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→∞ (√(9x2 + 6x) − 3x).
f(x) = √(9x2 + 6x) − 3xx → ∞
L =
2.ГраниціСкладна
Знайдіть границю L = limx→0 ln(1 + x)/sin(2x), де x у радіанах.
f(x) = ln(1 + x)/sin(2x)x → 0
L =
3.ПохідніСередня
Нехай f(x) = ln(x2 + 1). Знайдіть f′(−1).
f(x) = ln(x2 + 1)x = −1
f′(−1) =
4.ПохідніСкладна
Дотична до f(x) = 2x2 + 5x + 3 у точці x = −1 перетинає вісь y у точці y = b. Знайдіть b.
f(x) = 2x2 + 5x + 3x = −1
b =
5.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫03 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 3]
I =
6.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.
y = 9 − x²
A =
7.Комплексні числаСередня
Число z = 2·ej1,2 має кут у радіанах. Знайдіть його уявну частину b.
r = 2θ = 1,2 rad
b =
8.Комплексні числаСкладна
Скористайтеся формулою Муавра, щоб знайти дійсну частину z⁶ для z = 1 − j√3.
z = 1 − j√3n = 6
Re(z⁶) =
9.Диференціальні рівнянняСередня
Кувану сталеву деталь температурою 420 °C залишили остигати в цеху з температурою 21 °C. Через 51 min її температура становить 261 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 372 °C?
T0 = 420 °CTa = 21 °CT(51) = 261 °CT = 372 °C
t = min
10.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 4y′ + 20y = 40 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.
y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
11.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [−5 −3 −1; 2 0 −2; −3 −3 −2]
det A =
12.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [2 3; −1 −2]
λ =
13.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть кут θ між векторами a = (5, −2, 3) і b = (4, 6, 5) у градусах.
a = (5, −2, 3)b = (4, 6, 5)
θ = °
14.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Сила F = (50, 10, −60) N діє в точці A(−4, −4, 2). Координати подано в метрах. Знайдіть z-компоненту Mz моменту сили відносно точка O(3, 0, −3).
F = (50, 10, −60) NA(−4, −4, 2) mO(3, 0, −3) m
Mz = N·m
15.ІмовірністьСередня
Правильний кубик кидають 4 разів. Яка ймовірність P отримати хоча б одну шістку?
n = 4
P =
16.ІмовірністьСкладна
Участь у грі коштує €1. Ви виграєте €3 з імовірністю 0,15 і €10 з імовірністю 0,01; в інших випадках не виграєте нічого. Ставка не повертається. Знайдіть очікуваний чистий виграш E(G) за гру.
Оцінки за іспит розподілені нормально із середнім 170 і стандартним відхиленням 10. Знайдіть z-оцінку z для результату 158.
μ = 170σ = 10x = 158
z =
19.Нормальний розподілСередня
Перетягніть z так, щоб заштрихована площа під стандартною нормальною кривою праворуч від z дорівнювала 0,9032. Знайдіть z до двох знаків після коми.
A = 0,9032
z =
20.Нормальний розподілСкладна
Діаметри отворів D нормальні із середнім 25,05 мм і середнім квадратичним відхиленням 0,015 мм. Діаметри валів d незалежні та нормальні із середнім 25 мм і середнім квадратичним відхиленням 0,02 мм. Навмання вибраний вал підходить, якщо D − d > 0. Знайдіть імовірність P того, що він підійде. Округліть z до двох знаків після коми.
отвір: μ = 25,05 mm, σ = 0,015 mmвал: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3Розчини
1.Границі
Відповідь: L = 1
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).
Помножте на спряжений вираз
f(x) = 6x/(√(9x2 + 6x) + 3x)
Поділіть на x
f(x) = 6/(√(9 + 6/x) + 3)
Нехай x → ∞
L = 6/(3 + 3) = 1
Відповідь
L = 1
2.Границі
Відповідь: L = 0,5
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).
Правило Лопіталя
L = limx→0 [1/(1 + x)]/[2·cos 2x]
Підставте x = 0
L = 1/2 = 0,5
Відповідь
L = 0,5
3.Похідні
Відповідь: f′(−1) = −1
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.
