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
Кувану сталеву деталь температурою 440 °C залишили остигати в цеху з температурою 27 °C. Через 13 min її температура становить 345 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 440 °CTa = 27 °CT(13) = 345 °C
k = min⁻¹
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Бак містить 200 L чистої води. Розсіл із 0,2 kg солі на літр надходить зі швидкістю 2 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Через скільки хвилин t бак міститиме 32 kg солі?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).
A = [5 4; 5 3]B = [2 4; −3 5]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [4 4; 2 2]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть значення k, за якого вектори a = (−6, −5, 3) і b = (k, −6, 4) перпендикулярні.
a = (−6, −5, 3)b = (k, −6, 4)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть площу A паралелограма, натягнутого на a = (5, 2, 2) і b = (−5, −1, 6).
a = (5, 2, 2)b = (−5, −1, 6)
A =
7.ІнтегралиСередня
Область під y = 2x від x = 0 до x = 1 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (конуса).
y = 2x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = −xy² + 5x³ + 2y² + 2xy знайдіть напрямок найшвидшого зростання в (−1, 1) як кут θ від додатної осі x, у градусах між −180° і 180°.
f(x, y) = −xy² + 5x³ + 2y² + 2xyP = (−1, 1)
θ = °
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Інтеграл I = ∫02 ∫y2 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 ≤ 2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть радіус збіжності R степеневого ряду Σk=1∞ (x − 3)ᵏ/4ᵏ.
Σ (x − 3)ᵏ/4ᵏx₀ = 3
R =
12.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 2 для f(x) = cos x, щоб наблизити f(1,2). Дайте P₂(1,2).
f(x) = cos xn = 2x = 1,2
P₂(1.2) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
F(s) = (4s + 40)/(s² + 12s + 35). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−5t + B·e−7t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.
F(s) = (4s + 40)/(s² + 12s + 35)
A =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 6y′ + 8y = 0 при y(0) = 7 і y′(0) = −15 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,6).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 7y′(0) = −15t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = 0 s і t = 3 s, а h(t) — лише між t = −1 s і t = 3 s. Знайдіть момент часу tend, у який закінчується y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 0 … 3 sh: −1 … 3 s
tend = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Прямокутна хвиля перемикається між +4 і −4 з періодом T = 2 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c5 її фур’є-складової на частоті 2500 Hz.
±4T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,02011 min⁻¹
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.
Відношення різниць температур
e−13k = 318/413
Розв’яжіть щодо k
k = ln(413/318)/13 = 0,02011 min⁻¹
Відповідь
k = 0,02011 min⁻¹
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 160,9 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.
Результат
m(t) = 40 + (−40)·e−t/100
Розв’яжіть щодо t
e−t/100 = (40 − 32)/(40 − 0) = 0,2
t = 100·ln(5) = 160,9 min
Відповідь
t = 160,9 min
3.Матриці та визначники
Відповідь: c22 = 35
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 = 5·4 + 3·5 = 35
Відповідь
c22 = 35
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 6
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 − (6)λ + (0) = 0
Розв’яжіть
λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6
Відповідь
λ = 6
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: k = 7
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 = (−6)·k + (−5)·(−6) + 3·4 = 0
42 + (−6)·k = 0
Розв’яжіть щодо k
k = −42/(−6) = 7
Відповідь
k = 7
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: A = 42,67
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
(a × b)x = aybz − azby = 2·6 − 2·(−1) = 14
(a × b)y = azbx − axbz = 2·(−5) − 5·6 = −40
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−1) − 2·(−5) = 5
Площа
A = |a × b| = √(14² + (−40)² + 5²) = 42,67
Відповідь
A = 42,67
7.Інтеграли
Відповідь: V = 4,189
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.
Метод дисків
V = π∫₀1 4x² dx
Інтегруйте
V = π·4·1³/3 = 4,189
Відповідь
V = 4,189
Перевірка: конус радіуса 2 і висоти 1 має (1/3)πr²h = 4,189.
8.Інтеграли
Відповідь: A = 0,3333
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
2x2 = 2x → x = 0, x = 1
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333
Відповідь
A = 0,3333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: θ = 14,04 °
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 = −y² + 15x² + 2y → fx(−1, 1) = 16
fy = −2xy + 4y + 2x → fy(−1, 1) = 4
Напрямок
θ = atan2(4, 16) = 14,04°
Відповідь
θ = 14,04°
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 0,4
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).
Область
0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 2
Змінений порядок
I = ∫02 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫02 x·1/(1 + x²)² dx
Підстановка u = x²
I = [−1/(2(1 + x²))]02 = 0,4
Відповідь
I = 0,4
11.Послідовності та ряди
Відповідь: R = 4
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.
Коефіцієнти
ck/ck+1 = 4
Радіус
R = 4
Відповідь
R = 4
Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: P₂(1.2) = 0,28
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
P₂(x) = 1 − 0,5x²
Підставте
P₂(1,2) = 1 − 0,72 = 0,28
Відповідь
P₂(1,2) = 0,28
Точне значення дорівнює f(1,2) = 0,362358; похибка 0,0823578 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: A = 10
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 + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)
Правило закривання
Помножте на (s + 5) і покладіть s = −5: доданок із B зникає.
A = (4s + 40)/(s + 7) |s = −5 = 20/2 = 10
Відповідь
A = 10
(B = −6, тож f(t) = 10·e−5t − 6·e−7t)
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.6) = 2,003
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 − 7s − (−15) + 6(sY − 7) + 8Y = 0
Y(s) = (7s + 27)/((s + 2)(s + 4))
Простіші дроби
A = 13/2 = 6,5
B = −1/(−2) = 0,5
Результат
y(t) = 6,5·e−2t + 0,5·e−4t
y(0,6) = 2,003
Відповідь
y(0,6) = 2,003
Перевірка: y(0) = A + B = 7.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: tend = 6 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 = 0 + (−1) = −1 s
tend = 3 + 3 = 6 s
Відповідь
tend = 6 s
Відповідь
tend = 6 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c5 = 1,019
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)|.