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)8Ta​14 °C

一罐 5 °C 的汽水从冰箱中取出,放到 25 °C 的房间里。 8 min 后其温度为 14 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 求常数 k,以 min⁻¹ 计。

T0 = 5 °CTa = 25 °CT(8) = 14 °C
k = min⁻¹
2.微分方程困难
ty0.5y(0.5) = ?

求解 y′ + 0.5y = 9e−t,y(0) = 4。求 y(0.5)。

y′ + 0.5y = 9e−ty(0) = 4
y(0.5) =
3.矩阵与行列式中等
A =2−11−30004−2

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [2 −1 1; −3 0 0; 0 4 −2]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =1−2−61b =−10−6

解方程组 x − 2y = −10 和 −6x + y = −6。求 x。

x − 2y = −10−6x + y = −6
x =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求使向量 a = (−6, −3, −6) 与 b = (2, −1, k) 垂直的 k 的值。

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

求平行六面体的体积 V,其从一个顶点出发的三条棱为 a = (−3, 2, 1)、b = (5, 4, −3) 和 c = (−4, 0, −2)。

a = (−3, 2, 1)b = (5, 4, −3)c = (−4, 0, −2)
V =
7.积分中等
xy11.5y = x ln x

计算 I = ∫₁1.5 x·ln x dx。

∫₁1.5 x ln x dx
I =
8.积分困难
xy−11

求抛物线 y = 1 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 1 − x²
A =
9.多元微积分中等

z = 4xy² + 3x³ + y² − 4xy,其中 x = −3t + 2,y = −2t² − 1。用链式法则求 t = −1 时的 dz/dt。

z = 4xy² + 3x³ + y² − 4xyx = −3t + 2y = −2t² − 1t = −1
dz/dt =
10.多元微积分困难
xy1.5

用极坐标计算 I = ∬R (x² + y²) dA,其中 R 是圆盘 x² + y² ≤ 2.25。

f = x² + y²0 ≤ r ≤ 1.50 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.数列与级数中等
AΣ 1/k⁴k = 1 … ∞BΣ (4k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞CΣ 1/√kk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

四个级数中恰有一个收敛。点选它。

A: Σ 1/k⁴B: Σ (4k + 1)/(k + 2)C: Σ 1/√kD: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 1/k⁴
  2. 2B: Σ (4k + 1)/(k + 2)
  3. 3C: Σ 1/√k
  4. 4D: Σ ln k / k
12.数列与级数困难

识别该级数并求它的和:S = Σk=1∞ k·0.25ᵏ。

ak = k·0.25ᵏ
S =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.5f(0.5) = ?

求 F(s) = (2s + 23)/(s² + 6s + 9) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。

F(s) = (2s + 23)/(s² + 6s + 9)t = 0.5 s
f(0.5) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = −3,y′(0) = −6,并求 y(0.6)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = −3y′(0) = −6t = 0.6 s
y(0.6) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t10h(t)t1

输入 x(t) = 10·e−6tu(t) 加到 h(t) = e−2tu(t) 的系统上。求 t = 0.5 s 时的输出 y(0.5)。

x(t) = 10·e−6tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
16.卷积与线性时不变系统困难
u[n]0.5+y[n]0.5·z⁻¹+

某系统满足 y[n] = 0.5·y[n − 1] + 0.5·x[n],初始状态为静止。输入为单位阶跃 x[n] = u[n]。求 y[3]。

y[n] = 0.5y[n − 1] + 0.5x[n]x[n] = u[n]
y[3] =

3溶液

1.微分方程

答案: k = 0.07473 min⁻¹

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。

温差之比

e−8k = -11/-20

解出 k

k = ln(-20/-11)/8 = 0.07473 min⁻¹

答案

k = 0.07473 min⁻¹
2.微分方程

答案: y(0.5) = 6.216

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 = e0.5t
(e0.5ty)′ = 9e−0.5t

