Оберіть форму, що підходить для операції: алгебраїчну a + jb для додавання й віднімання, полярну r∠θ для множення, ділення, степенів і коренів.
Розкривайте дужки з j² = −1; діліть, помноживши чисельник і знаменник на спряжене знаменника.
Перетворюйте за r = √(a² + b²) і θ за ескізом точки (перевірте чверть), а назад — за a = r cos θ, b = r sin θ.
Для степенів користуйтеся формулою Муавра, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; для zⁿ = R∠φ випишіть усі n коренів R1/n∠((φ + 360°k)/n).
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.
Імовірність
Протилежна подія
P(not A) = 1 − P(A)
Правило додавання
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Незалежні події
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Умовна ймовірність
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Біноміальний розподіл
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k
Описова статистика
Середнє
x̄ = Σx/n
Вибіркове стандартне відхилення
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Медіана
серединне значення впорядкованих даних
z-оцінка
z = (x − μ)/σ
Нормальний розподіл
68% у межах ±1σ, 95% у межах ±2σ
Нормальний розподіл
z-оцінка
z = (x − μ)/σ
Менше за x
P(X < x) = Φ(z)
Більше за x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Між
Φ(z2) − Φ(z1)
Процентиль
x = μ + z·σ
Метод
Переведіть значення в z-оцінку: z = (x − μ)/σ.
Знайдіть Φ(z) — площу ліворуч від z.
Для площі праворуч використайте 1 − Φ(z); для інтервалу відніміть дві ліві площі.
Для процентиля дійте у зворотному порядку: знайдіть z для площі, потім x = μ + z·σ.
2Задачі для практики
1.ГраниціСередня
Знайдіть границю L = limx→∞ (1 + 0,5/x)2x. Дайте десяткове значення.
f(x) = (1 + 0,5/x)2xx → ∞
L =
2.ГраниціСкладна
Знайдіть границю L = limx→0 (1 − cos 5x)/(x²), де x у радіанах.
f(x) = (1 − cos 5x)/(x²)x → 0
L =
3.ПохідніСередня
Нехай f(x) = x·sin(x), x у радіанах. Знайдіть f′(0,5).
f(x) = x·sin(x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
4.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = x2 − 4x − 2 у точці x = 2 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = x2 − 4x − 2x = 2
b =
5.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫03 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 3]
I =
6.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 4 − x² і віссю x.
y = 4 − x²
A =
7.Комплексні числаСередня
Діаграма показує z = 4 − j2. Для w = 2∠180° клікніть точку, що зображує z·w.
z = 4 − j2w = 2∠180°
1A (−2 + j)
2B (−4 + j2)
3C (8 − j4)
4D (−8 + j4)
8.Комплексні числаСкладна
Один із коренів z³ − 3z − 52 = 0 дорівнює z₁ = −2 + j3. Коефіцієнти дійсні. Знайдіть дійсний корінь r.
z₁ = −2 + j3
r =
9.Диференціальні рівнянняСередня
Кувану сталеву деталь температурою 420 °C залишили остигати в цеху з температурою 27 °C. Через 54 min її температура становить 256 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 371 °C?
T0 = 420 °CTa = 27 °CT(54) = 256 °CT = 371 °C
t = min
10.Диференціальні рівнянняСкладна
Бак містить 100 L чистої води. Розсіл із 0,2 kg солі на літр надходить зі швидкістю 5 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Скільки солі m буде в баку через 40 min?
V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
11.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [1 5 −5; 1 −3 −3; 5 −4 −1]
det A =
12.Матриці та визначникиСкладна
Розв'яжіть систему −6x + 6y = −9 і 3x + y = 9. Знайдіть x.
−6x + 6y = −93x + y = 9
x =
13.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (−5, 2, 2) на b = (3, 1, 5), тобто компоненту a у напрямі b.
a = (−5, 2, 2)b = (3, 1, 5)
compb a =
14.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Знайдіть об’єм V паралелепіпеда, ребра якого з однієї вершини — a = (−1, 5, 1), b = (−2, 0, 3) і c = (−4, 3, −5).
a = (−1, 5, 1)b = (−2, 0, 3)c = (−4, 3, −5)
V =
15.ІмовірністьСередня
Для показаного розподілу знайдіть середнє квадратичне відхилення σ величини X.
x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,25, 0,25, 0,35, 0,05, 0,1
σ =
16.ІмовірністьСкладна
Тестують 6 компонентів, кожен виходить з ладу незалежно з імовірністю 0,5. Яка ймовірність P, що з ладу вийде щонайбільше один?
Оцінки за іспит розподілені нормально із середнім 500 і стандартним відхиленням 100. Знайдіть z-оцінку z для результату 650.
