工程数学 2:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

微分方程

指数增长/衰减
dy/dt = ky → y = y0ekt
半衰期
k = ln 2 / t½
牛顿冷却定律
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
积分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合槽
dm/dt = r·c − (r/V)·m

矩阵与行列式

2×2 行列式
det = ad − bc
2×2 逆矩阵
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
产品
(AB)ij = Σk AikBkj
特征值
det(A − λI) = 0
克拉默法则
xi = det(Ai)/det(A)

向量:点积和叉积

模
|a| = √(ax² + ay² + az²)
单位向量
û = a/|a|
由角度求分量
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
点积
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a 在 b 上的标量投影
a·b/|b|
功
W = F·d
叉积
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
面积
平行四边形 |a × b|,三角形 ½|a × b|
对 O 的力矩
MO = r × F, r = A − O
平行六面体的体积
V = |a·(b × c)|

方法

  1. 把每个向量都写成分量形式;对于由大小和角度给出的力,用 F·cos θ 和 F·sin θ。
  2. 求长度和方向时,用模 √(x² + y² + z²) 和单位向量 a/|a|。
  3. 求夹角、投影、垂直关系和功时,用点积:a·b = |a||b|cos θ。
  4. 求垂直向量、面积和力矩时,用叉积:仔细写出三个分量,并保持 a × b 的顺序。

积分

幂法则
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定积分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
常用积分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲线间的面积
∫ab (f − g) dx

方法

  1. 尽可能把被积函数改写为简单项之和。
  2. 应用幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1),以及 ex、1/x、sin 和 cos 的基本积分。
  3. 当看到一个函数和它的导数同时出现时,用换元法。
  4. 对于定积分,计算 F(b) − F(a)。

多元微积分

偏导数
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
梯度
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
方向导数
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
切平面
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
链式法则
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
二阶导数检验
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
二重积分
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
极坐标
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

方法

  1. 求偏导数时,把另一个变量当作常数,并使用一元函数的法则。
  2. 梯度类题目要在该点计算 ∇f = (fx, fy);最陡斜率用 |∇f|,方向导数用 ∇f·u,其中 u 是单位向量。
  3. 求极值时联立求解 fx = 0 和 fy = 0,然后用 D = fxx·fyy − fxy² 对每个点分类。
  4. 对于二重积分,画出区域草图,选择积分顺序(圆盘用极坐标),使内层积分限是边界曲线,并先算内层。

数列与级数

等差数列
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
等比数列
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
无穷等比级数
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-级数
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
比值判别法
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
收敛半径
R = lim |ck/ck+1|
泰勒多项式
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
麦克劳林级数
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
拉格朗日误差界
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

方法

  1. 判断类型:等差(公差恒定)、等比(公比恒定)、标准级数、幂级数还是泰勒多项式。
  2. 求和时使用 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2、Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r),或 |r| < 1 时使用 S = a₁/(1 − r),其中 a₁ 是和的第一项。
  3. 判断收敛性:先用通项判别法,再与 Σ1/kᵖ 或等比级数比较,含阶乘和 k 次幂的级数用比值判别法或根值判别法。
  4. 对于泰勒多项式,列出 f(a)、f′(a)、f″(a)、…,把第 k 阶导数除以 k!,并用 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! 估计误差。

卷积与线性时不变系统

离散卷积
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
连续卷积
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
长度与和
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
起点、终点与面积
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
阶跃输入到 e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
一阶系统
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
一阶递推
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
正弦信号通过 h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
傅里叶级数的幅值
方波 ±A:4A/(kπ),k 为奇数;三角波 ±A:8A/(π²k²),k 为奇数;脉冲串:A·D 和 (2A/(kπ))|sin kπD|

方法

  1. 画出两个信号,标明各自在哪里非零。
  2. 把 h 翻转并滑动:对每个输出时刻,找出两个信号的重叠范围。
  3. 只在该重叠范围内相乘并求和(离散),或相乘并积分(连续)。
  4. 检验结果:输出从起始时间之和开始,到结束时间之和结束,其面积或和等于输入面积或和的乘积。

2练习题

1.微分方程中等
t (min)T (°C)51Ta​287 °C408 °C

一个 460 °C 的钢锻件放在 28 °C 的车间里冷却。 51 min 后其温度为 287 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 从开始算起需要多长时间 t 才能达到 408 °C?

