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→∞ (−2x2 + 3x − 8)/(3x2 + 2x + 2)。

f(x) = (−2x2 + 3x − 8)/(3x2 + 2x + 2)x → ∞
L =
2.极限困难
xyx = 0

求极限 L = limx→0 ln(1 + 4x)/sin(3x),x 以弧度计。

f(x) = ln(1 + 4x)/sin(3x)x → 0
L =
3.导数中等
xyx = 1

设 f(x) = (2x + 1)5。求 f′(1)。

f(x) = (2x + 1)5x = 1
f′(1) =
4.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 7.5x2 + 18x − 3。求局部极大值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 7.5x2 + 18x − 3
x =
5.积分中等
xy12

计算 I = ∫12 2/x dx。

f(x) = 2/x[1, 2]
I =
6.积分困难
xy1y = x²eˣ

计算 I = ∫₀1 x²·eˣ dx。

∫₀1 x²eˣ dx
I =
7.复数中等
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

求 z = −6 − j6 的辐角 θ,以度为单位,取 −180° 到 180° 之间的主值。

z = −6 − j6
θ = °
8.复数困难
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄z₅

n = 6、w = 729∠−90° 时,zⁿ = w 的根为 zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n),k = 0, 1, …, 5。求 z₄ 的虚部。

w = 729∠−90°n = 6k = 4
Im(z₄) =
9.微分方程中等
tyy(0) = 3y(1) = ?

解 y″ + 4y′ + 4y = 0,其中 y(0) = 3,y′(0) = 2。求 y(1)。

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1) =
10.微分方程困难
xy13(1, 5)y(3) = ?

求解初值问题 y′ + 3y/x = 4,x > 0,y(1) = 5。求 y(3)。

y′ + 3y/x = 4y(1) = 5
y(3) =
11.矩阵与行列式中等
A =−14352141−3

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [−1 4 3; 5 2 1; 4 1 −3]
det A =
12.矩阵与行列式困难
A =352−4b =−1−10

解方程组 3x + 5y = −1 和 2x − 4y = −10。求 x。

3x + 5y = −12x − 4y = −10
x =
13.向量:点积和叉积中等
xyzdFAB

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

F = (5, 25, −30) NA(−4, 3, −1) mB(−5, −3, 5) m
W = J
14.向量:点积和叉积困难
xyzrFOA

一个力 F = (40, 10, −20) N 作用在点 A(0, −3, 3)。坐标单位为米。 求该力对 点 O(2, −1, 1) 的力矩的大小 |M|。

F = (40, 10, −20) NA(0, −3, 3) mO(2, −1, 1) m
|M| = N·m
15.概率中等
红球: 3蓝球: 5

袋中有 3 个红球和 5 个蓝球。不放回地依次摸出两个球。两个都是红球的概率 P 是多少?

3 / 5
P =
16.概率困难
n = 8, p = 0.6: P(X = 1) = ?k012345678

一份测试有 8 道选择题。一名靠猜的学生每题答对的概率为 0.6,相互独立。恰好答对 1 题的概率 P 是多少?

n = 8p = 0.6k = 1
P =
17.描述统计中等
15202530354045

求数据的样本标准差 s:22, 48, 11, 16, 36, 48。

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 70,标准差为 8。数值低于 66 的比例 P 是多少?

μ = 70σ = 8x = 66
P =
19.正态分布中等
2335P = ?

配送时间服从正态分布,均值为 32 min,标准差为 6 min。介于 23 和 35 min 之间的比例是多少?P 以小数表示。

μ = 32σ = 6x1 = 23x2 = 35
P =
20.正态分布困难
μ = 100x = ?99%

智商分数服从正态分布,均值为 100 分,标准差为 15 分。求数值 x,使得有 99% 的数据低于它(第 99 百分位数)。

μ = 100σ = 15P = 99%
x = 分

3溶液

1.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)。

除以最高次幂

(−2 + 3/x + (−8)/x2)/(3 + 2/x + 2/x2)

令 x → ∞

L = −2/3 = −0.6667

答案

L = −0.6667

次数相同时,极限为首项系数之比。

2.极限

答案: L = 1.333

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 [4/(1 + 4x)]/[3·cos 3x]