μ = 500σ = 100x = 650
z =
19.Нормальний розподілСередня
Нехай результати IQ-тестів розподілені нормально із середнім 100 балів і стандартним відхиленням 15 балів. Яка частка значень лежить між 96,25 і 123,25 балів? Подайте P у вигляді десяткового дробу.
μ = 100σ = 15x1 = 96,25x2 = 123,25
P =
20.Нормальний розподілСкладна
Зріст чоловіків (X) і жінок (Y) у групі незалежні та нормальні: X має середнє 180 cm і середнє квадратичне відхилення 10 cm, Y має середнє 170 cm і середнє квадратичне відхилення 12 cm. Знайдіть імовірність P того, що X більше за Y. Округліть z до двох знаків після коми.
μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
3Розчини
1.Границі
Відповідь: L = 2,718
Границі: спершу спробуйте пряму підстановку. Якщо виходить 0/0, спочатку спростіть: розкладіть на множники й скоротіть спільний множник або помножте на спряжений вираз. При x → ∞ поділіть чисельник і знаменник на найвищий степінь x. Правило Лопіталя: якщо f/g дає 0/0 або ∞/∞, то lim f/g = lim f′/g′, причому чисельник і знаменник диференціюють окремо (а не за правилом частки).
Візьміть логарифм
ln L = limx→∞ 2·x·ln(1 + 0,5/x)
Обчисліть
ln(1 + u)/u → 1 при u → 0, тож x·ln(1 + a/x) → a.
ln L = 2·0,5 = 1
Позбудьтеся логарифма
L = e1 = 2,718
Відповідь
L = 2,718
2.Границі
Відповідь: L = 12,5
Границі: спершу спробуйте пряму підстановку. Якщо виходить 0/0, спочатку спростіть: розкладіть на множники й скоротіть спільний множник або помножте на спряжений вираз. При x → ∞ поділіть чисельник і знаменник на найвищий степінь x. Правило Лопіталя: якщо f/g дає 0/0 або ∞/∞, то lim f/g = lim f′/g′, причому чисельник і знаменник диференціюють окремо (а не за правилом частки).
Перше застосування
5·sin 5x/(2x) → 0/0
Друге застосування
25·cos 5x/2
Підставте x = 0
L = 25/2 = 12,5
Відповідь
L = 12,5
3.Похідні
Відповідь: f′(0.5) = 0,9182
Диференціювання: похідна f′(x) — це нахил графіка в точці x. Степеневе правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило добутку: (uv)′ = u′v + uv′. Ланцюгове правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Де f′(x) = 0, графік має горизонтальну дотичну: максимум, мінімум або сідлову точку.
Правила добутку й ланцюгове
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Підставте
f′(0,5) = 0,4794 + 0,5·0,8776 = 0,9182
Відповідь
f′(0,5) = 0,9182
4.Похідні
Відповідь: b = −6
Диференціювання: похідна f′(x) — це нахил графіка в точці x. Степеневе правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило добутку: (uv)′ = u′v + uv′. Ланцюгове правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Де f′(x) = 0, графік має горизонтальну дотичну: максимум, мінімум або сідлову точку.
Точка і нахил
f(2) = −6
f′(x) = 2x − 4 → f′(2) = 0
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −6 − 0·2 = −6
Відповідь
b = −6
5.Інтеграли
Відповідь: I = 1,554
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.
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
7.Комплексні числа
Відповідь: D (−8 + j4)
Полярна форма: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, де r = |z| і θ = arg z. Назад до алгебраїчної форми: a = r cos θ, b = r sin θ. Для аргументу потрібна чверть: θ = atan(b/a) лише за a > 0; за a < 0 додайте або відніміть 180°. У полярній формі множення просте: перемножте модулі й додайте аргументи; для ділення поділіть модулі й відніміть аргументи.
Дія w
|z·w| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 180°
Точка
z·w = −8 + j4 → D
Відповідь
D (−8 + j4)
8.Комплексні числа
Відповідь: r = 4
Формула Муавра та корені: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Рівняння zⁿ = R∠φ має рівно n коренів, усі з модулем R1/n, з аргументами (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1: вони лежать рівномірно на колі, на відстані 360°/n один від одного. Квадратне рівняння z² + pz + q = 0 за p² < 4q має комплексні корені z = −p/2 ± j√(q − p²/4); многочлен з дійсними коефіцієнтами завжди має комплексні корені спряженими парами a ± jb.