T0 = 460 °CTa = 28 °CT(51) = 287 °CT = 408 °C
t = min
2.微分方程困难
tyK = 1ymax​ = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 3y′ + 6.25y = 6.25,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求其阶跃响应的峰值 ymax。

y″ + 3y′ + 6.25y = 6.25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.矩阵与行列式中等
A =−245−6B =−445−6

对所示矩阵令 C = AB。求元素 c11(第 1 行,第 1 列)。

A = [−2 4; 5 −6]B = [−4 4; 5 −6]
c11 =
4.矩阵与行列式困难
A =−4−23−5b =6−11

解方程组 −4x − 2y = 6 和 3x − 5y = −11。求 x。

−4x − 2y = 63x − 5y = −11
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求使向量 a = (−4, 1, 5) 与 b = (3, k, 2) 垂直的 k 的值。

a = (−4, 1, 5)b = (3, k, 2)
k =
6.向量:点积和叉积困难
xyzabc

求平行六面体的体积 V,其从一个顶点出发的三条棱为 a = (−5, 0, −2)、b = (4, 5, 3) 和 c = (2, 3, 2)。

a = (−5, 0, −2)b = (4, 5, 3)c = (2, 3, 2)
V =
7.积分中等
xyπ/3y = x·sin x

计算 I = ∫₀π/3 x·sin x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀π/3 x·sin x dx
I =
8.积分困难
xyy = 0.5x2​y = 3x

求由 y = 0.5x2 和 y = 3x 围成区域的面积 A。

y = 0.5x2y = 3x
A =
9.多元微积分中等
xy31∇fP

对于 f(x, y) = x²y − 5x² − 4y² − xy,求 f 在点 (3, 1) 处的最大变化率,即 |∇f|。

f(x, y) = x²y − 5x² − 4y² − xyP = (3, 1)
|∇f| =
10.多元微积分困难
xy1.5

用极坐标计算 I = ∬R (x² + y²) dA,其中 R 是圆盘 x² + y² ≤ 2.25。

f = x² + y²0 ≤ r ≤ 1.50 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.数列与级数中等
kSn​12345678910S = ?

求和 S = Σk=1∞ 12/(k(k + 4))。

ak = 12/(k(k + 4))
S =
12.数列与级数困难
xyfP₃−1.5

用 f(x) = sin x 的 3 次麦克劳林多项式近似 f(−1.5)。给出 P₃(−1.5)。

f(x) = sin xn = 3x = −1.5
P₃(−1.5) =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.6f(0.6) = ?

用部分分式法求 F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.6)。

F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 4))t = 0.6 s
f(0.6) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 3y′ + 2y = 0,初始条件 y(0) = 8,y′(0) = 15,并求 y(0.2)。

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 8y′(0) = 15t = 0.2 s
y(0.2) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t14h(t)t1

脉冲 x(t) = 4(0 ≤ t < 1 s,其他时刻为零)加到 h(t) = e−2tu(t) 的系统上。求脉冲结束之后 t = 3 s 时的输出 y(3)。

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−2tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.卷积与线性时不变系统困难
5cos(30t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 5·cos(30t) 加到 h(t) = 10·e−20tu(t) 的系统上。求稳态输出的幅值 Ym。

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(30t)
Ym =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 12.79 min

一阶微分方程:dy/dt = k·y 的解为 y = y₀·ekt(k > 0 时增长,k < 0 时衰减);半衰期 T 对应 k = ln 2/T。牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ) 给出 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt。线性方程 y′ + p(x)·y = q(x) 用积分因子 μ = e∫p dx 求解:(μy)′ = μq,所以 μy = ∫μq dx + C。

冷却常数

k = ln(432/259)/51 = 0.01003 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(432/380)/0.01003 = 12.79 min

答案

t = 12.79 min
2.微分方程

答案: ymax = 1.095

二阶线性方程:对 y″ + b·y′ + c·y = 0,试 y = ert:得到特征方程 r² + b·r + c = 0。两个不等实根 r₁ ≠ r₂ 给出 y = A·er₁t + B·er₂t(过阻尼);二重根 r 给出 y = (A + Bt)·ert(临界阻尼);复根 −α ± jω 给出 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(欠阻尼,振荡)。初值 y(0) 和 y′(0) 决定 A 和 B。写成 y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 时,ωn 是固有频率,ζ 是阻尼比:ζ < 1 时振荡。在常值输入下,y″ + by′ + cy = c·K 的解是稳态值 K 加上自由响应。

