·e−3t − 35·e−4t
y(0,25) = 7,436
Відповідь
y(0,25) = 7,436
Перевірка: y(0) = A + B = 8.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: D = 7 s
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).
Початок і кінець
tstart = −1 + (−1) = −2 s
tend = 2 + 3 = 5 s
Відповідь
D = 7 s
Відповідь
D = 7 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: h(0.2) = 2,011
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)|.