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)50Ta​T = ?

一个 380 °C 的钢锻件放在 30 °C 的车间里冷却。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 已知 k = 0.01 min⁻¹,求 50 min 后的温度 T。

T0 = 380 °CTa = 30 °Ck = 0.01 min⁻¹t = 50 min
T = °C
2.微分方程困难
xy13(1, 4)y(3) = ?

求解初值问题 y′ + 2y/x = 5,x > 0,y(1) = 4。求 y(3)。

y′ + 2y/x = 5y(1) = 4
y(3) =
3.矩阵与行列式中等
A =−21−10B =1136

对所示矩阵令 C = AB。求元素 c21(第 2 行,第 1 列)。

A = [−2 1; −1 0]B = [1 1; 3 6]
c21 =
4.矩阵与行列式困难
A =2211

求所示矩阵 A 的较大特征值 λ。

A = [2 2; 1 1]
λ =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求向量 a = (−3, 1, 5) 与 b = (−6, 6, −6) 之间的夹角 θ,以度为单位。

a = (−3, 1, 5)b = (−6, 6, −6)
θ = °
6.向量:点积和叉积困难
xyzABC

求顶点为 A(−2, −4, −1)、B(−3, 4, −1)、C(4, 2, −4) 的三角形的面积 A。坐标单位为米。

A(−2, −4, −1)B(−3, 4, −1)C(4, 2, −4)
A = m²
7.积分中等
xy02

计算 I = ∫02 ex dx。

f(x) = ex[0, 2]
I =
8.积分困难
xy2y = x²eˣ

计算 I = ∫₀2 x²·eˣ dx。

∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.多元微积分中等
xy02−202vP

对于 f(x, y) = −2x²e3y,求在 (1, −1) 处沿 v = (2, 4) 方向的方向导数 Duf。

f(x, y) = −2x²e3yP = (1, −1)v = (2, 4)
Duf =
10.多元微积分困难
xy05−4−202(3, −3)

f(x, y) = −x² + 4xy − y² + 18x − 18y − 1 在 (3, −3) 处有一个临界点。计算该点的判别式 D = fxxfyy − fxy²。

f(x, y) = −x² + 4xy − y² + 18x − 18y − 1P = (3, −3)
D =
11.数列与级数中等
xx₀ = 0??R

求幂级数 Σk=1∞ 4ᵏx²ᵏ/k 的收敛半径 R。

Σ 4ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.数列与级数困难

f(x) = ln(1 + x) 在 x = 0.5 处用其 3 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 = 3! = 6)求最大可能误差 |R₃|。

f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0.5M = 6
|R₃| =
13.拉普拉斯变换中等
ReIm5

用配方法求 F(s) = (4s + 10)/(s² + 6s + 45) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (4s + 10)/(s² + 6s + 45)t = 0.1 s
f(0.1) =
14.拉普拉斯变换困难
ReIm−22

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 18y = 6u 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 = 0.1 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.1)。

y″ + 6y′ + 18y = 6ut = 0.1 s
g(0.1) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t23h(t)t33

脉冲 x(t) = 3(0 ≤ t < 2 s,其他时刻为零)加到冲激响应为 h(t) = 3(0 ≤ t < 3 s,其他时刻为零)的系统上。求 t = 3.5 s 时的输出 y(3.5)。

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 3.5 s
y(3.5) =
16.卷积与线性时不变系统困难
δ(t)y′ + 2y = 10xh(t)

某系统满足 y′(t) + 2·y(t) = 10·x(t)。求它在 t = 0.5 s 时的冲激响应 h(0.5)。

y′ + 2y = 10xt = 0.5 s
h(0.5) =

3溶液

1.微分方程

答案: T = 242.3 °C

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。

冷却定律的解

T(t) = 30 + 350·e−0.01t

代入 t

T(50) = 30 + 350·0.6065 = 242.3 °C

答案

T = 242.3 °C
2.微分方程

答案: y(3) = 5.259

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)′ = 5x2 → x2y = 5x3/3 + C

初始条件

4 = 5/3 + C → C = 2.333

求值

y(3) = (5·33/3 + 2.333)/32 = 5.259

答案

y(3) = 5.259
3.矩阵与行列式

答案: c21 = −1

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

c21 = (−1)·1 + 0·3 = −1

答案

c21 = −1
4.矩阵与行列式

答案: λ = 3

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 − (3)λ + (0) = 0

求解

λ = (3 ± √(9))/2 → λ = 0, 3
λ = 3

答案

λ = 3
5.向量:点积和叉积

答案: θ = 95.6 °

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 = (−3)·(−6) + 1·6 + 5·(−6) = −6