稳态值与根

yss = 1, r = −1.5 ± 2j

由初值求常数

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1.5A + 2B = 0 → B = −0.75

峰值

t = π/2 = 1.571
ymax = 1·(1 + e−1.5·π/2) = 1.095

答案

ymax = 1.095
3.矩阵与行列式

答案: c11 = 28

矩阵:2×2 矩阵的行列式为 ad − bc。对于 3×3,按某一行展开:每个元素乘以划去其所在行和列后剩下的 2×2 矩阵的行列式,符号按 + − + 交替。特征值 λ 满足 det(A − λI) = 0;对于 2×2,即 λ² −(迹)·λ + det = 0。

行乘列

c11 = (−2)·(−4) + 4·5 = 28

答案

c11 = 28
4.矩阵与行列式

答案: x = −2

矩阵:2×2 矩阵的行列式为 ad − bc。对于 3×3,按某一行展开:每个元素乘以划去其所在行和列后剩下的 2×2 矩阵的行列式,符号按 + − + 交替。特征值 λ 满足 det(A − λI) = 0;对于 2×2,即 λ² −(迹)·λ + det = 0。

系数矩阵的行列式

det A = (−4)·(−5) − (−2)·3 = 26

替换 x 列

det Aₓ = 6·(−5) − (−2)·(−11) = −52
x = −52/26 = −2

答案

x = −2
y = 1
5.向量:点积和叉积

答案: k = 2

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.

点积等于零

a·b = (−4)·3 + 1·k + 5·2 = 0
−2 + 1·k = 0

解出 k

k = −(−2)/1 = 2

答案

k = 2
6.向量:点积和叉积

答案: V = 9

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.

叉积 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 5·2 − 3·3 = 1
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·2 − 4·2 = −2
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·3 − 5·2 = 2

与 a 的点积

a·(b × c) = (−5)·1 + 0·(−2) + (−2)·2 = −9
V = |−9| = 9

答案

V = 9
7.积分

答案: I = 0.3424

分部积分:∫u·dv = u·v − ∫v·du,由乘积法则得出。把 u 选为求导后会变简单的因式(x 的幂或 ln x),把 dv 选为你能积分的因式(eˣ、sin x、cos x,或 u = ln x 时的 x)。对定积分,要在两个上下限处计算 u·v:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。含 x² 的因式需要做两轮。

选取 u 和 dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

原函数

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

极限

(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0.3424

答案

I = 0.3424
8.积分

答案: A = 18

定积分:∫ₐᵇ f(x) dx 是从 a 到 b 图像与 x 轴之间的有向面积。求一个原函数 F(F′ = f),再计算 F(b) − F(a)。幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。两条曲线之间的面积为 ∫(上 − 下) dx。

交点

0.5x2 = 3x → x = 0, x = 6

对上减下积分

A = [1.5x2 − 0.1667x3]06 = 18

答案

A = 18
9.多元微积分

答案: |∇f| = 25.08

梯度:∇f = (fx, fy) 指向最陡上升的方向,|∇f| 是最大变化率。沿方向 v 的方向导数为 Duf = ∇f·u,其中单位向量 u = v/|v|。在 (a, b) 处的切平面为 z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b);它给出 f 在该点附近的线性近似。链式法则:dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt。

偏导数

fx = 2xy − 10x − y → fx(3, 1) = −25
fy = x² − 8y − x → fy(3, 1) = −2

梯度的长度

|∇f| = √((−25)² + (−2)²) = 25.08

答案

|∇f| = 25.08
10.多元微积分

答案: I = 7.952

临界点与二重积分:临界点满足 fx = fy = 0。用 D = fxxfyy − fxy² 做二阶导数检验:D > 0 且 fxx > 0 为局部极小值,D > 0 且 fxx < 0 为局部极大值,D < 0 为鞍点,D = 0 无法判断。对于一般区域上的二重积分,内层积分限取为围成该区域的曲线;对于圆盘和扇形,使用极坐标 x = r cos θ,y = r sin θ,dA = r dr dθ(不要忘了因子 r)。

