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→∞ (−5x2 − 6x − 9)/(3x2 + x + 4)。

f(x) = (−5x2 − 6x − 9)/(3x2 + x + 4)x → ∞
L =
2.极限困难
xyx = 0

求极限 L = limx→0 ln(1 + 5x)/sin(x),x 以弧度计。

f(x) = ln(1 + 5x)/sin(x)x → 0
L =
3.导数中等
xyx = 0

设 f(x) = (3x − 1)4。求 f′(0)。

f(x) = (3x − 1)4x = 0
f′(0) =
4.导数困难
xyx = 2

f(x) = 0.5x2 + 3x + 6 在 x = 2 处的切线与 y 轴交于 y = b。求 b。

f(x) = 0.5x2 + 3x + 6x = 2
b =
5.积分中等
xyπ/2y = x·cos x

计算 I = ∫₀π/2 x·cos x dx(x 以弧度为单位)。

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
6.积分困难
xy−33

求抛物线 y = 9 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 9 − x²
A =
7.复数中等
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

已知 z₁ = 1.5∠125° 和 z₂ = 1.5∠110°,求 w = z₁·z₂ 的虚部。

z₁ = 1.5∠125°z₂ = 1.5∠110°
Im(w) =
8.复数困难
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

n = 4、w = 16∠−120° 时,zⁿ = w 的根为 zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n),k = 0, 1, 2, 3。求 z₃ 的实部。

w = 16∠−120°n = 4k = 3
Re(z₃) =
9.微分方程中等
t (min)T (°C)23Ta​T = ?

一个 340 °C 的钢锻件放在 30 °C 的车间里冷却。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 已知 k = 0.03 min⁻¹,求 23 min 后的温度 T。

T0 = 340 °CTa = 30 °Ck = 0.03 min⁻¹t = 23 min
T = °C
10.微分方程困难
xy12(1, 0)y(2) = ?

求解初值问题 y′ + 3y/x = 4,x > 0,y(1) = 0。求 y(2)。

y′ + 3y/x = 4y(1) = 0
y(2) =
11.矩阵与行列式中等
A =2412−3−2230

求所示 3×3 矩阵 A 的行列式 det A。

A = [2 4 1; 2 −3 −2; 2 3 0]
det A =
12.矩阵与行列式困难
A =2611

求所示矩阵 A 的较大特征值 λ。

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

求向量 a = (6, −5, 5) 与 b = (1, 0, −5) 之间的夹角 θ,以度为单位。

a = (6, −5, 5)b = (1, 0, −5)
θ = °
14.向量:点积和叉积困难
xyzab

求由 a = (−5, 1, −1) 和 b = (−3, −6, 4) 张成的平行四边形的面积 A。

a = (−5, 1, −1)b = (−3, −6, 4)
A =
15.概率中等
xp(x)10.2520.3530.2540.150.05μ = 2.35

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.25, 0.35, 0.25, 0.1, 0.05
Var(X) =
16.概率困难
n = 6, p = 0.4: P(X = 2) = ?k0123456

一份测试有 6 道选择题。一名靠猜的学生每题答对的概率为 0.4,相互独立。恰好答对 2 题的概率 P 是多少?

n = 6p = 0.4k = 2
P =
17.描述统计中等
202530354045505560

求数据的样本标准差 s:19, 17, 47, 46, 58, 35, 60。

n = 7
s =
18.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 100,标准差为 5。数值低于 103 的比例 P 是多少?

μ = 100σ = 5x = 103
P =
19.正态分布中等
100 kg99 kgT = X₁ + … + X₄?

水泥袋的质量相互独立,服从均值 25 kg、标准差 0.5 kg 的正态分布。求其中 4 个的总质量超过 99 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 25 kgσ = 0.5 kgn = 4> 99 kg
P =
20.正态分布困难
10 g0X − Y?

1 号生产线产品的质量 X 与 2 号生产线产品的质量 Y相互独立且服从正态分布:X 的均值为 500 g,标准差为 8 g,Y 的均值为 490 g,标准差为 6 g。求 X 大于 Y 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =

3溶液

1.极限

答案: L = −1.667

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

(−5 + (−6)/x + (−9)/x2)/(3 + 1/x + 4/x2)

令 x → ∞

L = −5/3 = −1.667

答案

L = −1.667

次数相同时,极限为首项系数之比。

2.极限

答案: L = 5

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 [5/(1 + 5x)]/[cos x]

代入 x = 0

L = 5/1 = 5

答案

L = 5
3.导数

答案: f′(0) = −12

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) = 4·(3x − 1)3·3

代入

f′(0) = 4·(−1)3·3 = −12

答案

f′(0) = −12
4.导数

答案: b = 4

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(2) = 14
f′(x) = x + 3 → f′(2) = 5

x = 0 处的切线值

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 14 − 5·2 = 4

答案

b = 4
5.积分

答案: I = 0.5708

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

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0.5708

答案

I = 0.5708
6.积分

答案: A = 36

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

9 − x² = 0 → x = ±3

积分

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

答案

A = 36
7.复数

答案: Im(w) = −1.843

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。

w 的模和辐角

|w| = 1.5 · 1.5 = 2.25
θ = 125° + 110° = 235° → −125°

直角坐标形式

Re(w) = 2.25·cos(−125°) = −1.291
Im(w) = 2.25·sin(−125°) = −1.843
Im(w) = −1.843

答案

Im(w) = −1.843
8.复数

答案: Re(z₃) = −1

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

161/4 = 2

根的辐角

θ₃ = (−120° + 360°·3)/4 = 240° → −120°

直角坐标形式

z₃ = 2·(cos −120° + j sin −120°) = −1 − j1.732
Re(z₃) = −1

答案

Re(z₃) = −1

4 个根位于半径为 2 的圆上,彼此相隔 90°。

9.微分方程

答案: T = 185.5 °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) = 30 + 310·e−0.03t

代入 t

T(23) = 30 + 310·0.5016 = 185.5 °C

答案

T = 185.5 °C
10.微分方程

答案: y(2) = 1.875

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

0 = 4/4 + C → C = −1

求值

y(2) = (4·24/4 + (−1))/23 = 1.875

答案

y(2) = 1.875
11.矩阵与行列式

答案: det A = 8

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 = 6, M₁₂ = 4, M₁₃ = 12

代数余子式展开

det A = 2·6 − 4·4 + 1·12 = 8

答案

det A = 8
12.矩阵与行列式

答案: λ = 4

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 − (3)λ + (−4) = 0

求解

λ = (3 ± √(25))/2 → λ = −1, 4
λ = 4

答案

λ = 4
13.向量:点积和叉积

答案: θ = 113.7 °

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 = 6·1 + (−5)·0 + 5·(−5) = −19

模

|a| = √(6² + (−5)² + 5²) = 9.274
|b| = √(1² + 0² + (−5)²) = 5.099

相角

cos θ = −19/(9.274·5.099) = −0.4018
θ = arccos(−0.4018) = 113.7°

答案

θ = 113.7°
14.向量:点积和叉积

答案: A = 40.27

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 = 1·4 − (−1)·(−6) = −2
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−3) − (−5)·4 = 23
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−6) − 1·(−3) = 33

面积

A = |a × b| = √((−2)² + 23² + 33²) = 40.27

答案

A = 40.27
15.概率

答案: Var(X) = 1.227

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 + 2·0.35 + 3·0.25 + 4·0.1 + 5·0.05 = 2.35

平方的均值

E(X²) = 1·0.25 + 4·0.35 + 9·0.25 + 16·0.1 + 25·0.05 = 6.75

方差

Var(X) = 6.75 − 2.35² = 1.227

答案

Var(X) = 1.227
16.概率

答案: P = 0.311

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 = 2) = 15·0.42·0.64 = 15·0.16·0.1296 = 0.311

答案

P = 0.311
17.描述统计

答案: s = 17.34

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 = 282/7 = 40.29

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−21.29)² + (−23.29)² + 6.714² + 5.714² + 17.71² + (−5.286)² + 19.71² = 1803

标准差

s = √(1803/6) = 17.34

答案

s = 17.34
18.描述统计

答案: P = 0.7257

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 = 0.6

标准正态分布表

Φ(0.6) = 0.7257
P = 0.7257

答案

P = 0.7257
19.正态分布

答案: P = 0.8413

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 = 100 kg, σT = 0.5·√4 = 1 kg

标准化

z = (99 − 100)/1 = −1

概率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答案

P = 0.8413
20.正态分布

答案: P = 0.8413

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 = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

标准化

z = (0 − 10)/10 = −1

概率

P = 1 − Φ(−1) = 0.8413

答案

P = 0.8413

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