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″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 0. Знайдіть y(2).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть y″ + y′ + 16,25y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(1); кути в радіанах.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [2 −1 5; −3 1 1; 3 −1 1]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [6 3; −4 −1]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (−6, −5, −2) і b = (0, 7, −5).
a = (−6, −5, −2)b = (0, 7, −5)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Для a = (−2, 6, −2) і b = (1, 6, −3) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.
a = (−2, 6, −2)b = (1, 6, −3)
(a × b)z =
7.ІнтегралиСередня
Область під y = 2x від x = 0 до x = 2 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (конуса).
y = 2x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.ІнтегралиСкладна
Обчисліть I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = y·e−xy знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (1, −1), тобто |∇f|.
f(x, y) = y·e−xyP = (1, −1)
|∇f| =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
f(x, y) = x³ + y³ + 6xy має критичну точку в (−2, −2). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ + y³ + 6xyP = (−2, −2)
D =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть радіус збіжності R степеневого ряду Σk=1∞ k²·3ᵏ·(x − 1)ᵏ.
Σ k²·3ᵏ·(x − 1)ᵏx₀ = 1
R =
12.Послідовності та рядиСкладна
Функцію f(x) = cos x наближено многочленом Маклорена степеня 4 у точці x = 0,2. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₄|.
f(x) = cos xn = 4x = 0,2M = 1
|R₄| =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 4) і обчисліть f(0,4).
F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 4)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 2y′ + 26y = 2u′ + 9u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,2 s. Знайдіть g(0,2).
y″ + 2y′ + 26y = 2u′ + 9ut = 0,2 s
g(0.2) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −2 s і t = 1 s, а h(t) — лише між t = 1 s і t = 5 s. Знайдіть момент часу tstart, у який починається y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −2 … 1 sh: 1 … 5 s
tstart = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Прямокутна хвиля перемикається між 2 і 0 з періодом T = 20 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c1 її фур’є-складової на частоті 50 Hz.
0 … 2T = 20 msf = 50 Hz
c1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(2) = 0,0151
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 + 4)² = 0 → r = −4
Сталі
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 20 = 20
Обчисліть
y(2) = (5 + 20·2)·e−8 = 0,0151
Відповідь
y(2) = 0,0151
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1) = −0,4538
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.
Комплексні корені
r = −0,5 ± 4j
Сталі
A = 1, B = 0,5·1/4 = 0,125
Обчисліть
y(1) = e−0,5(1·cos 4 + 0,125·sin 4) = −0,4538
Відповідь
y(1) = −0,4538
3.Матриці та визначники
Відповідь: det A = −2
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 = 2, M₁₂ = −6, M₁₃ = 0
Розклад за рядком
det A = 2·2 − (−1)·(−6) + 5·0 = −2
Відповідь
det A = −2
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 − (5)λ + (6) = 0
Розв’яжіть
λ = (5 ± √(1))/2 → λ = 2, 3
λ = 3
Відповідь
λ = 3
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: a·b = −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.
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 покомпонентно
(a × b)x = aybz − azby = 6·(−3) − (−2)·6 = −6
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·1 − (−2)·(−3) = −8
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·6 − 6·1 = −18
Потрібна компонента
(a × b)z = −18
Відповідь
(a × b)z = −18
Перевірка: a × b перпендикулярний до обох векторів, тож його скалярний добуток з a і з b дорівнює нулю.
7.Інтеграли
Відповідь: V = 33,51
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∫₀2 4x² dx
Інтегруйте
V = π·4·2³/3 = 33,51
Відповідь
V = 33,51
Перевірка: конус радіуса 4 і висоти 2 має (1/3)πr²h = 33,51.
8.Інтеграли
Відповідь: I = 12,78
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.
Перший крок
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Другий крок
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Границі
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Відповідь
I = 12,78
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: |∇f| = 6,078
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 = −y²e−xy → fx(1, −1) = −2,718
fy = e−xy(1 − xy) → fy(1, −1) = 5,437
Довжина градієнта
|∇f| = √((−2,718)² + 5,437²) = 6,078
Відповідь
|∇f| = 6,078
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: D = 108
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).
Другі похідні
fxx = −12, fyy = −12, fxy = 6
Дискримінант
D = (−12)·(−12) − 6² = 108
→ локальний максимум
Відповідь
D = 108
11.Послідовності та ряди
Відповідь: R = 0,3333
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 = (1/3)·(k/(k + 1))² → 1/3
Радіус
R = 0,3333
Відповідь
R = 0,3333
Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: |R₄| = 2,667 × 10⁻⁶
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Простіші дроби
2s + 29 = 2(s + 2) + 25
F(s) = 2/(s + 2) + 25/(s + 2)²
Обернене перетворення
f(t) = 2·e−2t + 25·t·e−2t
f(0,4) = (2 + 25·0,4)·e−2·0,4 = 5,392
Відповідь
f(0,4) = 5,392
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: g(0.2) = 1,849
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).
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 + 1 = −1 s
tend = 1 + 5 = 6 s
Відповідь
tstart = −1 s
Відповідь
tstart = −1 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c1 = 1,273
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)|.