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″ + 4y′ + 4y = 0,其中 y(0) = 5,y′(0) = 1。求 y(1)。

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(1) =
2.微分方程困难
xy13(1, 1)y(3) = ?

求解初值问题 y′ + 2y/x = 2x,x > 0,y(1) = 1。求 y(3)。

y′ + 2y/x = 2xy(1) = 1
y(3) =
3.矩阵与行列式中等
A =−302−544−5−25

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [−3 0 2; −5 4 4; −5 −2 5]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =1−226

求所示矩阵 A 的较大特征值 λ。

A = [1 −2; 2 6]
λ =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

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

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

对于 a = (5, 3, 2) 和 b = (−6, −3, 1),求叉积 a × b 的 y 分量 (a × b)y。

a = (5, 3, 2)b = (−6, −3, 1)
(a × b)y =
7.积分中等
xyπy = x·sin x

计算 I = ∫₀π x·sin x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀π x·sin x dx
I =
8.积分困难
xy2y = 2xy = x²

将直线 y = 2x 与抛物线 y = x² 之间的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体的体积 V。

y = 2xy = x²
V =
9.多元微积分中等
xy−4−20−20PQ

对于 f(x, y) = 4xy³ − 2x² − 3y³ − xy,求在 P(−2, −1) 处朝向 Q(−1, −2) 方向的方向导数 Duf。

f(x, y) = 4xy³ − 2x² − 3y³ − xyP = (−2, −1)Q = (−1, −2)
Duf =
10.多元微积分困难
xyy = xy = x²11

计算 I = ∬R x dA,其中 R 是抛物线 y = x² 与直线 y = x 之间的区域。

y = x²y = xf = x
I =
11.数列与级数中等
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

对 Σk=1∞ 3ᵏ·k!/kᵏ 应用比值判别法。求 L = lim |ak+1/ak|。

ak = 3ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.数列与级数困难

求 f(x) = √x 在 a = 4 处的泰勒级数中 (x − 4)³ 的系数 c₃。

f(x) = √xa = 4k = 3
c₃ =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

用部分分式法求 F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 4))t = 0.4 s
f(0.4) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

某系统满足 y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 1(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.3)。

y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.3 s
y(0.3) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t−10h(t)t02

信号 x(t) 仅在 t = −1 s 到 t = 0 s 之间非零,h(t) 仅在 t = 0 s 到 t = 2 s 之间非零。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 开始的时刻 tstart。

x: −1 … 0 sh: 0 … 2 s
tstart = s
16.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)1242−2

三角波在 −2 和 +2 之间线性上升和下降,周期 T = 2 ms。求它在 500 Hz 处的傅里叶分量幅值 c1。

±2T = 2 msf = 500 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程

答案: y(1) = 2.165

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 + 2)² = 0 → r = −2

常数

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 10 = 11

求值

y(1) = (5 + 11·1)·e−2 = 2.165

答案

y(1) = 2.165
2.微分方程

答案: y(3) = 4.556

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 = e∫2/x dx = x2

积分

(x2y)′ = 2x3 → x2y = 2x4/4 + C

初始条件

1 = 2/4 + C → C = 0.5

求值

y(3) = (2·34/4 + 0.5)/32 = 4.556

答案

y(3) = 4.556
3.矩阵与行列式

答案: det A = −24

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 = 28, M₁₂ = −5, M₁₃ = 30

代数余子式展开

det A = (−3)·28 − 0·(−5) + 2·30 = −24

答案

det A = −24
4.矩阵与行列式

答案: λ = 5

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 − (7)λ + (10) = 0

求解

λ = (7 ± √(9))/2 → λ = 2, 5
λ = 5

答案

λ = 5
5.向量:点积和叉积

答案: a·b = 18

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 + (−2)·(−6) + (−2)·6 = 18 + 12 + (−12) = 18

答案

a·b = 18

为正:两向量的夹角小于 90°。

6.向量:点积和叉积

答案: (a × b)y = −17

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 = 3·1 − 2·(−3) = 9
(a × b)y = azbx − axbz = 2·(−6) − 5·1 = −17
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−3) − 3·(−6) = 3

所求分量

(a × b)y = −17

答案

(a × b)y = −17

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 = 3.142

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·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3.142

答案

I = 3.142
8.积分

答案: V = 13.4

旋转体体积:把 y = f(x) 之下、从 x = a 到 x = b 的区域绕 x 轴旋转,得到一个旋转体,它在 x 处的横截面是半径为 f(x) 的圆盘。把圆盘相加得 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx。当区域位于外曲线 R(x) 与内曲线 r(x) 之间时,每个薄片是一个垫圈:V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx。相减之前要先把半径平方。

交点

2x = 1x² → x = 0, x = 2

垫圈法

V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx

积分

V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4.267 = 13.4

答案

V = 13.4
9.多元微积分

答案: Duf = 25.46

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。

该点处的梯度

fx = 4y³ − 4x − y → fx(−2, −1) = 5
fy = 12xy² − 9y² − x → fy(−2, −1) = −31

单位向量

|v| = √(1² + (−1)²) = 1.414
u = (0.7071, −0.7071)

点积

Duf = 5·0.7071 + (−31)·(−0.7071) = 25.46

答案

Duf = 25.46
10.多元微积分

答案: I = 0.08333

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)。

交点

x² = x → x = 0, x = 1

内层积分

∫x²x x dy = x(x − x²) = x² − x³

外层积分

I = ∫01 (x² − x³) dx = 0.08333

答案

I = 0.08333
11.数列与级数

答案: L = 1.104

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。

相邻项之比

|ak+1/ak| = 3·(k/(k + 1))ᵏ = 3/(1 + 1/k)ᵏ → 3/e

结论

L = 1.104 > 1

答案

L = 1.104

L > 1,所以级数发散。

12.数列与级数

答案: c₃ = 0.001953

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 f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 0.375·x1/2 − 3

系数

c₃ = 0.375·41/2 − 3/3! = 0.001953
c₃ = 0.001953

答案

c₃ = 0.001953
13.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 0.7581

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 20/(2·4) = 2.5
B = 20/((−2)·2) = −5
C = 20/((−4)·(−2)) = 2.5

逆变换

f(t) = 2.5 − 5·e−2t + 2.5·e−4t

求值

f(0.4) = 2.5 − 5·e−2·0.4 + 2.5·e−4·0.4 = 0.7581

答案

f(0.4) = 0.7581
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 0.2341

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) = 10/(s(s + 2)(s + 5))

部分分式

A = 10/(2·5) = 1
B = 10/((−2)·3) = −1.667
C = 10/((−5)·(−3)) = 0.6667

出量

y(t) = 1 − 1.667·e−2t + 0.6667·e−5t
y(0.3) = 0.2341

答案

y(0.3) = 0.2341
15.卷积与线性时不变系统

答案: tstart = −1 s

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)。

起点和终点

tstart = −1 + 0 = −1 s
tend = 0 + 2 = 2 s

答案

tstart = −1 s

答案

tstart = −1 s
16.卷积与线性时不变系统

答案: c1 = 1.621

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)|。

谐波次数

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 1

振幅

c1 = 8·2/(π²·1²) = 1.621

答案

c1 = 1.621

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