代入 x = 0

L = 4/3 = 1.333

答案

L = 1.333
3.导数

答案: f′(1) = 810

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。

链式法则

f′(x) = 5·(2x + 1)4·2

代入

f′(1) = 5·34·2 = 810

答案

f′(1) = 810
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 = 1.386

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) = 2·ln x

代入上下限

I = 2·(ln 2 − ln 1) = 2·ln 2 = 1.386

答案

I = 1.386
6.积分

答案: I = 0.7183

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。

第一轮

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

第二轮

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

极限

2.718·(1) − 1·2 = 0.7183

答案

I = 0.7183
7.复数

答案: θ = −135 °

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 = −6, b = −6 → III

参考角

α = atan(6/6) = 45°

辐角

θ = −(180° − α) = −135°

答案

θ = −135°

极坐标形式为 z = 8.485∠−135°。

8.复数

答案: Im(z₄) = −2.121

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

7291/6 = 3

根的辐角

θ₄ = (−90° + 360°·4)/6 = 225° → −135°

直角坐标形式

z₄ = 3·(cos −135° + j sin −135°) = −2.121 − j2.121
Im(z₄) = −2.121

答案

Im(z₄) = −2.121

6 个根位于半径为 3 的圆上,彼此相隔 60°。

9.微分方程

答案: y(1) = 1.489

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 + 2)² = 0 → r = −2

常数

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 6 = 8

求值

y(1) = (3 + 8·1)·e−2 = 1.489

答案

y(1) = 1.489
10.微分方程

答案: y(3) = 3.148

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∫3/x dx = x3

积分

(x3y)′ = 4x3 → x3y = 4x4/4 + C

初始条件

5 = 4/4 + C → C = 4

求值

y(3) = (4·34/4 + 4)/33 = 3.148

答案

y(3) = 3.148
11.矩阵与行列式

答案: det A = 74

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 = −7, M₁₂ = −19, M₁₃ = −3

代数余子式展开

det A = (−1)·(−7) − 4·(−19) + 3·(−3) = 74

答案

det A = 74
12.矩阵与行列式

答案: x = −2.455

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 = 3·(−4) − 5·2 = −22

替换 x 列

det Aₓ = (−1)·(−4) − 5·(−10) = 54
x = 54/(−22) = −2.455

答案

x = −2.455
y = 1.273
13.向量:点积和叉积

答案: W = −335 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 = (−5, −3, 5) − (−4, 3, −1) = (−1, −6, 6) m

功

W = F·d = 5·(−1) + 25·(−6) + (−30)·6 = −335 J

答案

W = −335 J

负功:力主要与运动方向相反。

14.向量:点积和叉积

答案: |M| = 74.83 N·m

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.

从 O 到 A 的位置向量

r = A − O = (0, −3, 3) − (2, −1, 1) = (−2, −2, 2) m

力矩 M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−2)·(−20) − 2·10 = 20 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·40 − (−2)·(−20) = 40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·10 − (−2)·40 = 60 N·m

模

|M| = √(20² + 40² + 60²) = 74.83 N·m

答案

|M| = 74.83 N·m
15.概率

答案: P = 0.1071

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。

第一次和第二次摸球

P = 3/8 · 2/7 = 6/56 = 0.1071

答案

P = 0.1071
16.概率

答案: P = 0.007864

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。

二项分布公式

P(X = 1) = 8·0.61·0.47 = 8·0.6·0.001638 = 0.007864

答案

P = 0.007864
17.描述统计

答案: s = 16.15

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 = 181/6 = 30.17

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−8.167)² + 17.83² + (−19.17)² + (−14.17)² + 5.833² + 17.83² = 1305

标准差

s = √(1305/5) = 16.15

答案

s = 16.15
18.描述统计

答案: P = 0.3085

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 = −0.5

标准正态分布表

Φ(−0.5) = 0.3085
P = 0.3085

答案

P = 0.3085
19.正态分布

答案: P = 0.6247

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

z 分数

z₁ = (23 − 32)/6 = −1.5
z₂ = (35 − 32)/6 = 0.5

中间面积

P = Φ(0.5) − Φ(−1.5) = 0.6915 − 0.06681 = 0.6247

答案

P = 0.6247
20.正态分布

答案: x = 134.9 分

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

该百分位数对应的 z

Φ(z) = 0.99 → z = 2.326

换算回 x

x = 100 + 2.326·15 = 134.89 分

答案

x = 134.89 分

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