模

|a| = √((−3)² + 1² + 5²) = 5.916
|b| = √((−6)² + 6² + (−6)²) = 10.39

相角

cos θ = −6/(5.916·10.39) = −0.09759
θ = arccos(−0.09759) = 95.6°

答案

θ = 95.6°
6.向量:点积和叉积

答案: A = 29.58 m²

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.

边向量

AB = B − A = (−1, 8, 0)
AC = C − A = (6, 6, −3)

叉积

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 8·(−3) − 0·6 = −24
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 0·6 − (−1)·(−3) = −3
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−1)·6 − 8·6 = −54
|AB × AC| = √((−24)² + (−3)² + (−54)²) = 59.17

三角形的面积

A = ½·59.17 = 29.58 m²

答案

A = 29.58 m²
7.积分

答案: I = 6.389

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) = ex/1

代入上下限

I = (e2 − 1)/1 = (7.389 − 1)/1 = 6.389

答案

I = 6.389
8.积分

答案: I = 12.78

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。

第一轮

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

第二轮

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

极限

7.389·(2) − 1·2 = 12.78

答案

I = 12.78
9.多元微积分

答案: Duf = −0.3562

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 = −4xe3y → fx(1, −1) = −0.1991
fy = −6x²e3y → fy(1, −1) = −0.2987

单位向量

|v| = √(2² + 4²) = 4.472
u = (0.4472, 0.8944)

点积

Duf = (−0.1991)·0.4472 + (−0.2987)·0.8944 = −0.3562

答案

Duf = −0.3562
10.多元微积分

答案: D = −12

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 = −2, fyy = −2, fxy = 4

判别式

D = (−2)·(−2) − 4² = −12
→ 鞍点

答案

D = −12
11.数列与级数

答案: R = 0.5

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

该级数是关于 x² 的:它在 4·x² < 1 时收敛,所以 |x| < 1/2。

半径

R = 0.5

答案

R = 0.5

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: |R₃| = 0.01563

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 = 3! = 6

拉格朗日误差界

|R₃| ≤ 6·0.5⁴/4! = 0.01563

答案

|R₃| = 0.01563

真实误差更小:|f(0.5) − P₃(0.5)| = 0.0112。

13.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 2.306

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 + 6s + 45 = (s + 3)² + 36 = (s + 3)² + 6²

匹配分子

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 6²) + (−2/6)·6/((s + 3)² + 6²)

逆变换

f(t) = e−3t·(4·cos 6t − 0.3333·sin 6t)
f(0.1) = e−3·0.1·(4·cos(6·0.1) − 0.3333·sin(6·0.1)) = 2.306

答案

f(0.1) = 2.306
14.拉普拉斯变换

答案: g(0.1) = 0.4379

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) = 6/(s² + 6s + 18)

部分分式

s² + 6s + 18 = (s + 3)² + 3²
G(s) = (6/3)·3/((s + 3)² + 3²)

冲激响应

g(t) = e−3t·(2·sin 3t)
g(0.1) = 0.4379

答案

g(0.1) = 0.4379
15.卷积与线性时不变系统

答案: y(3.5) = 13.5

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)。

翻转后脉冲的重叠

h(t − τ) 是把 h 的脉冲翻转并平移,使其结束于 τ = t。

τ ∈ [0.5, 2] → 长度 1.5 s

积分

y(3.5) = 3·3·1.5 = 13.5

答案

y(3.5) = 13.5

y(t) 是梯形:从 0 上升,保持在 18,并在 t = 5 s 时回落到 0。

16.卷积与线性时不变系统

答案: h(0.5) = 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 + 2)

冲激响应

h(t) = 10·e−2tu(t)
h(0.5) = 10·e−1 = 3.679

答案

h(0.5) = 3.679

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