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)52Ta​107 °C72 °C

一个 400 °C 的钢锻件放在 29 °C 的车间里冷却。 52 min 后其温度为 107 °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 72 °C?

T0 = 400 °CTa = 29 °CT(52) = 107 °CT = 72 °C
t = min
2.微分方程困难
t (min)m (kg)75 minm = ?

一个水箱装有 500 L 纯水。 每升含盐 0.1 kg 的盐水以 10 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 75 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0.1 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.矩阵与行列式中等
A =4−1−2−2−512−33

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [4 −1 −2; −2 −5 1; 2 −3 3]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =3−21−3b =−911

解方程组 3x − 2y = −9 和 x − 3y = 11。求 x。

3x − 2y = −9x − 3y = 11
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求向量 a = (3, −6, 2) 与 b = (−1, −1, 0) 之间的夹角 θ,以度为单位。

a = (3, −6, 2)b = (−1, −1, 0)
θ = °
6.向量:点积和叉积困难
xyzab

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

a = (−2, −4, −5)b = (−2, −5, −4)n̂z > 0
n̂y =
7.积分中等
xy13

计算 I = ∫13 2/x dx。

f(x) = 2/x[1, 3]
I =
8.积分困难
xyy = 2x2​y = 4x

求由 y = 2x2 和 y = 4x 围成区域的面积 A。

y = 2x2y = 4x
A =
9.多元微积分中等

z = −3x³y − 2x³,其中 x = 2t − 2,y = −t² − 2。用链式法则求 t = 2 时的 dz/dt。

z = −3x³y − 2x³x = 2t − 2y = −t² − 2t = 2
dz/dt =
10.多元微积分困难
xyx = 0.8y = x0.8

积分 I = ∫00.8 ∫y0.8 cos(x²) dx dy 无法按这个顺序计算。请交换积分顺序并计算它。

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 0.8
I =
11.数列与级数中等
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

对 Σk=1∞ k³·2ᵏ/3ᵏ 应用比值判别法。求 L = lim |ak+1/ak|。

ak = k³·2ᵏ/3ᵏ
L =
12.数列与级数困难

f(x) = cos x 在 x = 0.5 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) = cos xn = 5x = 0.5M = 1
|R₅| =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

求 F(s) = (4s + 11)/(s² + 8s + 16) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (4s + 11)/(s² + 8s + 16)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) = ?

某系统满足 y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t),y(0) = 6,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 1。用拉普拉斯变换求 y(0.25)。

y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.25 s
y(0.25) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t02h(t)t35

信号 x(t) 仅在 t = 0 s 到 t = 2 s 之间非零,h(t) 仅在 t = 3 s 到 t = 5 s 之间非零。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 开始的时刻 tstart。

x: 0 … 2 sh: 3 … 5 s
tstart = s
16.卷积与线性时不变系统困难
u[n]3+y[n]0.4·z⁻¹+

某系统满足 y[n] = 0.4·y[n − 1] + 3·x[n],初始状态为静止。输入为单位阶跃 x[n] = u[n]。求 y[2]。

y[n] = 0.4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 71.86 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(371/78)/52 = 0.02999 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(371/43)/0.02999 = 71.86 min

答案

t = 71.86 min
2.微分方程

答案: m = 38.84 kg

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。

列方程

dm/dt = 10·0.1 − (10/500)·m = 1 − 0.02·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 50 + (−50)·e−t/50

代入 t

m(75) = 50 + (−50)·0.2231 = 38.84 kg

答案

m = 38.84 kg
3.矩阵与行列式

答案: det A = −88

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 = −12, M₁₂ = −8, M₁₃ = 16

代数余子式展开

det A = 4·(−12) − (−1)·(−8) + (−2)·16 = −88

答案

det A = −88
4.矩阵与行列式

答案: x = −7

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 = 3·(−3) − (−2)·1 = −7

替换 x 列

det Aₓ = (−9)·(−3) − (−2)·11 = 49
x = 49/(−7) = −7

答案

x = −7
y = −6
5.向量:点积和叉积

答案: θ = 72.36 °

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·(−1) + (−6)·(−1) + 2·0 = 3

模

|a| = √(3² + (−6)² + 2²) = 7
|b| = √((−1)² + (−1)² + 0²) = 1.414

相角

cos θ = 3/(7·1.414) = 0.303
θ = arccos(0.303) = 72.36°

答案

θ = 72.36°
6.向量:点积和叉积

答案: n̂y = 0.212

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 = (−4)·(−4) − (−5)·(−5) = −9
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−2) − (−2)·(−4) = 2
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·(−5) − (−4)·(−2) = 2

归一化

a × b 的 z 分量已经为正。

|a × b| = √((−9)² + 2² + 2²) = 9.434
n̂ = (−9, 2, 2)/9.434 = (−0.954, 0.212, 0.212)
n̂y = 0.212

答案

n̂y = 0.212
7.积分

答案: I = 2.197

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) = 2·ln x

代入上下限

I = 2·(ln 3 − ln 1) = 2·ln 3 = 2.197

答案

I = 2.197
8.积分

答案: A = 2.667

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 = 4x → x = 0, x = 2

对上减下积分

A = [2x2 − 0.6667x3]02 = 2.667

答案

A = 2.667
9.多元微积分

答案: dz/dt = 480

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(2) = 2, y(2) = −6
dx/dt = 2, dy/dt = −2t = −4

偏导数

fx = −9x²y − 6x² = 192
fy = −3x³ = −24

链式法则

dz/dt = 192·2 + (−24)·(−4) = 480

答案

dz/dt = 480
10.多元微积分

答案: I = 0.2986

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)。

区域

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0.8

交换顺序

I = ∫00.8 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫00.8 x·cos(x²) dx

代换 u = x²

I = [sin(x²)/2]00.8 = 0.2986

答案

I = 0.2986
11.数列与级数

答案: L = 0.6667

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| = ((k + 1)/k)³·2/3 → 2/3

结论

L = 0.6667 < 1

答案

L = 0.6667

L < 1,所以级数收敛。

12.数列与级数

答案: |R₅| = 2.17 × 10⁻⁵

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| ≤ 1·0.5⁶/6! = 2.17 × 10⁻⁵

答案

|R₅| = 2.17 × 10⁻⁵

真实误差更小:|f(0.5) − P₅(0.5)| = 2.16 × 10⁻⁵。

13.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 2.346

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)。

分解分母

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

部分分式

4s + 11 = 4(s + 4) + −5
F(s) = 4/(s + 4) − 5/(s + 4)²

逆变换

f(t) = 4·e−4t − 5·t·e−4t
f(0.1) = (4 − 5·0.1)·e−4·0.1 = 2.346

答案

f(0.1) = 2.346
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 5.728

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

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 6s + 24 + 6/s
Y(s) = (6s² + 24s + 6)/(s(s + 1)(s + 3))

部分分式

A = 6/(1·3) = 2
B = −12/((−1)·2) = 6
C = −12/((−3)·(−2)) = −2

结果

y(t) = 2 + 6·e−t − 2·e−3t
y(0.25) = 5.728

答案

y(0.25) = 5.728

检验:y(0) = A + B + C = 6。

15.卷积与线性时不变系统

答案: tstart = 3 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 = 0 + 3 = 3 s
tend = 2 + 5 = 7 s

答案

tstart = 3 s

答案

tstart = 3 s
16.卷积与线性时不变系统

答案: y[2] = 4.68

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)|。

迭代

y[0] = 3
y[1] = 4.2
y[2] = 4.68

结果

y[2] = 3·(1 − (0.4)3)/(1 − 0.4) = 4.68

答案

y[2] = 4.68

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