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 320 °C залишили остигати в цеху з температурою 30 °C. Через 28 min її температура становить 249 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 118 °C?
T0 = 320 °CTa = 30 °CT(28) = 249 °CT = 118 °C
t = min
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть задачу Коші y′ + 3y/x = 5 при x > 0, y(1) = 0. Знайдіть y(3).
y′ + 3y/x = 5y(1) = 0
y(3) =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [−4 −2 0; 5 0 −5; −3 5 −2]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [1 3; −4 −6]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярний добуток a·b векторів a = (0, −5, 1) і b = (−6, −2, 7).
a = (0, −5, 1)b = (−6, −2, 7)
a·b =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (−4, −1, −2) і b = (1, −3, 2) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.
a = (−4, −1, −2)b = (1, −3, 2)n̂z > 0
n̂y =
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.
y = 9 − x²
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
z = x³e−y, де x = −3t + 1 і y = t². Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = −1.
z = x³e−yx = −3t + 1y = t²t = −1
dz/dt =
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Інтеграл I = ∫00,8 ∫x0,8 ey² dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.
f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть радіус збіжності R степеневого ряду Σk=1∞ (2k)!·xᵏ/(k!)².
Σ (2k)!·xᵏ/(k!)²x₀ = 0
R =
12.Послідовності та рядиСкладна
Функцію f(x) = cos x наближено в точці x = 0,5 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,001.
f(x) = cos xx = 0,5M = 1ε = 0,001
n =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 38/(s² + 6s + 10), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,25).
F(s) = 38/(s² + 6s + 10)t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t) при y(0) = 3 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 1. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,3).
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −2 s і t = 1 s, а h(t) — лише між t = 0 s і t = 2 s. Знайдіть тривалість D сигналу y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −2 … 1 sh: 0 … 2 s
D = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[3].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 118,9 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.
Стала охолодження
k = ln(290/219)/28 = 0,01003 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(290/88)/0,01003 = 118,9 min
Відповідь
t = 118,9 min
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(3) = 3,704
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.
Інтегрувальний множник
μ = e∫3/x dx = x3
Інтегруйте
(x3y)′ = 5x3 → x3y = 5x4/4 + C
Початкова умова
0 = 5/4 + C → C = −1,25
Обчисліть
y(3) = (5·34/4 + (−1,25))/33 = 3,704
Відповідь
y(3) = 3,704
3.Матриці та визначники
Відповідь: det A = −150
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 = 25, M₁₂ = −25, M₁₃ = 25
Розклад за рядком
det A = (−4)·25 − (−2)·(−25) + 0·25 = −150
Відповідь
det A = −150
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = −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.
Характеристичне рівняння
λ² − (−5)λ + (6) = 0
Розв’яжіть
λ = (−5 ± √(1))/2 → λ = −3, −2
λ = −2
Відповідь
λ = −2
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: a·b = 17
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.
Перемножте відповідні компоненти й додайте
a·b = 0·(−6) + (−5)·(−2) + 1·7 = 0 + 10 + 7 = 17
Відповідь
a·b = 17
Додатний: кут між векторами менший за 90°.
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: n̂y = 0,3658
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 = (−1)·2 − (−2)·(−3) = −8
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·1 − (−4)·2 = 6
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−3) − (−1)·1 = 13
Нормування
z-компонента a × b уже додатна.
|a × b| = √((−8)² + 6² + 13²) = 16,4
n̂ = (−8, 6, 13)/16,4 = (−0,4878, 0,3658, 0,7926)
n̂y = 0,3658
Відповідь
n̂y = 0,3658
7.Інтеграли
Відповідь: I = 0,6321
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.
Первісна
F(x) = e−x/(−1)
Підставте межі
I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321
Відповідь
I = 0,6321
8.Інтеграли
Відповідь: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Інтегруйте
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Відповідь
A = 36
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: dz/dt = −5,886
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(−1) = 4, y(−1) = 1
dx/dt = −3, dy/dt = 2t = −2
Частинні похідні
fx = 3x²e−y = 17,66
fy = −x³e−y = −23,54
Ланцюгове правило
dz/dt = 17,66·(−3) + (−23,54)·(−2) = −5,886
Відповідь
dz/dt = −5,886
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 0,4482
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 ≤ 0,8
Змінений порядок
I = ∫00,8 ∫0y ey² dx dy = ∫00,8 y·ey² dy
Підстановка u = y²
I = [ey²/2]00,8 = 0,4482
Відповідь
I = 0,4482
11.Послідовності та ряди
Відповідь: R = 0,25
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+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, тож R = 1/4
Радіус
R = 0,25
Відповідь
R = 0,25
Ознака Даламбера нічого не каже в двох кінцевих точках; їх треба перевіряти окремо.
12.Послідовності та ряди
Відповідь: n = 4
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.
Оцінки для зростаючого n
n = 3: 0,002604 ≥ 0,001
n = 4: 0,0002604 < 0,001
Найменший степінь
n = 4
Відповідь
n = 4
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.25) = 4,441
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).
Виділення повного квадрата
s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²
Зіставлення чисельника
F(s) = (38/1)·1/((s + 3)² + 1²)
Обернене перетворення
f(t) = e−3t·(38·sin 1t)
f(0,25) = e−3·0,25·(38·sin(1·0,25)) = 4,441
Відповідь
f(0,25) = 4,441
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.3) = 2,766
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
(s² + 7s + 10)·Y(s) = 3s + 21 + 20/s
Y(s) = (3s² + 21s + 20)/(s(s + 2)(s + 5))
Простіші дроби
A = 20/(2·5) = 2
B = −10/((−2)·3) = 1,667
C = −10/((−5)·(−3)) = −0,6667
Результат
y(t) = 2 + 1,667·e−2t − 0,6667·e−5t
y(0,3) = 2,766
Відповідь
y(0,3) = 2,766
Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.
15.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: D = 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 + 0 = −2 s
tend = 1 + 2 = 3 s
Відповідь
D = 5 s
Відповідь
D = 5 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y[3] = 7,5
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)|.