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
tyy(0) = 5y(1) = ?

解 y″ + 8y′ + 16y = 0,其中 y(0) = 5,y′(0) = -2。求 y(1)。

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1) =
2.微分方程困难
tyK = 2ymax​ = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 4y′ + 20y = 40,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求其阶跃响应的峰值 ymax。

y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.矩阵与行列式中等
A =−354−4B =−5−3−4−6

对所示矩阵令 C = AB。求元素 c12(第 1 行,第 2 列)。

A = [−3 5; 4 −4]B = [−5 −3; −4 −6]
c12 =
4.矩阵与行列式困难
A =−6−624b =−1−7

解方程组 −6x − 6y = −1 和 2x + 4y = −7。求 x。

−6x − 6y = −12x + 4y = −7
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求向量 a = (6, 4, 5) 与 b = (−6, 3, 5) 之间的夹角 θ,以度为单位。

a = (6, 4, 5)b = (−6, 3, 5)
θ = °
6.向量:点积和叉积困难
xyzab

单位向量 n̂ 与 a = (3, 2, 5) 和 b = (4, −4, −4) 都垂直,且 z 分量为正。求它的 x 分量 n̂x。

a = (3, 2, 5)b = (4, −4, −4)n̂z > 0
n̂x =
7.积分中等
xy02

计算 I = ∫02 e−0.5x dx。

f(x) = e−0.5x[0, 2]
I =
8.积分困难
xyy = x2​y = 4x

求由 y = x2 和 y = 4x 围成区域的面积 A。

y = x2y = 4x
A =
9.多元微积分中等
xy3−2∇fP

对于 f(x, y) = x²y + x³ + 2y²,求 f 在点 (3, −2) 处的最大变化率,即 |∇f|。

f(x, y) = x²y + x³ + 2y²P = (3, −2)
|∇f| =
10.多元微积分困难
xy−505−4−202(3, −2)(−3, −2)

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 4y 在 (3, −2) 处有一个临界点。计算该点的判别式 D = fxxfyy − fxy²。

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 4yP = (3, −2)
D =
11.数列与级数中等
kSn​12345678910S = ?

求和 S = Σk=1∞ 2/(k(k + 3))。

ak = 2/(k(k + 3))
S =
12.数列与级数困难

f(x) = cos x 在 x = 1.5 处用其 n 次麦克劳林多项式近似。利用拉格朗日误差界 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!(M = 1),求能保证误差小于 0.0001 的最小次数 n。

f(x) = cos xx = 1.5M = 1ε = 0.0001
n =
13.拉普拉斯变换中等
ReIm−224

用配方法求 F(s) = (5s + 11)/(s² + 2s + 17) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (5s + 11)/(s² + 2s + 17)t = 0.1 s
f(0.1) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 7y′ + 6y = 0,初始条件 y(0) = −9,y′(0) = 5,并求 y(0.25)。

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = −9y′(0) = 5t = 0.25 s
y(0.25) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t0.52h(t)t1

脉冲 x(t) = 2(0 ≤ t < 0.5 s,其他时刻为零)加到 h(t) = e−1tu(t) 的系统上。求脉冲结束之后 t = 1.5 s 时的输出 y(1.5)。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1.5 s
y(1.5) =
16.卷积与线性时不变系统困难
δ(t)y′ + 1y = 10xh(t)

