工程数学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

1公式与方法

极限

直接代入
先试 x = a;得到 0/0 说明需要化简
因式分解并约去
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
共轭
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
无穷远处的极限
除以 x 的最高次幂;次数相同时极限为首项系数之比
重要极限
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
洛必达法则
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

导数

幂法则
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
乘积法则
(uv)′ = u′v + uv′
商法则
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
链式法则
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
常用导数
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

方法

  1. 识别结构:和、积、商还是复合。
  2. 对 x 的每个幂应用幂法则。
  3. 需要时使用乘积法则、商法则或链式法则。
  4. 化简,如有要求再代入该点求值。

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)。

复数

直角坐标形式
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
模与辐角
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
极坐标形式与指数形式
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
除法
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
乘积与商
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
棣莫弗定理
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n 次方根
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q 的二次方程
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

方法

  1. 根据运算选择合适的形式:加减用直角坐标形式 a + jb,乘除、乘方和开方用极坐标形式 r∠θ。
  2. 展开相乘时使用 j² = −1;做除法时把分子和分母同乘以分母的共轭。
  3. 用 r = √(a² + b²) 转换,θ 通过画出点 (a, b) 的草图得到(注意象限),再用 a = r cos θ,b = r sin θ 换回去。
  4. 乘方用棣莫弗定理,(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ;对于 zⁿ = R∠φ,列出全部 n 个根 R1/n∠((φ + 360°k)/n)。

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。

概率

补事件
P(not A) = 1 − P(A)
加法公式
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
独立事件
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
条件概率
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
二项分布
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

描述统计

平均数
x̄ = Σx/n
样本标准差
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
中位数
排序后数据的中间值
z 分数
z = (x − μ)/σ
正态分布
68% 落在 ±1σ 内,95% 落在 ±2σ 内

正态分布

z 分数
z = (x − μ)/σ
小于 x
P(X < x) = Φ(z)
大于 x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
介于两者之间
Φ(z2) − Φ(z1)
百分位数
x = μ + z·σ

方法

  1. 把数值换算为 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  2. 查 Φ(z),即 z 左侧的面积。
  3. 右侧面积用 1 − Φ(z);区间面积用两个左侧面积相减。
  4. 求百分位数时反向计算:先由面积求 z,再求 x = μ + z·σ。

2练习题

1.极限中等
xyy = L

求极限 L = limx→∞ (1 + 1/x)3x。给出小数值。

f(x) = (1 + 1/x)3xx → ∞
L =
2.极限困难
xyx = 0

求极限 L = limx→0 ln(1 + 2x)/sin(3x),x 以弧度计。

f(x) = ln(1 + 2x)/sin(3x)x → 0
L =
3.导数中等
xyx = −2

设 f(x) = ln(x2 + 5)。求 f′(−2)。

f(x) = ln(x2 + 5)x = −2
f′(−2) =
4.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 7.5x2 + 18x + 1。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 7.5x2 + 18x + 1
x =
5.积分中等
xy13

计算 I = ∫13 3/x dx。

f(x) = 3/x[1, 3]
I =
6.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 =
7.复数中等
ReIm22−2−244−4−4θz

把 z = 5∠140° 写成直角坐标形式 a + jb,并给出实部 a。

r = 5θ = 140°
a =
8.复数困难
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

解 z² + 3z + 11.25 = 0。根为 a ± jb;求 b > 0。

p = 3q = 11.25
b =
9.微分方程中等
tyy(0) = 1y(1.5) = ?

解 y″ + 6y′ + 9y = 0,其中 y(0) = 1,y′(0) = 1。求 y(1.5)。

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(1.5) =
10.微分方程困难
tyy(0) = 5y(1) = ?

解 y″ + 2y′ + 26y = 0,其中 y(0) = 5,y′(0) = 0(从静止释放)。求 y(1);角度以弧度为单位。

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
11.矩阵与行列式中等
A =5264B =−1−60−5

对所示矩阵令 C = AB。求元素 c22(第 2 行,第 2 列)。

A = [5 2; 6 4]B = [−1 −6; 0 −5]
c22 =
12.矩阵与行列式困难
A =−44−31b =−10−11

解方程组 −4x + 4y = −10 和 −3x + y = −11。求 x。

−4x + 4y = −10−3x + y = −11
x =
13.向量:点积和叉积中等
xyzab

求 a = (5, 7, −7) 与 b = (7, 4, 6) 的点积 a·b。

a = (5, 7, −7)b = (7, 4, 6)
a·b =
14.向量:点积和叉积困难
xyzABC

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

A(−1, −4, 3)B(2, −1, 1)C(−4, 1, 3)
A = m²
15.概率中等
P(至少一个六点) = ??1?2?3?4每次掷出 P(六点) = 1/6

一颗均匀骰子掷 4 次。至少掷出一次六点的概率 P 是多少?

n = 4
P =
16.概率困难
€p(x)−30.65120.3270.05

一局游戏的参与费用为 €3。你以概率 0.3 赢得 €15,以概率 0.05 赢得 €30;其余情况什么也赢不到。赌注不退还。求每局的期望净收益 E(G)。

赌注 = €3€15: p = 0.3€30: p = 0.05
E(G) = €
17.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:13, 21, 22, 47, 59, 50, 19。

n = 7
s =
18.描述统计困难
z −2−1012

考试成绩服从正态分布,平均数为 100,标准差为 15。求成绩 82 的 z 分数 z。

μ = 100σ = 15x = 82
z =
19.正态分布中等
200 mm200.5 mmX + Y?