通解

y = 9/(−0.5)·e−t + C·e−0.5t = −18·e−t + C·e−0.5t

初始条件

4 = −18 + C → C = 22

求值

y(0.5) = −18·0.6065 + 22·0.7788 = 6.216

答案

y(0.5) = 6.216
3.矩阵与行列式

答案: det A = −6

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 = 0, M₁₂ = 6, M₁₃ = −12

代数余子式展开

det A = 2·0 − (−1)·6 + 1·(−12) = −6

答案

det A = −6
4.矩阵与行列式

答案: x = 2

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 = 1·1 − (−2)·(−6) = −11

替换 x 列

det Aₓ = (−10)·1 − (−2)·(−6) = −22
x = −22/(−11) = 2

答案

x = 2
y = 6
5.向量:点积和叉积

答案: k = −1.5

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 = (−6)·2 + (−3)·(−1) + (−6)·k = 0
−9 + (−6)·k = 0

解出 k

k = −(−9)/(−6) = −1.5

答案

k = −1.5
6.向量:点积和叉积

答案: V = 84

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 4·(−2) − (−3)·0 = −8
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−3)·(−4) − 5·(−2) = 22
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·0 − 4·(−4) = 16

与 a 的点积

a·(b × c) = (−3)·(−8) + 2·22 + 1·16 = 84
V = |84| = 84

答案

V = 84
7.积分

答案: I = 0.1436

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

原函数

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

极限

(1.125·ln 1.5 − 0.5625) − (0 − 0.25) = 0.1436

答案

I = 0.1436
8.积分

答案: A = 1.333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

积分

A = [1x − x³/3]−11 = 0.6667 − (−0.6667) = 1.333

答案

A = 1.333
9.多元微积分

答案: dz/dt = −1403

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(−1) = 5, y(−1) = −3
dx/dt = −3, dy/dt = −4t = 4

偏导数

fx = 4y² + 9x² − 4y = 273
fy = 8xy + 2y − 4x = −146

链式法则

dz/dt = 273·(−3) + (−146)·4 = −1403

答案

dz/dt = −1403
10.多元微积分

答案: I = 7.952

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 = ∫02π ∫01.5 r²·r dr dθ

积分

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 7.952

答案

I = 7.952
11.数列与级数

答案: A: Σ 1/k⁴

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。

检验每个级数

A: Σ 1/k⁴ → p-级数,p = 4 > 1:收敛。
B: Σ (4k + 1)/(k + 2) → 各项趋于 4,而不是 0:由通项判别法,发散。
C: Σ 1/√k → p-级数,p = 1/2 ≤ 1:发散。
D: Σ ln k / k → 当 k ≥ 3 时大于 1/k:与调和级数比较,发散。

答案

A: Σ 1/k⁴

答案

A: Σ 1/k⁴
12.数列与级数

答案: S = 0.4444

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。

标准级数

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

代入

x = 0.25
S = 0.25/(1 − 0.25)² = 0.4444

答案

S = 0.4444
13.拉普拉斯变换

答案: f(0.5) = 2.343

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

部分分式

2s + 23 = 2(s + 3) + 17
F(s) = 2/(s + 3) + 17/(s + 3)²

逆变换

f(t) = 2·e−3t + 17·t·e−3t
f(0.5) = (2 + 17·0.5)·e−3·0.5 = 2.343

答案

f(0.5) = 2.343
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = −3.021

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 − (−3)s − (−6) + 5(sY − (−3)) + 4Y = 0
Y(s) = (−3s − 21)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = −18/3 = −6
B = −9/(−3) = 3

结果

y(t) = −6·e−t + 3·e−4t
y(0.6) = −3.021

答案

y(0.6) = −3.021

检验:y(0) = A + B = −3。

15.卷积与线性时不变系统

答案: y(0.5) = 0.7952

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)。

卷积积分

y(t) = 10e−2t∫₀ᵗ e−(6 − 2)τ dτ = 10(e−2t − e−6t)/(4)

求值

y(0.5) = 10·(0.3679 − 0.04979)/(4) = 0.7952

答案

y(0.5) = 0.7952
16.卷积与线性时不变系统

答案: y[3] = 0.9375

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] = 0.5
y[1] = 0.75
y[2] = 0.875
y[3] = 0.9375

结果

y[3] = 0.5·(1 − (0.5)4)/(1 − 0.5) = 0.9375

答案

y[3] = 0.9375

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