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′ + 6y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = 1. Знайдіть y(0,5).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + y′ + 25,25y = 252,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,75); кути в радіанах.
y″ + y′ + 25,25y = 252,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [−2 −1 1; 5 −2 4; 5 −2 −4]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [0 −4; −3 −1]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Стала сила F = (−20, 0, −20) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(1, −3, −4) до точки B(0, −4, 3). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.
F = (−20, 0, −20) NA(1, −3, −4) mB(0, −4, 3) m
W = J
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (−5, −5, −1), b = (5, 0, −1) і c = (5, −2, −1).
a = (−5, −5, −1)b = (5, 0, −1)c = (5, −2, −1)
V =
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 4 − x² і віссю x.
y = 4 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = 2y·e−xy знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (2, −1), тобто |∇f|.
f(x, y) = 2y·e−xyP = (2, −1)
|∇f| =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Інтеграл I = ∫01,2 ∫x1,2 ey² dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.
f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть суму S = Σk=1∞ 3/(k(k + 4)).
ak = 3/(k(k + 4))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 4 для f(x) = cos(3x), щоб наблизити f(−0,5). Дайте P₄(−0,5).
f(x) = cos(3x)n = 4x = −0,5
P₄(−0.5) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (5s + 13)/(s² + 2s + 2), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,25).
F(s) = (5s + 13)/(s² + 2s + 2)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 10 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,25).
Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 0.5 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−4tu(t). Знайдіть вихід y(1) при t = 1 s, після закінчення імпульсу.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−4tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = −0,8·y[n − 1] + 3·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[3].
y[n] = −0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.5) = 2,774
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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Сталі за початковими значеннями
A + B = 4, −2A − 3B = 1
A = 13, B = −9
Обчисліть
y(0,5) = 13·e−1 + (−9)·e−1,5 = 2,774
Відповідь
y(0,5) = 2,774
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.75) = 16,03
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.
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 = 16, M₁₂ = −40, M₁₃ = 0
Розклад за рядком
det A = (−2)·16 − (−1)·(−40) + 1·0 = −72
Відповідь
det A = −72
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 − (−1)λ + (−12) = 0
Розв’яжіть
λ = (−1 ± √(49))/2 → λ = −4, 3
λ = 3
Відповідь
λ = 3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: W = −120 J
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.
Переміщення
d = B − A = (0, −4, 3) − (1, −3, −4) = (−1, −1, 7) m
Робота
W = F·d = (−20)·(−1) + 0·(−1) + (−20)·7 = −120 J
Відповідь
W = −120 J
Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: V = 20
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 = 0·(−1) − (−1)·(−2) = −2
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·5 − 5·(−1) = 0
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·(−2) − 0·5 = −10
Скалярний добуток з a
a·(b × c) = (−5)·(−2) + (−5)·0 + (−1)·(−10) = 20
V = |20| = 20
Відповідь
V = 20
7.Інтеграли
Відповідь: I = 12
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 = ∫15 u1 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Відповідь
I = 12
8.Інтеграли
Відповідь: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Інтегруйте
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Відповідь
A = 10,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: |∇f| = 46,73
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 = −2y²e−xy → fx(2, −1) = −14,78
fy = 2e−xy(1 − xy) → fy(2, −1) = 44,33
Довжина градієнта
|∇f| = √((−14,78)² + 44,33²) = 46,73
Відповідь
|∇f| = 46,73
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 1,61
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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2
Змінений порядок
I = ∫01,2 ∫0y ey² dx dy = ∫01,2 y·ey² dy
Підстановка u = y²
I = [ey²/2]01,2 = 1,61
Відповідь
I = 1,61
11.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 1,562
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
3/(k(k + 4)) = (3/4)·(1/k − 1/(k + 4))
Скасувати
S = (3/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 1,562
Відповідь
S = 1,562
12.Послідовності та ряди
Відповідь: P₄(−0.5) = 0,08594
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
P₄(x) = 1 − 4,5x² + 3,375x⁴
Підставте
P₄(−0,5) = 1 − 1,125 + 0,210938 = 0,08594
Відповідь
P₄(−0,5) = 0,08594
Точне значення дорівнює f(−0,5) = 0,0707372; похибка −0,0152003 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.25) = 5,314
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) = 360/(s(s + 3)(s + 4))
Простіші дроби
A = 360/(3·4) = 30
B = 360/((−3)·1) = −120
C = 360/((−4)·(−1)) = 90
Виведення
y(t) = 30 − 120·e−3t + 90·e−4t
y(0,25) = 6,425
Відповідь
y(0,25) = 6,425
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(1) = 0,05851
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(0,5) = (2/4)(1 − e−2) = 0,4323
Спад після імпульсу
y(1) = 0,4323·e−4·0,5 = 0,05851
Відповідь
y(1) = 0,05851
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y[3] = 0,984
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)|.