X 服从均值 120 mm、标准差 0.3 mm 的正态分布;Y 独立,服从均值 80 mm、标准差 0.4 mm 的正态分布。求 X + Y 大于 200.5 mm 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 120, σX = 0.3μY = 80, σY = 0.4X + Y > 200.5 mm
P =
20.正态分布困难
4 s0X − Y?

运动员 A 的单圈时间 X 与运动员 B 的单圈时间 Y相互独立且服从正态分布:X 的均值为 52 s,标准差为 4 s,Y 的均值为 48 s,标准差为 3 s。求 X 大于 Y 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =

3溶液

1.极限

答案: L = 20.09

极限:先尝试直接代入。若得到 0/0,先化简:因式分解并约去公因式,或乘以共轭式。当 x → ∞ 时,分子分母同除以 x 的最高次幂。洛必达法则:若 f/g 为 0/0 或 ∞/∞ 型,则 lim f/g = lim f′/g′,分子和分母分别求导(不是用商法则)。

取对数

ln L = limx→∞ 3·x·ln(1 + 1/x)

求值

当 u → 0 时 ln(1 + u)/u → 1,所以 x·ln(1 + a/x) → a。

ln L = 3·1 = 3

还原对数

L = e3 = 20.09

答案

L = 20.09
2.极限

答案: L = 0.6667

极限:先尝试直接代入。若得到 0/0,先化简:因式分解并约去公因式,或乘以共轭式。当 x → ∞ 时,分子分母同除以 x 的最高次幂。洛必达法则:若 f/g 为 0/0 或 ∞/∞ 型,则 lim f/g = lim f′/g′,分子和分母分别求导(不是用商法则)。

洛必达法则

L = limx→0 [2/(1 + 2x)]/[3·cos 3x]

代入 x = 0

L = 2/3 = 0.6667

答案

L = 0.6667
3.导数

答案: f′(−2) = −0.4444

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

对数的链式法则

f′(x) = 2x/(x2 + 5)

代入

f′(−2) = −4/9 = −0.4444

答案

f′(−2) = −0.4444
4.导数

答案: x = 2

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

导数

f′(x) = 3x2 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)

解 f′(x) = 0

x = 2 或 x = 3

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 15:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 2

答案

x = 2
5.积分

答案: I = 3.296

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) = 3·ln x

代入上下限

I = 3·(ln 3 − ln 1) = 3·ln 3 = 3.296

答案

I = 3.296
6.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
7.复数

答案: a = −3.83

极坐标形式:z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ,其中 r = |z|,θ = arg z。换回直角坐标形式:a = r cos θ,b = r sin θ。求辐角需要考虑象限:仅当 a > 0 时 θ = atan(b/a);当 a < 0 时要加上或减去 180°。在极坐标形式下乘法很简单:模相乘,辐角相加;除法则模相除,辐角相减。

分量

a = 5·cos(140°) = −3.83
b = 5·sin(140°) = 3.214

直角坐标形式

z = −3.83 + j3.214
a = −3.83

答案

a = −3.83
8.复数

答案: b = 3

棣莫弗定理与方根:(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ。方程 zⁿ = R∠φ 恰有 n 个根,模都是 R1/n,辐角为 (φ + 360°·k)/n,k = 0, 1, …, n − 1:它们均匀分布在一个圆上,相隔 360°/n。当 p² < 4q 时,二次方程 z² + pz + q = 0 有复根 z = −p/2 ± j√(q − p²/4);实系数多项式的复根总是成共轭对 a ± jb 出现。

判别式

p² − 4q = 9 − 45 = −36 < 0

求根公式

z = (−3 ± j√36)/2 = −1.5 + j3, −1.5 − j3

答案

b = 3

答案

b = 3
9.微分方程

答案: y(1.5) = 0.07776

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。

二重根

(r + 3)² = 0 → r = −3

常数

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 3 = 4

求值

y(1.5) = (1 + 4·1.5)·e−4.5 = 0.07776

答案

y(1.5) = 0.07776
10.微分方程

答案: y(1) = 0.169

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。

复根

r = −1 ± 5j

常数

A = 5, B = 1·5/5 = 1

求值

y(1) = e−1(5·cos 5 + 1·sin 5) = 0.169

答案

y(1) = 0.169
11.矩阵与行列式

答案: c22 = −56

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

c22 = 6·(−6) + 4·(−5) = −56

答案

c22 = −56
12.矩阵与行列式

答案: x = 4.25

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 = (−4)·1 − 4·(−3) = 8

替换 x 列

det Aₓ = (−10)·1 − 4·(−11) = 34
x = 34/8 = 4.25

答案

x = 4.25
y = 1.75
13.向量:点积和叉积

答案: a·b = 21

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.

