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)35Ta​138 °C

一个 340 °C 的钢锻件放在 29 °C 的车间里冷却。 35 min 后其温度为 138 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 求常数 k,以 min⁻¹ 计。

T0 = 340 °CTa = 29 °CT(35) = 138 °C
k = min⁻¹
2.微分方程困难
ty1.5y(1.5) = ?

求解 y′ + 0.5y = 7e−t,y(0) = 3。求 y(1.5)。

y′ + 0.5y = 7e−ty(0) = 3
y(1.5) =
3.矩阵与行列式中等
A =133−2−4−1−525

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [1 3 3; −2 −4 −1; −5 2 5]
det A =
4.矩阵与行列式困难
A =−1−2−63

求所示矩阵 A 的较大特征值 λ。

A = [−1 −2; −6 3]
λ =
5.向量:点积和叉积中等
xyzab

求使向量 a = (−2, −5, 5) 与 b = (−2, 6, k) 垂直的 k 的值。

a = (−2, −5, 5)b = (−2, 6, 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 = (2, −2, 5)、b = (−3, −3, 5) 和 c = (0, −2, 1)。

a = (2, −2, 5)b = (−3, −3, 5)c = (0, −2, 1)
V =
7.积分中等
xy2y = x·cos x

计算 I = ∫₀2 x·cos x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀2 x·cos 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
xy02024PQ

对于 f(x, y) = ln(x² + y²),求在 P(0.5, 0.5) 处朝向 Q(2.5, 3.5) 方向的方向导数 Duf。

f(x, y) = ln(x² + y²)P = (0.5, 0.5)Q = (2.5, 3.5)
Duf =
10.多元微积分困难
xyy = xy = x²11

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

y = x²y = xf = xy
I =
11.数列与级数中等
xx₀ = 0??R

求幂级数 Σk=1∞ 16ᵏx²ᵏ/k 的收敛半径 R。

Σ 16ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.数列与级数困难

求 f(x) = 1/x 在 a = 3 处的泰勒级数中 (x − 3)³ 的系数 c₃。

f(x) = 1/xa = 3k = 3
c₃ =
13.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

求 F(s) = (2s + 26)/(s² + 4s + 4) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = (2s + 26)/(s² + 4s + 4)t = 0.75 s
f(0.75) =
14.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t),y(0) = 2,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(0.6)。

y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.6 s
y(0.6) =
15.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t24h(t)t01

信号 x(t) 仅在 t = 2 s 到 t = 4 s 之间非零,h(t) 仅在 t = 0 s 到 t = 1 s 之间非零。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 结束的时刻 tend。

x: 2 … 4 sh: 0 … 1 s
tend = s
16.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)1020404−4

方波在 +4 和 −4 之间切换,周期 T = 20 ms(每个电平各占半个周期)。求它在 50 Hz 处的傅里叶分量幅值 c1。

±4T = 20 msf = 50 Hz
c1 =

3溶液

1.微分方程

答案: k = 0.02996 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−35k = 109/311

解出 k

k = ln(311/109)/35 = 0.02996 min⁻¹

答案

k = 0.02996 min⁻¹
2.微分方程

答案: y(1.5) = 4.906

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)′ = 7e−0.5t

通解

y = 7/(−0.5)·e−t + C·e−0.5t = −14·e−t + C·e−0.5t

初始条件

3 = −14 + C → C = 17

求值

y(1.5) = −14·0.2231 + 17·0.4724 = 4.906

答案

y(1.5) = 4.906
3.矩阵与行列式

答案: det A = −45

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 = −18, M₁₂ = −15, M₁₃ = −24

代数余子式展开

det A = 1·(−18) − 3·(−15) + 3·(−24) = −45

答案

det A = −45
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 − (2)λ + (−15) = 0

求解

λ = (2 ± √(64))/2 → λ = −3, 5
λ = 5

答案

λ = 5
5.向量:点积和叉积

答案: k = 5.2

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)·(−2) + (−5)·6 + 5·k = 0
−26 + 5·k = 0

解出 k

k = −(−26)/5 = 5.2

答案

k = 5.2
6.向量:点积和叉积

答案: V = 38

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 = (−3)·1 − 5·(−2) = 7
(b × c)y = bzcx − bxcz = 5·0 − (−3)·1 = 3
(b × c)z = bxcy − bycx = (−3)·(−2) − (−3)·0 = 6

与 a 的点积

a·(b × c) = 2·7 + (−2)·3 + 5·6 = 38
V = |38| = 38

答案

V = 38
7.积分

答案: I = 0.4024

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 = cos x dx, v = sin x

原函数

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

极限

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0.4024

答案

I = 0.4024
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: Duf = 2.774

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 = 2x/(x² + y²) → fx(0.5, 0.5) = 2
fy = 2y/(x² + y²) → fy(0.5, 0.5) = 2

单位向量

|v| = √(2² + 3²) = 3.606
u = (0.5547, 0.8321)

点积

Duf = 2·0.5547 + 2·0.8321 = 2.774

答案

Duf = 2.774
10.多元微积分

答案: I = 0.04167

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 xy dy = x·(x² − x⁴)/2

外层积分

I = ∫01 (x³ − x⁵)/2 dx = 0.04167

答案

I = 0.04167
11.数列与级数

答案: R = 0.25

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。

系数

该级数是关于 x² 的:它在 16·x² < 1 时收敛,所以 |x| < 1/4。

半径

R = 0.25

答案

R = 0.25

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: c₃ = −0.01235

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) = −6/x⁴

系数

c₃ = −6/(3⁴·6) = −0.01235
c₃ = −0.01235

答案

c₃ = −0.01235
13.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 4.128

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

部分分式

2s + 26 = 2(s + 2) + 22
F(s) = 2/(s + 2) + 22/(s + 2)²

逆变换

f(t) = 2·e−2t + 22·t·e−2t
f(0.75) = (2 + 22·0.75)·e−2·0.75 = 4.128

答案

f(0.75) = 4.128
14.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 3.306

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)。

对方程做变换

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 2s + 12 + 30/s
Y(s) = (2s² + 12s + 30)/(s(s + 1)(s + 5))

部分分式

A = 30/(1·5) = 6
B = 20/((−1)·4) = −5
C = 20/((−5)·(−4)) = 1

结果

y(t) = 6 − 5·e−t + e−5t
y(0.6) = 3.306

答案

y(0.6) = 3.306

检验:y(0) = A + B + C = 2。

15.卷积与线性时不变系统

答案: tend = 5 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 = 2 + 0 = 2 s
tend = 4 + 1 = 5 s

答案

tend = 5 s

答案

tend = 5 s
16.卷积与线性时不变系统

答案: c1 = 5.093

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 = 50 Hz → k = 50/50 = 1

振幅

c1 = 4·4/(1π) = 5.093

答案

c1 = 5.093

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