某系统满足 y′(t) + 1·y(t) = 10·x(t)。求它在 t = 1 s 时的冲激响应 h(1)。

y′ + 1y = 10xt = 1 s
h(1) =

3溶液

1.微分方程

答案: y(1) = 0.4213

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。

二重根

(r + 4)² = 0 → r = −4

常数

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 20 = 18

求值

y(1) = (5 + 18·1)·e−4 = 0.4213

答案

y(1) = 0.4213
2.微分方程

答案: ymax = 2.416

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 = 2, r = −2 ± 4j

由初值求常数

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1

峰值

t = π/4 = 0.7854
ymax = 2·(1 + e−2·π/4) = 2.416

答案

ymax = 2.416
3.矩阵与行列式

答案: c12 = −21

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

c12 = (−3)·(−3) + 5·(−6) = −21

答案

c12 = −21
4.矩阵与行列式

答案: x = 3.833

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)·4 − (−6)·2 = −12

替换 x 列

det Aₓ = (−1)·4 − (−6)·(−7) = −46
x = −46/(−12) = 3.833

答案

x = 3.833
y = −3.667
5.向量:点积和叉积

答案: θ = 89.22 °

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 = 6·(−6) + 4·3 + 5·5 = 1

模

|a| = √(6² + 4² + 5²) = 8.775
|b| = √((−6)² + 3² + 5²) = 8.367

相角

cos θ = 1/(8.775·8.367) = 0.01362
θ = arccos(0.01362) = 89.22°

答案

θ = 89.22°
6.向量:点积和叉积

答案: n̂x = −0.303

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

(a × b)x = aybz − azby = 2·(−4) − 5·(−4) = 12
(a × b)y = azbx − axbz = 5·4 − 3·(−4) = 32
(a × b)z = axby − aybx = 3·(−4) − 2·4 = −20

归一化

a × b 的 z 分量为负,所以要用 −(a × b)。

|a × b| = √(12² + 32² + (−20)²) = 39.6
n̂ = −(12, 32, −20)/39.6 = (−0.303, −0.8081, 0.5051)
n̂x = −0.303

答案

n̂x = −0.303
7.积分

答案: I = 1.264

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。

原函数

F(x) = e−0.5x/(−0.5)

代入上下限

I = (e−1 − 1)/(−0.5) = (0.3679 − 1)/(−0.5) = 1.264

答案

I = 1.264
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。

交点

x2 = 4x → x = 0, x = 4

对上减下积分

A = [2x2 − 0.3333x3]04 = 10.67

答案

A = 10.67
9.多元微积分

答案: |∇f| = 15.03

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 + 3x² → fx(3, −2) = 15
fy = x² + 4y → fy(3, −2) = 1

梯度的长度

|∇f| = √(15² + 1²) = 15.03

答案

|∇f| = 15.03
10.多元微积分

答案: D = 36

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)。

二阶导数

fxx = 18, fyy = 2, fxy = 0

判别式

D = 18·2 − 0² = 36
→ 局部极小值

答案

D = 36
11.数列与级数

答案: S = 1.222

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

2/(k(k + 3)) = (2/3)·(1/k − 1/(k + 3))

取消

S = (2/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 1.222

答案

S = 1.222
12.数列与级数

答案: n = 9

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。

n(n + 1)!误差界011.5121.125260.56253240.210941200.0632857200.01582650400.003397403200.000635683628800.0001059936288001.589 × 10⁻⁵

n 增大时的误差界

n = 8: 0.0001059 ≥ 0.0001
n = 9: 1.589 × 10⁻⁵ < 0.0001

最小次数

n = 9

答案

n = 9
13.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 4.696

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)。

配方

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

匹配分子

F(s) = 5·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (6/4)·4/((s + 1)² + 4²)

逆变换

f(t) = e−t·(5·cos 4t + 1.5·sin 4t)
f(0.1) = e−0.1·(5·cos(4·0.1) + 1.5·sin(4·0.1)) = 4.696

答案

f(0.1) = 4.696
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = −7.454

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 − (−9)s − 5 + 7(sY − (−9)) + 6Y = 0
Y(s) = (−9s − 58)/((s + 1)(s + 6))

部分分式

A = −49/5 = −9.8
B = −4/(−5) = 0.8

结果

y(t) = −9.8·e−t + 0.8·e−6t
y(0.25) = −7.454

答案

y(0.25) = −7.454

检验:y(0) = A + B = −9。

15.卷积与线性时不变系统

答案: y(1.5) = 0.2895

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(0.5) = (2/1)(1 − e−0.5) = 0.7869

脉冲结束后的衰减

y(1.5) = 0.7869·e−1·1 = 0.2895

答案

y(1.5) = 0.2895
16.卷积与线性时不变系统

答案: h(1) = 3.679

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)|。

传递函数

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 1)

冲激响应

h(t) = 10·e−1tu(t)
h(1) = 10·e−1 = 3.679

答案

h(1) = 3.679

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