Ланцюгове правило для логарифма
f′(x) = 2x/(x2 + 1)
Підставте
f′(−1) = −2/2 = −1
Відповідь
f′(−1) = −1
4.Похідні
Відповідь: b = 1
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(−1) = 0
f′(x) = 4x + 5 → f′(−1) = 1
Дотична при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − 1·(−1) = 1
Відповідь
b = 1
5.Інтеграли
Відповідь: I = 6,963
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) = e0,5x/0,5
Підставте межі
I = (e1,5 − 1)/0,5 = (4,482 − 1)/0,5 = 6,963
Відповідь
I = 6,963
6.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
7.Комплексні числа
Відповідь: b = 1,864
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.
Формула Ейлера
z = 2·(cos 1,2 + j sin 1,2)
Компоненти (радіани)
a = 2·cos 1,2 = 0,7247
b = 2·sin 1,2 = 1,864
b = 1,864
Відповідь
b = 1,864
8.Комплексні числа
Відповідь: Re(z⁶) = 64
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.
Полярна форма
z = 1 − j√3 = 2∠−60°
Муавр
z⁶ = (2)⁶∠−360° = 64∠0°
Алгебраїчна форма
z⁶ = 64·(cos 0° + j sin 0°) = 64
Re(z⁶) = 64
Відповідь
Re(z⁶) = 64
9.Диференціальні рівняння
Відповідь: t = 12,86 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(399/240)/51 = 0,009967 min⁻¹
Час до досягнення цільової температури
t = ln(399/351)/0,009967 = 12,86 min
Відповідь
t = 12,86 min
10.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.25) = 0,8342
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.
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 = −10, M₁₃ = −6
Розклад за рядком
det A = (−5)·(−6) − (−3)·(−10) + (−1)·(−6) = 6
Відповідь
det A = 6
12.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 1
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 + (−1) = 0
Розв’яжіть
λ = (0 ± √(4))/2 → λ = −1, 1
λ = 1
Відповідь
λ = 1
13.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: θ = 64,84 °
Скалярний добуток:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ — скаляр. Він дає кут між двома векторами, cos θ = a·b/(|a|·|b|), і дорівнює нулю, коли вектори перпендикулярні. Скалярна проєкція a на b дорівнює a·b/|b|, а стала сила F на переміщенні d виконує роботу W = F·d.
Скалярний добуток
a·b = 5·4 + (−2)·6 + 3·5 = 23
Модулі
|a| = √(5² + (−2)² + 3²) = 6,164
|b| = √(4² + 6² + 5²) = 8,775
Кут
cos θ = 23/(6,164·8,775) = 0,4252
θ = arccos(0,4252) = 64,84°
Відповідь
θ = 64,84°
14.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: Mz = 130 N·m
Векторний добуток:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) перпендикулярний до обох векторів, а |a × b| = |a|·|b|·sin θ — площа паралелограма, натягнутого на них (площа трикутника — половина). Порядок має значення: b × a = −(a × b). Момент сили F, прикладеної в точці A, відносно точки O дорівнює MO = r × F, де r = A − O.
Радіус-вектор від O до A
r = A − O = (−4, −4, 2) − (3, 0, −3) = (−7, −4, 5) m
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.
Протилежна подія
P(немає шістки) = (5/6)4 = 0,4823
P = 1 − 0,4823 = 0,5177
Відповідь
P = 0,5177
16.Імовірність
Відповідь: E(G) = −0,45 €
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.
Чисті результати
G: 2 (p = 0,15), 9 (p = 0,01), −1 (p = 0,84)
Математичне сподівання
E(G) = 2·0,15 + 9·0,01 − 1·0,84 = −0,45 €
Відповідь
E(G) = −0,45 €
Від’ємне значення означає, що в середньому ви втрачаєте гроші.
17.Описова статистика
Відповідь: s = 19,41
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 = (158 − 170)/10 = −1,2
Відповідь
z = −1,2
19.Нормальний розподіл
Відповідь: z = −1,3
Від площі назад до z: Φ(z) — це площа ліворуч від z. Для лівої площі хвоста A знайдіть у таблиці z, для якого Φ(z) = A. Права площа хвоста A означає Φ(z) = 1 − A. Центральна площа A між −z і z лишає (1 − A)/2 у кожному хвості, тож Φ(z) = (1 + A)/2. Для значення x використовуйте x = μ + zσ.
Площа ліворуч від z
Φ(z) = 1 − 0,9032 = 0,0968
Читайте таблицю z у зворотному напрямку
Знайдіть 0,0968 усередині таблиці й зчитайте z.
z = −1,30
Відповідь
z = −1,30
20.Нормальний розподіл
Відповідь: P = 0,9772
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).