对应分量相乘再相加

a·b = 5·7 + 7·4 + (−7)·6 = 35 + 28 + (−42) = 21

答案

a·b = 21

为正:两向量的夹角小于 90°。

14.向量:点积和叉积

答案: A = 13.34 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 = (3, 3, −2)
AC = C − A = (−3, 5, 0)

叉积

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 3·0 − (−2)·5 = 10
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−2)·(−3) − 3·0 = 6
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 3·5 − 3·(−3) = 24
|AB × AC| = √(10² + 6² + 24²) = 26.68

三角形的面积

A = ½·26.68 = 13.34 m²

答案

A = 13.34 m²
15.概率

答案: P = 0.5177

概率:在等可能结果下,P(A) = 有利结果数/总数。独立事件相乘:P(A 且 B) = P(A)·P(B)。补事件常常有用:P(至少一个) = 1 − P(一个都没有)。二项分布:在 n 次独立试验中,成功概率为 p,P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ。

补事件

P(没有六点) = (5/6)4 = 0.4823
P = 1 − 0.4823 = 0.5177

答案

P = 0.5177
16.概率

答案: E(G) = 3 €

离散随机变量:概率分布列出变量能取的每个值 x 及其概率 p(x);概率介于 0 和 1 之间,且总和为 1。期望值(均值)是 E(X) = Σx·p(x),即长期平均值。方差为 Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ²,标准差为 σ = √Var(X)。对线性变换 Y = aX + b:E(Y) = a·E(X) + b,Var(Y) = a²·Var(X),σY = |a|·σX;加上常数不会改变离散程度。

净结果

G: 12 (p = 0.3), 27 (p = 0.05), −3 (p = 0.65)

期望值

E(G) = 12·0.3 + 27·0.05 − 3·0.65 = 3 €

答案

E(G) = 3 €

正值表示平均而言你会赢钱。

17.描述统计

答案: s = 18.36

描述统计:平均数是总和除以 n;中位数是排序后数据的中间值(n 为偶数时取中间两个数的平均)。样本标准差 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z 分数 z = (x − μ)/σ 表示某个值离平均数多少个标准差。

平均数

x̄ = 231/7 = 33

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−20)² + (−12)² + (−11)² + 14² + 26² + 17² + (−14)² = 2022

标准差

s = √(2022/6) = 18.36

答案

s = 18.36
18.描述统计

答案: z = −1.2

描述统计:平均数是总和除以 n;中位数是排序后数据的中间值(n 为偶数时取中间两个数的平均)。样本标准差 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z 分数 z = (x − μ)/σ 表示某个值离平均数多少个标准差。

标准化

z = (82 − 100)/15 = −1.2

答案

z = −1.2
19.正态分布

答案: P = 0.1587

正态变量的和与差:若 X 和 Y 相互独立且服从正态分布,则 X + Y 与 X − Y 也服从正态分布。均值相加或相减:E(X ± Y) = μX ± μY。方差总是相加,差也是如此:Var(X ± Y) = σX² + σY²,所以 σ = √(σX² + σY²)。标准差从不直接相加。n 个独立同分布项的总和,均值为 n·μ,标准差为 σ·√n。然后照常标准化:z = (x − 均值)/σ,再查 Φ(z)。

和的分布

μ = 200 mm, σ = √(0.3² + 0.4²) = 0.5 mm

标准化

z = (200.5 − 200)/0.5 = 1

上尾

P = 1 − Φ(1) = 1 − 0.8413 = 0.1587

答案

P = 0.1587
20.正态分布

答案: P = 0.7881

正态变量的和与差:若 X 和 Y 相互独立且服从正态分布,则 X + Y 与 X − Y 也服从正态分布。均值相加或相减:E(X ± Y) = μX ± μY。方差总是相加,差也是如此:Var(X ± Y) = σX² + σY²,所以 σ = √(σX² + σY²)。标准差从不直接相加。n 个独立同分布项的总和,均值为 n·μ,标准差为 σ·√n。然后照常标准化:z = (x − 均值)/σ,再查 Φ(z)。

差的分布

μ = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

标准化

z = (0 − 4)/5 = −0.8

概率

P = 1 − Φ(−0.8) = 0.7881

答案

P = 0.7881

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics