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)10Ta​49 °C

一杯 86 °C 的咖啡放在 19 °C 的房间里。 10 min 后其温度为 49 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 求常数 k,以 min⁻¹ 计。

T0 = 86 °CTa = 19 °CT(10) = 49 °C
k = min⁻¹
2.微分方程困难
ty2y(2) = ?

求解 y′ + y = 2e−2t,y(0) = 2。求 y(2)。

y′ + y = 2e−2ty(0) = 2
y(2) =
3.矩阵与行列式中等
A =20−2350−1−34

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [2 0 −2; 3 5 0; −1 −3 4]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =−6452b =10−9

解方程组 −6x + 4y = 10 和 5x + 2y = −9。求 x。

−6x + 4y = 105x + 2y = −9
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求向量 a = (2, −4, −5) 与 b = (0, −6, 2) 之间的夹角 θ,以度为单位。

a = (2, −4, −5)b = (0, −6, 2)
θ = °
6.向量:点积和叉积困难
xyzab

对于 a = (1, −1, −4) 和 b = (0, −6, 5),求叉积 a × b 的 x 分量 (a × b)x。

a = (1, −1, −4)b = (0, −6, 5)
(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
xyy = 2x2​y = x

求由 y = 2x2 和 y = x 围成区域的面积 A。

y = 2x2y = x
A =
9.多元微积分中等

z = ln(x² + 3y²),其中 x = −t,y = −t² + 2。用链式法则求 t = 1 时的 dz/dt。

z = ln(x² + 3y²)x = −ty = −t² + 2t = 1
dz/dt =
10.多元微积分困难
xy−20202AB

图中标出的点是 f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 4y 的临界点。点选鞍点。

f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 4y
  1. 1A (−2, 2)
  2. 2B (2, 2)
11.数列与级数中等
xx₀ = 1??R

求幂级数 Σk=1∞ k!·(x − 1)ᵏ/kᵏ 的收敛半径 R。

Σ k!·(x − 1)ᵏ/kᵏx₀ = 1
R =
12.数列与级数困难

f(x) = sin x 在 x = 0.3 处用其 5 次麦克劳林多项式近似。用拉格朗日误差界 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!(M = 1)求最大可能误差 |R₅|。

f(x) = sin xn = 5x = 0.3M = 1
|R₅| =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

用部分分式法求 F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 2)) 对应的 f(t),并计算 f(1)。

F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 2))t = 1 s
f(1) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

某系统满足 y″ + 7y′ + 12y = 6·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 10(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.25)。

y″ + 7y′ + 12y = 6·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.25 s
y(0.25) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t1h(t)t1

输入 x(t) = 1·e−6tu(t) 加到 h(t) = e−1tu(t) 的系统上。求 t = 0.25 s 时的输出 y(0.25)。

x(t) = 1·e−6tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0.25 s
y(0.25) =
16.卷积与线性时不变系统困难
10cos(7.5t)h(t) = 2e−10t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 10·cos(7.5t) 加到 h(t) = 2·e−10tu(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) = 2e−10tu(t)x(t) = 10cos(7.5t)
φ = °

