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″ + 6y′ + 9y = 0 при y(0) = 2 і y′(0) = 2. Знайдіть y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(2) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Бак містить 1000 L чистої води. Розсіл із 0,25 kg солі на літр надходить зі швидкістю 2 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 65 min?
V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.Матриці та визначникиСередня
Нехай C = AB для поданих матриць. Знайдіть елемент c22 (рядок 2, стовпець 2).
A = [−4 −5; 6 4]B = [0 1; −3 −5]
c22 =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [0 −4; −5 1]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть значення k, за якого вектори a = (4, 3, 5) і b = (3, 5, k) перпендикулярні.
a = (4, 3, 5)b = (3, 5, k)
k =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Сила F = (60, −60, 30) N діє в точці A(2, 3, −1). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).
F = (60, −60, 30) NA(2, 3, −1) mO(0, 0, 0) m
Mx = N·m
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x у радіанах).
∫₀π/3 x·cos x dx
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = x.
y = 2x2y = x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
z = −4xy + 2x³ − 5y², де x = −2t − 2 і y = t². Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 2.
z = −4xy + 2x³ − 5y²x = −2t − 2y = t²t = 2
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Позначені точки — критичні точки f(x, y) = x³ + y³ − 6xy. Клікніть локальний мінімум.
f(x, y) = x³ + y³ − 6xy
1A (2, 2)
2B (0, 0)
11.Послідовності та рядиСередня
Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ k²·5ᵏ/3ᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.
ak = k²·5ᵏ/3ᵏ
L =
12.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 5 для f(x) = sin(3x), щоб наблизити f(0,8). Дайте P₅(0,8).
f(x) = sin(3x)n = 5x = 0,8
P₅(0.8) =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 8), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,6).
F(s) = (2s + 29)/(s² + 4s + 8)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 7y′ + 10y = 4u′ + 14u 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 = 0,5 s. Знайдіть g(0,5).
y″ + 7y′ + 10y = 4u′ + 14ut = 0,5 s
g(0.5) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −1 s і t = 1 s, а h(t) — лише між t = 2 s і t = 3 s. Знайдіть момент часу tend, у який закінчується y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 1 sh: 2 … 3 s
tend = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Послідовність імпульсів має висоту 3, ширину імпульсу 3 ms і період 10 ms. Знайдіть амплітуду c1 гармоніки номер 1 на частоті 100 Hz.
A = 3τ = 3 msT = 10 ms
c1 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(2) = 0,04462
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 + 3)² = 0 → r = −3
Сталі
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 6 = 8
Обчисліть
y(2) = (2 + 8·2)·e−6 = 0,04462
Відповідь
y(2) = 0,04462
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: m = 30,48 kg
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.
Складіть рівняння
dm/dt = 2·0,25 − (2/1000)·m = 0,5 − 0,002·m
Розв’яжіть
Інтегрувальний множник ert/V; розв’язок наближається до рівноважного c·V.
m(t) = 250 + (−250)·e−t/500
Підставте t
m(65) = 250 + (−250)·0,8781 = 30,48 kg
Відповідь
m = 30,48 kg
3.Матриці та визначники
Відповідь: c22 = −14
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 = 6·1 + 4·(−5) = −14
Відповідь
c22 = −14
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 5
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 + (−20) = 0
Розв’яжіть
λ = (1 ± √(81))/2 → λ = −4, 5
λ = 5
Відповідь
λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: k = −5,4
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 = 4·3 + 3·5 + 5·k = 0
27 + 5·k = 0
Розв’яжіть щодо k
k = −27/5 = −5,4
Відповідь
k = −5,4
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: Mx = 30 N·m
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.
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Первісна
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Границі
(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069
Відповідь
I = 0,4069
8.Інтеграли
Відповідь: A = 0,04167
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 = x → x = 0, x = 0,5
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Відповідь
A = 0,04167
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: dz/dt = −464
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.
Точка і швидкості
x(2) = −6, y(2) = 4
dx/dt = −2, dy/dt = 2t = 4
Частинні похідні
fx = −4y + 6x² = 200
fy = −4x − 10y = −16
Ланцюгове правило
dz/dt = 200·(−2) + (−16)·4 = −464
Відповідь
dz/dt = −464
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: A (2, 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 = 3x² − 6y = 0
fy = 3y² − 6x = 0
(0, 0), (2, 2)
Тест другої похідної
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −6, D = −36 → 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)²·5/3 → 5/3
Висновок
L = 1,667 > 1
Відповідь
L = 1,667
L > 1, тож ряд розбігається.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: P₅(0.8) = 0,7596
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
P₅(x) = 3x − 4,5x³ + 2,025x⁵
Підставте
P₅(0,8) = 2,4 − 2,304 + 0,663552 = 0,7596
Відповідь
P₅(0,8) = 0,7596
Точне значення дорівнює f(0,8) = 0,675463; похибка −0,0840888 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.6) = 3,727
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).
Передатна функція
G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 14)/(s² + 7s + 10)
Простіші дроби
s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 2, B = 2
Імпульсна характеристика
g(t) = 2·e−2t + 2·e−5t
g(0,5) = 0,8999
Відповідь
g(0,5) = 0,8999
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: tend = 4 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 + 2 = 1 s
tend = 1 + 3 = 4 s
Відповідь
tend = 4 s
Відповідь
tend = 4 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c1 = 1,545
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)|.