极坐标形式

I = ∫02π ∫01.5 r²·r dr dθ

积分

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 7.952

答案

I = 7.952
11.数列与级数

答案: S = 6.25

收敛性:如果各项不趋于 0,级数发散(通项判别法)。Σ1/kᵖ 仅当 p > 1 时收敛,Σrᵏ 仅当 |r| < 1 时收敛。当一个级数的项在 k 很大时与这些级数的项相近时,可与之比较。比值判别法:L = lim |ak+1/ak|;根值判别法:L = lim |ak|1/k。L < 1 收敛,L > 1 发散,L = 1 无法判断。幂级数 Σck(x − x₀)ᵏ 在 |x − x₀| < R 时收敛,其中 R = lim |ck/ck+1|;项递减趋于 0 的交错级数收敛。

部分分式

12/(k(k + 4)) = (12/4)·(1/k − 1/(k + 4))

取消

S = (12/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 6.25

答案

S = 6.25
12.数列与级数

答案: P₃(−1.5) = −0.9375

泰勒多项式:在 x = a 附近,光滑函数可用 Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! 近似;当 a = 0 时这就是麦克劳林多项式。标准级数: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。拉格朗日误差界:|f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!,其中 M 是 |f⁽ⁿ⁺¹⁾| 在 a 与 x 之间的最大值。

麦克劳林多项式

P₃(x) = x − 0.1667x³

代入

P₃(−1.5) = −1.5 + 0.5625 = −0.9375

答案

P₃(−1.5) = −0.9375

精确值为 f(−1.5) = −0.997495;取更多项或取更靠近 0 的点时,误差 −0.059995 会变小。

13.拉普拉斯变换

答案: f(0.6) = 1.119

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对: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);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 4)
A = 15/(1·4) = 3.75
B = 15/((−1)·3) = −5
C = 15/((−4)·(−3)) = 1.25

逆变换

f(t) = 3.75 − 5·e−t + 1.25·e−4t

求值

f(0.6) = 3.75 − 5·e−0.6 + 1.25·e−4·0.6 = 1.119

答案

f(0.6) = 1.119
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 9.963

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对: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);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

s²Y − 8s − 15 + 3(sY − 8) + 2Y = 0
Y(s) = (8s + 39)/((s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 31/1 = 31
B = 23/(−1) = −23

结果

y(t) = 31·e−t − 23·e−2t
y(0.2) = 9.963

答案

y(0.2) = 9.963

检验:y(0) = A + B = 8。

15.卷积与线性时不变系统

答案: y(3) = 0.03167

连续卷积:y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ。把 h 翻转,平移到位置 t,对重叠部分的乘积积分。对因果信号,积分从 0 到 t。有用的结论:y 的面积等于 x 的面积乘以 h 的面积;若 x 持续时间从 t₁ 到 t₂,h 从 t₃ 到 t₄,则 y 持续时间从 t₁ + t₃ 到 t₂ + t₄。对于 h(t) = e−atu(t) 和高度为 A 的阶跃,y(t) = (A/a)(1 − e−at)。

脉冲结束时的输出

y(1) = (4/2)(1 − e−2) = 1.729

脉冲结束后的衰减

y(3) = 1.729·e−2·2 = 0.03167

答案

y(3) = 0.03167
16.卷积与线性时不变系统

答案: Ym = 1.387

冲激响应与傅里叶级数:冲激响应 h(t) 完全描述一个线性时不变系统:对于 y′ + a·y = b·x,h(t) = b·e−atu(t);对于 y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n],h[n] = b·aⁿu[n]。正弦信号 cos ωt 通过系统时,增益为 |H(jω)|,相位为 ∠H(jω),其中 H 是 h 的傅里叶变换。周期信号是频率为 k/T 的各次谐波之和:幅值 ±A 的方波只含奇次谐波,幅值为 4A/(kπ);峰值为 A 的三角波的谐波幅值为 8A/(π²k²);高度为 A、占空比为 D 的脉冲串,其平均值为 A·D,谐波为 (2A/(kπ))·|sin(kπD)|。

频率响应

H(jω) = 10/(20 + jω)

输入频率处的增益

|H(j30)| = 10/√(20² + 30²) = 0.2774
Ym = 5·0.2774 = 1.387

答案

Ym = 1.387

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