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→∞ (4x3 − 5x + 1)/(3x3 + 4x + 2)。

f(x) = (4x3 − 5x + 1)/(3x3 + 4x + 2)x → ∞
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 = 2

设 f(x) = ln(2x2 + 1)。求 f′(2)。

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

f(x) = x2 + 3x + 3 在 x = −1 处的切线与 y 轴交于 y = b。求 b。

f(x) = x2 + 3x + 3x = −1
b =
5.积分中等
xy02

计算 I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx。

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
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 = 6∠50° 写成直角坐标形式 a + jb,并给出虚部 b。

r = 6θ = 50°
b =
8.复数困难
ReIm11−1−122−2−2ABCD

A–D 各点中恰有一个是 z⁴ = 16∠90° 的根。点选它。

w = 16∠90°n = 4
  1. 1A (2∠157.5°)
  2. 2B (1∠112.5°)
  3. 3C (2∠−112.5°)
  4. 4D (2∠112.5°)
9.微分方程中等
t (min)T (°C)18Ta​T = ?

一杯 83 °C 的咖啡放在 23 °C 的房间里。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 已知 k = 0.11 min⁻¹,求 18 min 后的温度 T。

T0 = 83 °CTa = 23 °Ck = 0.11 min⁻¹t = 18 min
T = °C
10.微分方程困难
tyK = 10y(1) = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 2y′ + 17y = 170,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求 y(1);角度以弧度为单位。

y″ + 2y′ + 17y = 170y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
11.矩阵与行列式中等
A =−4−2−31−4−5−4−23

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [−4 −2 −3; 1 −4 −5; −4 −2 3]
det A =
12.矩阵与行列式困难
A =3−6−13b =35

解方程组 3x − 6y = 3 和 −x + 3y = 5。求 x。

3x − 6y = 3−x + 3y = 5
x =
13.向量:点积和叉积中等
xyzab

求向量 a = (5, −3, 5) 与 b = (−5, −2, −6) 之间的夹角 θ,以度为单位。

a = (5, −3, 5)b = (−5, −2, −6)
θ = °
14.向量:点积和叉积困难
xyzab

求由 a = (0, −2, 4) 和 b = (−6, 4, −2) 张成的平行四边形的面积 A。

a = (0, −2, 4)b = (−6, 4, −2)
A =
15.概率中等
P(至少一个六点) = ??1?2?3?4?5每次掷出 P(六点) = 1/6

一颗均匀骰子掷 5 次。至少掷出一次六点的概率 P 是多少?

n = 5
P =
16.概率困难
xp(x)10.2520.130.2540.1550.25μ

X 的分布如图所示,Y = −2X + 20。求 Y 的标准差 σY。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.25, 0.1, 0.25, 0.15, 0.25Y = −2X + 20
σY =
17.描述统计中等
152025303540455055

求数据的样本标准差 s:34, 14, 32, 20, 56, 58。

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 500,标准差为 75。数值高于 440 的比例 P 是多少?

μ = 500σ = 75x = 440
P =
19.正态分布中等
1020 kg1041 kgT = X₁ + … + X₁₂?

带行李的乘客的质量相互独立,服从均值 85 kg、标准差 12 kg 的正态分布。求其中 12 个的总质量超过 1041 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 12> 1041 kg
P =
20.正态分布困难
35455565758595分顶部 20%

考试成绩 服从正态分布,均值为 65 分,标准差为 10 分。拖动截断值,使阴影的前 20% 位于其右侧。求截断值 x。

μ = 65 分σ = 10 分20%
x = 分

3溶液

1.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)。

除以最高次幂

(4 + (−5)/x2 + 1/x3)/(3 + 4/x2 + 2/x3)

令 x → ∞

L = 4/3 = 1.333

答案

L = 1.333

次数相同时,极限为首项系数之比。

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′(2) = 0.8889

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′(2) = 8/9 = 0.8889

答案

f′(2) = 0.8889
4.导数

答案: b = 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。

切点和斜率

f(−1) = 1
f′(x) = 2x + 3 → f′(−1) = 1

x = 0 处的切线值

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − 1·(−1) = 2

答案

b = 2
5.积分

答案: I = 12

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。

换元

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du

积分并代入上下限

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

答案

I = 12
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: b = 4.596

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 = 6·cos(50°) = 3.857
b = 6·sin(50°) = 4.596

直角坐标形式

z = 3.857 + j4.596
b = 4.596

答案

b = 4.596
8.复数

答案: D (2∠112.5°)

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| = 2
θ = 22.5°, 112.5°, −157.5°, −67.5°

该点

D = 2∠112.5°

答案

D (2∠112.5°)
9.微分方程

答案: T = 31.28 °C

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。

冷却定律的解

T(t) = 23 + 60·e−0.11t

代入 t

T(18) = 23 + 60·0.1381 = 31.28 °C

答案

T = 31.28 °C
10.微分方程

答案: y(1) = 13.1

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。

稳态值与根

yss = 10, r = −1 ± 4j

由初值求常数

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −2.5

求值

y(1) = 10·(1 − e−1(cos 4 + 0.25·sin 4)) = 13.1

答案

y(1) = 13.1
11.矩阵与行列式

答案: det A = 108

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 = −22, M₁₂ = −17, M₁₃ = −18

代数余子式展开

det A = (−4)·(−22) − (−2)·(−17) + (−3)·(−18) = 108

答案

det A = 108
12.矩阵与行列式

答案: x = 13

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 = 3·3 − (−6)·(−1) = 3

替换 x 列

det Aₓ = 3·3 − (−6)·5 = 39
x = 39/3 = 13

答案

x = 13
y = 6
13.向量:点积和叉积

答案: θ = 142.3 °

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

a·b = 5·(−5) + (−3)·(−2) + 5·(−6) = −49

模

|a| = √(5² + (−3)² + 5²) = 7.681
|b| = √((−5)² + (−2)² + (−6)²) = 8.062

相角

cos θ = −49/(7.681·8.062) = −0.7912
θ = arccos(−0.7912) = 142.3°

答案

θ = 142.3°
14.向量:点积和叉积

答案: A = 29.39

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

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·(−2) − 4·4 = −12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−6) − 0·(−2) = −24
(a × b)z = axby − aybx = 0·4 − (−2)·(−6) = −12

面积

A = |a × b| = √((−12)² + (−24)² + (−12)²) = 29.39

答案

A = 29.39
15.概率

答案: P = 0.5981

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)5 = 0.4019
P = 1 − 0.4019 = 0.5981

答案

P = 0.5981
16.概率

答案: σY = 2.998

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。

X 的离散程度

μ = 3.05, Var(X) = 2.248, σX = 1.499

线性变换

σY = |−2|·1.499 = 2.998

答案

σY = 2.998

均值确实会改变:E(Y) = −2·3.05 + 20 = 13.9。

17.描述统计

答案: s = 18.13

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 = 214/6 = 35.67

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−1.667)² + (−21.67)² + (−3.667)² + (−15.67)² + 20.33² + 22.33² = 1643

标准差

s = √(1643/5) = 18.13

答案

s = 18.13
18.描述统计

答案: P = 0.7881

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 = −0.8

标准正态分布表

Φ(−0.8) = 0.2119
P = 1 − 0.2119 = 0.7881

答案

P = 0.7881
19.正态分布

答案: P = 0.3085

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)。

总和的分布

μT = 1020 kg, σT = 12·√12 = 41.57 kg

标准化

z = (1041 − 1020)/41.57 = 0.5

概率

P = 1 − Φ(0.5) = 0.3085

答案

P = 0.3085
20.正态分布

答案: x = 73.4 分

由面积反求 z:Φ(z) 是 z 左侧的面积。对于左尾面积 A,在表中找出使 Φ(z) = A 的 z。右尾面积 A 意味着 Φ(z) = 1 − A。−z 与 z 之间的中间面积 A 使每个尾部剩下 (1 − A)/2,所以 Φ(z) = (1 + A)/2。对于数值 x,用 x = μ + zσ。

左侧的面积

Φ(z) = 0.8

由表得到的 z

z ≈ 0.84

回到原来的单位

x = 65 + 0.84·10 = 73.4 分

答案

x = 73.4 分

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