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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)7Ta​72 °C46 °C

一杯 89 °C 的咖啡放在 20 °C 的房间里。 7 min 后其温度为 72 °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 46 °C?

T0 = 89 °CTa = 20 °CT(7) = 72 °CT = 46 °C
t = min
2.微分方程困难
ty1.5y(1.5) = ?

求解 y′ + 3y = 4e−2t,y(0) = 3。求 y(1.5)。

y′ + 3y = 4e−2ty(0) = 3
y(1.5) =
3.矩阵与行列式中等
A =−36−45B =3−4−5−1

对所示矩阵令 C = AB。求元素 c22(第 2 行,第 2 列)。

A = [−3 6; −4 5]B = [3 −4; −5 −1]
c22 =
4.矩阵与行列式困难
A =4242

求所示矩阵 A 的较大特征值 λ。

A = [4 2; 4 2]
λ =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求 a = (−6, −3, −2) 与 b = (3, 6, −1) 的点积 a·b。

a = (−6, −3, −2)b = (3, 6, −1)
a·b =
6.向量:点积和叉积困难
xyzab

对于 a = (5, 3, −1) 和 b = (−3, −6, −4),求叉积 a × b 的 x 分量 (a × b)x。

a = (5, 3, −1)b = (−3, −6, −4)
(a × b)x =
7.积分中等
xy01

计算 I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.积分困难
xy−22

求抛物线 y = 4 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 4 − x²
A =
9.多元微积分中等
xy33∇fP

对于 f(x, y) = −3x³y² − 2x² − y² − 4xy,求在 (3, 3) 处最陡上升方向与正 x 轴的夹角 θ,以度为单位,取 −180° 到 180° 之间。

f(x, y) = −3x³y² − 2x² − y² − 4xyP = (3, 3)
θ = °
10.多元微积分困难
xy−202−2024(1, 3)(−1, 3)

求 f(x, y) = x³ − 3x + y² − 6y 的临界点,对它们分类,并给出 f 在其局部极小值处的值 fmin。

f(x, y) = x³ − 3x + y² − 6y
fmin =
11.数列与级数中等
kSn​12345678910S = ?

求和 S = Σk=1∞ 4/(k(k + 4))。

ak = 4/(k(k + 4))
S =
12.数列与级数困难
xyfP₄−1.5

用 f(x) = eˣ 的 4 次麦克劳林多项式近似 f(−1.5)。给出 P₄(−1.5)。

f(x) = eˣn = 4x = −1.5
P₄(−1.5) =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

用部分分式法求 F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 6)) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 6))t = 0.3 s
f(0.3) =
14.拉普拉斯变换困难
ReIm5

某系统由微分方程 y″ + 4y′ + 29y = 2u′ + 4u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.75 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.75)。

y″ + 4y′ + 29y = 2u′ + 4ut = 0.75 s
g(0.75) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t110h(t)t23

脉冲 x(t) = 10(0 ≤ t < 1 s)与脉冲 h(t) = 3(0 ≤ t < 2 s)做卷积。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 下的面积 Ay。

x(t) = 10, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 2 s
Ay =
16.卷积与线性时不变系统困难
10cos(60t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 10·cos(60t) 加到 h(t) = 10·e−20tu(t) 的系统上。求稳态输出相对于输入的相位 φ,单位为度。

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 10cos(60t)
φ = °

3溶液

1.微分方程

答案: t = 24.15 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(69/52)/7 = 0.04041 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(69/26)/0.04041 = 24.15 min

答案

t = 24.15 min
2.微分方程

答案: y(1.5) = 0.188

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。

积分因子

μ = e3t
(e3ty)′ = 4et

通解

y = 4/1·e−2t + C·e−3t = 4·e−2t + C·e−3t

初始条件

3 = 4 + C → C = −1

求值

y(1.5) = 4·0.04979 + (−1)·0.01111 = 0.188

答案

y(1.5) = 0.188
3.矩阵与行列式

答案: c22 = 11

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

c22 = (−4)·(−4) + 5·(−1) = 11

答案

c22 = 11
4.矩阵与行列式

答案: λ = 6

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。

特征方程

λ² − (6)λ + (0) = 0

求解

λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6

答案

λ = 6
5.向量:点积和叉积

答案: a·b = −34

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.

对应分量相乘再相加

a·b = (−6)·3 + (−3)·6 + (−2)·(−1) = (−18) + (−18) + 2 = −34

答案

a·b = −34

为负:两向量的夹角大于 90°。

6.向量:点积和叉积

答案: (a × b)x = −18

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,逐个分量计算

(a × b)x = aybz − azby = 3·(−4) − (−1)·(−6) = −18
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−3) − 5·(−4) = 23
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−6) − 3·(−3) = −21

所求分量

(a × b)x = −18

答案

(a × b)x = −18

检验:a × b 与两个向量都垂直,所以它与 a 和与 b 的点积都为零。

7.积分

答案: I = 2.333

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。

换元

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

积分并代入上下限

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2.333

答案

I = 2.333
8.积分

答案: A = 10.67

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。

零点

4 − x² = 0 → x = ±2

积分

A = [4x − x³/3]−22 = 5.333 − (−5.333) = 10.67

答案

A = 10.67
9.多元微积分

答案: θ = −146.2 °

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 = −9x²y² − 4x − 4y → fx(3, 3) = −753
fy = −6x³y − 2y − 4x → fy(3, 3) = −504

方向

θ = atan2(−504, −753) = −146.2°

答案

θ = −146.2°
10.多元微积分

答案: fmin = −11

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)。

临界点

联立求解 fx = 0 和 fy = 0。

fx = (3x² − 3) = 0
fy = (2y − 6) = 0
(1, 3), (−1, 3)

二阶导数检验

(1, 3): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → 局部极小值
(−1, 3): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → 鞍点

极值处的值

f(1, 3) = −11

答案

fmin = −11
11.数列与级数

答案: S = 2.083

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

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

取消

S = (4/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 2.083

答案

S = 2.083
12.数列与级数

答案: P₄(−1.5) = 0.2734

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

P₄(x) = 1 + x + 0.5x² + 0.1667x³ + 0.04167x⁴

代入

P₄(−1.5) = 1 − 1.5 + 1.125 − 0.5625 + 0.210938 = 0.2734

答案

P₄(−1.5) = 0.2734

精确值为 f(−1.5) = 0.22313;取更多项或取更靠近 0 的点时,误差 −0.0503073 会变小。

13.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 0.7204

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 + 6)
A = 30/(1·6) = 5
B = 30/((−1)·5) = −6
C = 30/((−6)·(−5)) = 1

逆变换

f(t) = 5 − 6·e−t + e−6t

求值

f(0.3) = 5 − 6·e−0.3 + e−6·0.3 = 0.7204

答案

f(0.3) = 0.7204
14.拉普拉斯变换

答案: g(0.75) = −0.3662

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 4)/(s² + 4s + 29)

部分分式

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 5²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (0/5)·5/((s + 2)² + 5²)

冲激响应

g(t) = e−2t·(2·cos 5t)
g(0.75) = −0.3662

答案

g(0.75) = −0.3662
15.卷积与线性时不变系统

答案: Ay = 60

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)。

输入的面积

∫x dt = 10·1 = 10
∫h dt = 3·2 = 6

输出的面积

Ay = 10·6 = 60

答案

Ay = 60
16.卷积与线性时不变系统

答案: φ = −71.57 °

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)

输入频率处的相位

φ = −atan(60/20) = −71.57°

答案

φ = −71.57°

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2