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(393/229)/54 = 0,01 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(393/344)/0,01 = 13,31 min
Відповідь
t = 13,31 min
10.Диференціальні рівняння
Відповідь: m = 17,29 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 = 5·0,2 − (5/100)·m = 1 − 0,05·m
Розв’яжіть
Інтегрувальний множник ert/V; розв’язок наближається до рівноважного c·V.
m(t) = 20 + (−20)·e−t/20
Підставте t
m(40) = 20 + (−20)·0,1353 = 17,29 kg
Відповідь
m = 17,29 kg
11.Матриці та визначники
Відповідь: det A = −134
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 = −9, M₁₂ = 14, M₁₃ = 11
Розклад за рядком
det A = 1·(−9) − 5·14 + (−5)·11 = −134
Відповідь
det A = −134
12.Матриці та визначники
Відповідь: x = 2,625
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.
Визначник матриці коефіцієнтів
det A = (−6)·1 − 6·3 = −24
Замініть стовпець x
det Aₓ = (−9)·1 − 6·9 = −63
x = −63/(−24) = 2,625
Відповідь
x = 2,625
y = 1,125
13.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: compb a = −0,5071
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
a·b = (−5)·3 + 2·1 + 2·5 = −3
Довжина b
|b| = √(3² + 1² + 5²) = 5,916
Скалярна проєкція
compb a = a·b/|b| = −3/5,916 = −0,5071
Відповідь
compb a = −0,5071
Від’ємна: a має компоненту, напрямлену проти b.
14.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: V = 107
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·(−5) − 3·3 = −9
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·(−4) − (−2)·(−5) = −22
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·3 − 0·(−4) = −6
Скалярний добуток з a
a·(b × c) = (−1)·(−9) + 5·(−22) + 1·(−6) = −107
V = |−107| = 107
Відповідь
V = 107
15.Імовірність
Відповідь: σ = 1,204
Дискретні випадкові величини: розподіл імовірностей перелічує всі значення x, яких може набувати величина, з імовірністю p(x); імовірності лежать між 0 і 1 та в сумі дають 1. Математичне сподівання (середнє) — E(X) = Σx·p(x), довгострокове середнє. Дисперсія — Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², а середнє квадратичне відхилення σ = √Var(X). Для лінійної зміни Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) і σY = |a|·σX; додавання сталої не змінює розкид.
Імовірність: за рівноможливих наслідків P(A) = сприятливі/усі. Для незалежних подій імовірності множать: P(A і B) = P(A)·P(B). Часто допомагає протилежна подія: P(хоча б одна) = 1 − P(жодної). Біноміальний розподіл: у n незалежних випробуваннях з імовірністю успіху p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.
Нуль і одна відмова
P(X = 0) = 0,56 = 0,01563
P(X = 1) = 6·0,5·0,55 = 0,09375
Додайте
P = 0,01563 + 0,09375 = 0,1094
Відповідь
P = 0,1094
17.Описова статистика
Відповідь: s = 12,56
Описова статистика: середнє — сума, поділена на n; медіана — середнє значення впорядкованих даних (середнє двох середніх при парному n). Вибіркове стандартне відхилення s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). z-оцінка z = (x − μ)/σ показує, на скільки стандартних відхилень значення віддалене від середнього.
Описова статистика: середнє — сума, поділена на n; медіана — середнє значення впорядкованих даних (середнє двох середніх при парному n). Вибіркове стандартне відхилення s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). z-оцінка z = (x − μ)/σ показує, на скільки стандартних відхилень значення віддалене від середнього.
Стандартизуйте
z = (650 − 500)/100 = 1,5
Відповідь
z = 1,5
19.Нормальний розподіл
Відповідь: P = 0,5381
Нормальний розподіл: переведіть значення x у z-оцінку z = (x − μ)/σ, яка показує, на скільки стандартних відхилень значення віддалене від середнього. Таблиця z (або Φ(z)) дає площу ліворуч від z, тобто P(X < x). Площа праворуч дорівнює 1 − Φ(z), а площа між двома значеннями — різниці їхніх площ ліворуч.
z-оцінки
z₁ = (96,25 − 100)/15 = −0,25
z₂ = (123,25 − 100)/15 = 1,55
Площа між
P = Φ(1,55) − Φ(−0,25) = 0,9394 − 0,4013 = 0,5381
Відповідь
P = 0,5381
20.Нормальний розподіл
Відповідь: P = 0,7389
Суми й різниці нормальних величин: якщо X і Y незалежні та нормальні, то X + Y і X − Y також нормальні. Середні додаються чи віднімаються: E(X ± Y) = μX ± μY. Дисперсії завжди додаються, також і для різниці: Var(X ± Y) = σX² + σY², тож σ = √(σX² + σY²). Середні квадратичні відхилення безпосередньо ніколи не додаються. Сума n незалежних елементів з однаковим розподілом має середнє n·μ і середнє квадратичне відхилення σ·√n. Далі стандартизуйте як звичайно: z = (x − середнє)/σ і зчитайте Φ(z).