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。

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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→∞ (√(x2 + 8x) − x)。

f(x) = √(x2 + 8x) − xx → ∞
L =
2.极限困难
xyx = 0

求极限 L = limx→0 (1 − cos 4x)/(4x²),x 以弧度计。

f(x) = (1 − cos 4x)/(4x²)x → 0
L =
3.导数中等
xyx = 1

设 f(x) = ln(2x2 + 1)。求 f′(1)。

f(x) = ln(2x2 + 1)x = 1
f′(1) =
4.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 10.5x2 + 30x + 1。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 10.5x2 + 30x + 1
x =
5.积分中等
xy13y = x ln x

计算 I = ∫₁3 x·ln x dx。

∫₁3 x ln x dx
I =
6.积分困难
xy1.333y = 4xy = 3x²

将直线 y = 4x 与抛物线 y = 3x² 之间的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体的体积 V。

y = 4xy = 3x²
V =
7.复数中等
ReIm55−5−5θz

求 z = −3 + j8 的辐角 θ,以度为单位,取 −180° 到 180° 之间的主值。

z = −3 + j8
θ = °
8.复数困难
ReIm22−2−244−4−466−6−6ABCD

A–D 各点中恰有一个是 z⁶ = 729∠−90° 的根。点选它。

w = 729∠−90°n = 6
  1. 1A (5.4∠−15°)
  2. 2B (3∠−90°)
  3. 3C (3∠15°)
  4. 4D (3∠−15°)
9.微分方程中等
t (min)T (°C)24Ta​28 °C24 °C

一杯 92 °C 的咖啡放在 20 °C 的房间里。 24 min 后其温度为 28 °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 24 °C?

T0 = 92 °CTa = 20 °CT(24) = 28 °CT = 24 °C
t = min
10.微分方程困难
xy12(1, 2)y(2) = ?

求解初值问题 y′ + 2y/x = x,x > 0,y(1) = 2。求 y(2)。

y′ + 2y/x = xy(1) = 2
y(2) =
11.矩阵与行列式中等
A =43−5−1B =−5−3−5−2

对所示矩阵令 C = AB。求元素 c11(第 1 行,第 1 列)。

A = [4 3; −5 −1]B = [−5 −3; −5 −2]
c11 =
12.矩阵与行列式困难
A =43−33b =−4−12

解方程组 4x + 3y = −4 和 −3x + 3y = −12。求 x。

4x + 3y = −4−3x + 3y = −12
x =
13.向量:点积和叉积中等
xyzdFAB

一个恒力 F = (−25, −15, −30) N 作用在物体上,物体沿直线从点 A(3, −4, −5) 运动到点 B(3, −5, −1)。坐标单位为米。求该力所做的功 W。

F = (−25, −15, −30) NA(3, −4, −5) mB(3, −5, −1) m
W = J
14.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 = (−1, −1, 5)、b = (4, 3, 1) 和 c = (−5, −5, −1)。

a = (−1, −1, 5)b = (4, 3, 1)c = (−5, −5, −1)
V =
15.概率中等
xp(x)10.2520.330.240.25μ = 2.45

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.25, 0.3, 0.2, 0.25
Var(X) =
16.概率困难
€p(x)−30.8990.1570.01

一局游戏的参与费用为 €3。你以概率 0.1 赢得 €12,以概率 0.01 赢得 €60;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€12: p = 0.1€60: p = 0.01
E(G) = €
17.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:59, 54, 17, 53, 11, 47。

n = 6
s =
18.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 50,标准差为 15。数值低于 32 的比例 P 是多少?

μ = 50σ = 15x = 32
P =
19.正态分布中等
32 min28.3 minX + Y?

X 服从均值 12 min、标准差 1.5 min 的正态分布;Y 独立,服从均值 20 min、标准差 2 min 的正态分布。求 X + Y 大于 28.3 min 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 12, σX = 1.5μY = 20, σY = 2X + Y > 28.3 min
P =
20.正态分布困难
10 cm0X − Y?

一组人中男性的身高 X 与女性的身高 Y相互独立且服从正态分布:X 的均值为 180 cm,标准差为 10 cm,Y 的均值为 170 cm,标准差为 12 cm。求 X 大于 Y 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =

3溶液

1.极限

答案: L = 4

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)。

乘以共轭式

f(x) = 8x/(√(x2 + 8x) + x)

除以 x

f(x) = 8/(√(1 + 8/x) + 1)

令 x → ∞

L = 8/(1 + 1) = 4

答案

L = 4
2.极限

答案: L = 2

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)。

第一次应用

4·sin 4x/(8x) → 0/0

第二次应用

16·cos 4x/8

代入 x = 0

L = 16/8 = 2

答案

L = 2
3.导数

答案: f′(1) = 1.333

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) = 4x/(2x2 + 1)

