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)26Ta​24 °C63 °C

一杯 80 °C 的咖啡放在 20 °C 的房间里。 26 min 后其温度为 24 °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 63 °C?

T0 = 80 °CTa = 20 °CT(26) = 24 °CT = 63 °C
t = min
2.微分方程困难
tyK = 1ymax​ = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 3y′ + 18.25y = 18.25,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求其阶跃响应的峰值 ymax。

y″ + 3y′ + 18.25y = 18.25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.矩阵与行列式中等
A =0−13−1−14−4−30

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [0 −1 3; −1 −1 4; −4 −3 0]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =6−661b =16

解方程组 6x − 6y = 1 和 6x + y = 6。求 x。

6x − 6y = 16x + y = 6
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求使向量 a = (2, −2, −3) 与 b = (−1, 4, k) 垂直的 k 的值。

a = (2, −2, −3)b = (−1, 4, k)
k =
6.向量:点积和叉积困难
xyzab

单位向量 n̂ 与 a = (−1, 0, 2) 和 b = (3, −1, −3) 都垂直,且 z 分量为正。求它的 x 分量 n̂x。

a = (−1, 0, 2)b = (3, −1, −3)n̂z > 0
n̂x =
7.积分中等
xy01

计算 I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.积分困难
xy−33

求抛物线 y = 9 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 9 − x²
A =
9.多元微积分中等
xy2−1∇fP

对于 f(x, y) = 3x²e2y,求 f 在点 (2, −1) 处的最大变化率,即 |∇f|。

f(x, y) = 3x²e2yP = (2, −1)
|∇f| =
10.多元微积分困难
xy2

用极坐标计算 I = ∬R e−(x² + y²) dA,其中 R 是圆盘 x² + y² ≤ 4 的上半部分 (y ≥ 0)。

f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π
I =
11.数列与级数中等
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

对 Σk=1∞ (k!)²·5ᵏ/(2k)! 应用比值判别法。求 L = lim |ak+1/ak|。

ak = (k!)²·5ᵏ/(2k)!
L =
12.数列与级数困难

f(x) = cos x 在 x = 2 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 = 2M = 1ε = 0.0001
n =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 1.2f(1.2) = ?

求 F(s) = (2s + 15)/(s² + 2s + 1) 对应的 f(t),并计算 f(1.2)。

F(s) = (2s + 15)/(s² + 2s + 1)t = 1.2 s
f(1.2) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

某系统满足 y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 2。用拉普拉斯变换求 y(0.5)。

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.5 s
y(0.5) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t21h(t)t1

脉冲 x(t) = 1(0 ≤ t < 2 s,其他时刻为零)加到 h(t) = e−5tu(t) 的系统上。求脉冲结束之后 t = 3 s 时的输出 y(3)。

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−5tu(t)t = 3 s
y(3) =
16.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)510202−2

方波在 +2 和 −2 之间切换,周期 T = 10 ms(每个电平各占半个周期)。求它在 100 Hz 处的傅里叶分量幅值 c1。

±2T = 10 msf = 100 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程

答案: t = 3.199 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(60/4)/26 = 0.1042 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(60/43)/0.1042 = 3.199 min

答案

t = 3.199 min
2.微分方程

答案: ymax = 1.308

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 = 1, r = −1.5 ± 4j

由初值求常数

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1.5A + 4B = 0 → B = −0.375

峰值

t = π/4 = 0.7854
ymax = 1·(1 + e−1.5·π/4) = 1.308

答案

ymax = 1.308
3.矩阵与行列式

答案: det A = 13

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 = 16, M₁₃ = −1

代数余子式展开

det A = 0·12 − (−1)·16 + 3·(−1) = 13

答案

det A = 13
4.矩阵与行列式

答案: x = 0.881

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 = 6·1 − (−6)·6 = 42

替换 x 列

det Aₓ = 1·1 − (−6)·6 = 37
x = 37/42 = 0.881

答案

x = 0.881
y = 0.7143
5.向量:点积和叉积

答案: k = −3.333

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.

点积等于零

a·b = 2·(−1) + (−2)·4 + (−3)·k = 0
−10 + (−3)·k = 0

解出 k

k = −(−10)/(−3) = −3.333

答案

k = −3.333
6.向量:点积和叉积

答案: n̂x = 0.5345

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 = 0·(−3) − 2·(−1) = 2
(a × b)y = azbx − axbz = 2·3 − (−1)·(−3) = 3
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·(−1) − 0·3 = 1

归一化

a × b 的 z 分量已经为正。

|a × b| = √(2² + 3² + 1²) = 3.742
n̂ = (2, 3, 1)/3.742 = (0.5345, 0.8018, 0.2673)
n̂x = 0.5345

答案

n̂x = 0.5345
7.积分

答案: I = 3.75

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 u3 du

积分并代入上下限

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3.75

答案

I = 3.75
8.积分

答案: A = 36

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。

零点

9 − x² = 0 → x = ±3

积分

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

答案

A = 36
9.多元微积分

答案: |∇f| = 3.631

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 = 6xe2y → fx(2, −1) = 1.624
fy = 6x²e2y → fy(2, −1) = 3.248

梯度的长度

|∇f| = √(1.624² + 3.248²) = 3.631

答案

|∇f| = 3.631
10.多元微积分

答案: I = 1.542

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)。

极坐标形式

I = ∫0π ∫02 e−r²·r dr dθ

积分

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 1.542

答案

I = 1.542
11.数列与级数

答案: L = 1.25

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| = 5·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 5/4

结论

L = 1.25 > 1

答案

L = 1.25

L > 1,所以级数发散。

12.数列与级数

答案: n = 10

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012122261.3333240.666741200.266757200.08889650400.02547403200.00634983628800.001411936288000.000282210399168005.131 × 10⁻⁵

n 增大时的误差界

n = 9: 0.0002822 ≥ 0.0001
n = 10: 5.131 × 10⁻⁵ < 0.0001

最小次数

n = 10

答案

n = 10
13.拉普拉斯变换

答案: f(1.2) = 5.301

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

部分分式

2s + 15 = 2(s + 1) + 13
F(s) = 2/(s + 1) + 13/(s + 1)²

逆变换

f(t) = 2·e−t + 13·t·e−t
f(1.2) = (2 + 13·1.2)·e−1.2 = 5.301

答案

f(1.2) = 5.301
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 4.325

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 + 7s + 10)·Y(s) = 3s + 21 + 60/s
Y(s) = (3s² + 21s + 60)/(s(s + 2)(s + 5))

部分分式

A = 60/(2·5) = 6
B = 30/((−2)·3) = −5
C = 30/((−5)·(−3)) = 2

结果

y(t) = 6 − 5·e−2t + 2·e−5t
y(0.5) = 4.325

答案

y(0.5) = 4.325

检验:y(0) = A + B + C = 3。

15.卷积与线性时不变系统

答案: y(3) = 0.001348

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(2) = (1/5)(1 − e−10) = 0.2

脉冲结束后的衰减

y(3) = 0.2·e−5·1 = 0.001348

答案

y(3) = 0.001348
16.卷积与线性时不变系统

答案: c1 = 2.546

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 = 100 Hz → k = 100/100 = 1

振幅

c1 = 4·2/(1π) = 2.546

答案

c1 = 2.546

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