3溶液

1.微分方程

答案: k = 0.08035 min⁻¹

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。

温差之比

e−10k = 30/67

解出 k

k = ln(67/30)/10 = 0.08035 min⁻¹

答案

k = 0.08035 min⁻¹
2.微分方程

答案: y(2) = 0.5047

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 = et
(ety)′ = 2e−t

通解

y = 2/(−1)·e−2t + C·e−t = −2·e−2t + C·e−t

初始条件

2 = −2 + C → C = 4

求值

y(2) = −2·0.01832 + 4·0.1353 = 0.5047

答案

y(2) = 0.5047
3.矩阵与行列式

答案: det A = 48

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。

第一行的 2×2 余子式

M₁₁ = 20, M₁₂ = 12, M₁₃ = −4

代数余子式展开

det A = 2·20 − 0·12 + (−2)·(−4) = 48

答案

det A = 48
4.矩阵与行列式

答案: x = −1.75

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 = (−6)·2 − 4·5 = −32

替换 x 列

det Aₓ = 10·2 − 4·(−9) = 56
x = 56/(−32) = −1.75

答案

x = −1.75
y = −0.125
5.向量:点积和叉积

答案: θ = 70.73 °

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

a·b = 2·0 + (−4)·(−6) + (−5)·2 = 14

模

|a| = √(2² + (−4)² + (−5)²) = 6.708
|b| = √(0² + (−6)² + 2²) = 6.325

相角

cos θ = 14/(6.708·6.325) = 0.33
θ = arccos(0.33) = 70.73°

答案

θ = 70.73°
6.向量:点积和叉积

答案: (a × b)x = −29

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 = (−1)·5 − (−4)·(−6) = −29
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·0 − 1·5 = −5
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−6) − (−1)·0 = −6

所求分量

(a × b)x = −29

答案

(a × b)x = −29

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 = 0.04167

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

2x2 = x → x = 0, x = 0.5

对上减下积分

A = [0.5x2 − 0.6667x3]00.5 = 0.04167

答案

A = 0.04167
9.多元微积分

答案: dz/dt = −2.5

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。

点与变化率

x(1) = −1, y(1) = 1
dx/dt = −1, dy/dt = −2t = −2

偏导数

fx = 2x/(x² + 3y²) = −0.5
fy = 6y/(x² + 3y²) = 1.5

链式法则

dz/dt = (−0.5)·(−1) + 1.5·(−2) = −2.5

答案

dz/dt = −2.5
10.多元微积分

答案: A (−2, 2)

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 − 12) = 0
fy = −(2y − 4) = 0
(2, 2), (−2, 2)

二阶导数检验

(2, 2): fxx = −12, fyy = −2, fxy = 0, D = 24 → 局部极大值
(−2, 2): fxx = 12, fyy = −2, fxy = 0, D = −24 → 鞍点

该点

A (−2, 2): 鞍点

答案

A (−2, 2)
11.数列与级数

答案: R = 2.718

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。

系数

ck/ck+1 = (1 + 1/k)ᵏ → e

半径

R = 2.718

答案

R = 2.718

比值判别法对两个端点没有结论;必须单独检验它们。

12.数列与级数

答案: |R₅| = 1.012 × 10⁻⁶

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。

导数的上界

M = 1

拉格朗日误差界

|R₅| ≤ 1·0.3⁶/6! = 1.012 × 10⁻⁶

答案

|R₅| = 1.012 × 10⁻⁶

真实误差更小:|f(0.3) − P₅(0.3)| = 4.334 × 10⁻⁸。

13.拉普拉斯变换

答案: f(1) = 8.99

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 + 2)
A = 45/(1·2) = 22.5
B = 45/((−1)·1) = −45
C = 45/((−2)·(−1)) = 22.5

逆变换

f(t) = 22.5 − 45·e−t + 22.5·e−2t

求值

f(1) = 22.5 − 45·e−1 + 22.5·e−2·1 = 8.99

答案

f(1) = 8.99
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 1.071

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

Y(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))

部分分式

A = 60/(3·4) = 5
B = 60/((−3)·1) = −20
C = 60/((−4)·(−1)) = 15

出量

y(t) = 5 − 20·e−3t + 15·e−4t
y(0.25) = 1.071

答案

y(0.25) = 1.071
15.卷积与线性时不变系统

答案: y(0.25) = 0.1111

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)。

卷积积分

y(t) = 1e−1t∫₀ᵗ e−(6 − 1)τ dτ = 1(e−1t − e−6t)/(5)

求值

y(0.25) = 1·(0.7788 − 0.2231)/(5) = 0.1111

答案

y(0.25) = 0.1111
16.卷积与线性时不变系统

答案: φ = −36.87 °

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) = 2/(10 + jω)

输入频率处的相位

φ = −atan(7.5/10) = −36.87°

答案

φ = −36.87°

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