代入

f′(1) = 4/3 = 1.333

答案

f′(1) = 1.333
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 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)

解 f′(x) = 0

x = 2 或 x = 5

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 21:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 2

答案

x = 2
5.积分

答案: I = 2.944

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

(4.5·ln 3 − 2.25) − (0 − 0.25) = 2.944

答案

I = 2.944
6.积分

答案: V = 15.89

旋转体体积:把 y = f(x) 之下、从 x = a 到 x = b 的区域绕 x 轴旋转,得到一个旋转体,它在 x 处的横截面是半径为 f(x) 的圆盘。把圆盘相加得 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx。当区域位于外曲线 R(x) 与内曲线 r(x) 之间时,每个薄片是一个垫圈:V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx。相减之前要先把半径平方。

交点

4x = 3x² → x = 0, x = 1.333

垫圈法

V = π∫₀1.333 ((4x)² − (3x²)²) dx

积分

V = π(16·1.333³/3 − 9·1.333⁵/5) = π·5.057 = 15.89

答案

V = 15.89
7.复数

答案: θ = 110.6 °

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。

象限

a = −3, b = 8 → II

参考角

α = atan(8/3) = 69.44°

辐角

θ = 180° − α = 110.6°

答案

θ = 110.6°

极坐标形式为 z = 8.544∠110.6°。

8.复数

答案: D (3∠−15°)

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。

根的模与辐角

|z| = 3
θ = −15°, 45°, 105°, 165°, −135°, −75°

该点

D = 3∠−15°

答案

D (3∠−15°)
9.微分方程

答案: t = 31.57 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(72/8)/24 = 0.09155 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(72/4)/0.09155 = 31.57 min

答案

t = 31.57 min
10.微分方程

答案: y(2) = 1.438

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 = e∫2/x dx = x2

积分

(x2y)′ = x3 → x2y = 1x4/4 + C

初始条件

2 = 1/4 + C → C = 1.75

求值

y(2) = (1·24/4 + 1.75)/22 = 1.438

答案

y(2) = 1.438
11.矩阵与行列式

答案: c11 = −35

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

c11 = 4·(−5) + 3·(−5) = −35

答案

c11 = −35
12.矩阵与行列式

答案: x = 1.143

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 = 4·3 − 3·(−3) = 21

替换 x 列

det Aₓ = (−4)·3 − 3·(−12) = 24
x = 24/21 = 1.143

答案

x = 1.143
y = −2.857
13.向量:点积和叉积

答案: W = −105 J

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.

位移

d = B − A = (3, −5, −1) − (3, −4, −5) = (0, −1, 4) m

功

W = F·d = (−25)·0 + (−15)·(−1) + (−30)·4 = −105 J

答案

W = −105 J

负功:力主要与运动方向相反。

14.向量:点积和叉积

答案: V = 26

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) − 1·(−5) = 2
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·(−5) − 4·(−1) = −1
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·(−5) − 3·(−5) = −5

与 a 的点积

a·(b × c) = (−1)·2 + (−1)·(−1) + 5·(−5) = −26
V = |−26| = 26

答案

V = 26
15.概率

答案: Var(X) = 1.247

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。

平均数

μ = 1·0.25 + 2·0.3 + 3·0.2 + 4·0.25 = 2.45

平方的均值

E(X²) = 1·0.25 + 4·0.3 + 9·0.2 + 16·0.25 = 7.25

方差

Var(X) = 7.25 − 2.45² = 1.247

答案

Var(X) = 1.247
16.概率

答案: E(G) = −1.2 €

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: 9 (p = 0.1), 57 (p = 0.01), −3 (p = 0.89)

期望值

E(G) = 9·0.1 + 57·0.01 − 3·0.89 = −1.2 €

答案

E(G) = −1.2 €

负值表示平均而言你会亏钱。

17.描述统计

答案: s = 20.71

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 = 241/6 = 40.17

离差平方

Σ(x − x̄)² = 18.83² + 13.83² + (−23.17)² + 12.83² + (−29.17)² + 6.833² = 2145

标准差

s = √(2145/5) = 20.71

答案

s = 20.71
18.描述统计

答案: P = 0.1151

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 = −1.2

标准正态分布表

Φ(−1.2) = 0.1151
P = 0.1151

答案

P = 0.1151
19.正态分布

答案: P = 0.9306

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 = 32 min, σ = √(1.5² + 2²) = 2.5 min

标准化

z = (28.3 − 32)/2.5 = −1.48

上尾

P = 1 − Φ(−1.48) = 1 − 0.06944 = 0.9306

答案

P = 0.9306
20.正态分布

答案: P = 0.7389

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 = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15.62 cm

标准化

z = (0 − 10)/15.62 = −0.64

概率

P = 1 − Φ(−0.64) = 0.7389

答案

P = 0.7389

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