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 4 °C дістали з холодильника в кімнату з температурою 27 °C. Через 21 min її температура становить 23 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 25 °C?
T0 = 4 °CTa = 27 °CT(21) = 23 °CT = 25 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [3 −1 −2; 1 2 0; 2 −3 −3]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [6 −3; 9 −6]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (2, −4, −2) і b = (7, −7, −6).
a = (2, −4, −2)b = (7, −7, −6)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(−3, −2, 2), B(−1, 4, 4) і C(3, −2, −1). Координати подано в метрах.
A(−3, −2, 2)B(−1, 4, 4)C(3, −2, −1)
A = m²
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = −xy + 4x² + 2y³ знайдіть похідну за напрямом Duf у (3, −1) у напрямку v = (4, −4).
f(x, y) = −xy + 4x² + 2y³P = (3, −1)v = (4, −4)
Duf =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Скористайтеся полярними координатами, щоб обчислити I = ∬R √(x² + y²) dA, де R — чверть круга x² + y² ≤ 2,25 у першій чверті.
f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 1,50 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Степеневий ряд Σk=1∞ k!·(x − 1)ᵏ/kᵏ збігається на інтервалі навколо x₀ = 1. Знайдіть правий кінець x цього інтервалу.
Σ k!·(x − 1)ᵏ/kᵏx₀ = 1
x =
12.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 4 для f(x) = 1/(1 − x), щоб наблизити f(0,5). Дайте P₄(0,5).
f(x) = 1/(1 − x)n = 4x = 0,5
P₄(0.5) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (5s + 37)/(s² + 8s + 20), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,4).
F(s) = (5s + 37)/(s² + 8s + 20)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 3y′ + 2y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = 7 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = 7t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = 2 s і t = 5 s, а h(t) — лише між t = 3 s і t = 4 s. Знайдіть момент часу tstart, у який починається y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 2 … 5 sh: 3 … 4 s
tstart = s
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: t = 29,32 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(-23/-4)/21 = 0,0833 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(-23/(−2))/0,0833 = 29,32 min
Відповідь
t = 29,32 min
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 1,39
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.
Усталене значення та корені
yss = 1, r = −1,5 ± 5j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,3
Пік
t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/5) = 1,39
Відповідь
ymax = 1,39
3.Матриці та визначники
Відповідь: det A = −7
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 = −6, M₁₂ = −3, M₁₃ = −7
Розклад за рядком
det A = 3·(−6) − (−1)·(−3) + (−2)·(−7) = −7
Відповідь
det A = −7
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 − (0)λ + (−9) = 0
Розв’яжіть
λ = (0 ± √(36))/2 → λ = −3, 3
λ = 3
Відповідь
λ = 3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: a·b = 54
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.
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.
Вектори сторін
AB = B − A = (2, 6, 2)
AC = C − A = (6, 0, −3)
Векторний добуток
(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 6·(−3) − 2·0 = −18
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 2·6 − 2·(−3) = 18
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 2·0 − 6·6 = −36
|AB × AC| = √((−18)² + 18² + (−36)²) = 44,09
Площа трикутника
A = ½·44,09 = 22,05 m²
Відповідь
A = 22,05 m²
7.Інтеграли
Відповідь: I = 7,34
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
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Відповідь
I = 7,34
8.Інтеграли
Відповідь: A = 42,67
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.
Точки перетину
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Відповідь
A = 42,67
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: Duf = 15,56
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 = −y + 8x → fx(3, −1) = 25
fy = −x + 6y² → fy(3, −1) = 3
Одиничний вектор
|v| = √(4² + (−4)²) = 5,657
u = (0,7071, −0,7071)
Скалярний добуток
Duf = 25·0,7071 + 3·(−0,7071) = 15,56
Відповідь
Duf = 15,56
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 1,767
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).
Полярна форма
I = ∫0π/2 ∫01,5 r·r dr dθ
Інтегруйте
∫ r·r dr = [r³/3]
I = 1,767
Відповідь
I = 1,767
11.Послідовності та ряди
Відповідь: x = 3,718
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 = (1 + 1/k)ᵏ → e
Радіус
R = 2,718
Інтервал
−1,718 < x < 3,718
x = 3,718
Відповідь
x = 3,718
Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: P₄(0.5) = 1,938
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 + x + x² + x³ + x⁴
Підставте
P₄(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938
Відповідь
P₄(0,5) = 1,938
Точне значення дорівнює f(0,5) = 2; похибка 0,0625 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.4) = 1,934
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 − 4s − 7 + 3(sY − 4) + 2Y = 0
Y(s) = (4s + 19)/((s + 1)(s + 2))
Простіші дроби
A = 15/1 = 15
B = 11/(−1) = −11
Результат
y(t) = 15·e−t − 11·e−2t
y(0,25) = 5,01
Відповідь
y(0,25) = 5,01
Перевірка: y(0) = A + B = 4.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: tstart = 5 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 = 2 + 3 = 5 s
tend = 5 + 4 = 9 s
Відповідь
tstart = 5 s
Відповідь
tstart = 5 s
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)|.