MI_T2TerekhovSV
.pdfТерехов С.В.
Математический
инструментарий для студентов-физиков
Том 2. Задачи
Донецк-2010
Терехов С.В.
Математический
инструментарий для студентов-физиков
Том 2. Задачи
Донецк-2010
УДК 51 PACS 02 Т35
Министерство образования и науки Украины
Донецкий национальный университет Кафедра “Нанофизика”
Национальная академия наук Украины
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина
Рецензенты:
доктор техн. наук, профессор кафедры “Физики необратимых процессов, экологии и метрологии” Донецкого национального университета
Белоусов В.В.
доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры математической физики Национального технического университета Украины “КПИ”
Герасимчук В.С.
доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. отделом “Теории магнетизма и фазовых переходов” Донецкого физико-технического института им. А. А. Галкина НАН Украины
Тарасенко С.В.
Т35 Терехов С.В. Математический инструментарий для физиков. // Т.2. Задачи. В 2-х частях (для студентов физических факультетов и других специальностей университетов и технических институтов) / Донецк: “Цифровая типография”, 2010. – 511 с.
Приведены индивидуальные задания (часть 1, по 25 вариантов) по основным разделам классической математики и специальные задания для студентов, специализирующихся в области теоретической физики (часть 2, по 10 вариантов).
Для студентов всех специальностей и форм обучения университетов и технических институтов, молодых преподавателей.
© Терехов С.В., 2010
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Оглавление
Стр.
Часть 1. Общеобразовательный курс………………………. 4
Модульный блок № 1.…………………………........................... |
5 |
I. Основы линейной алгебры ………….................................. |
5 |
II. Элементы векторной алгебры………………………. |
30 |
III. Аналитическая геометрия на плоскости…………... |
55 |
IV. Аналитическая геометрия в пространстве………... |
80 |
Модульный блок № 2.…………………………........................... |
105 |
V. Пределы …………………………………..................... |
105 |
VI. Дифференциальное исчисление……………………… 118 |
|
Модульный блок № 3.…………………………............................ |
143 |
VII. Неопределённый интеграл………………………....... |
143 |
VIII. Определённый и несобственный интегралы……….. |
168 |
Модульный блок № 4.…………………………............................ |
193 |
IX. Дифференциальные уравнения первого и второго |
|
порядков …………….......................................................... |
193 |
X. Ряды……………............................................................ |
218 |
Модульный блок № 5.…………………………............................ |
243 |
XI. Теория вероятностей……………………........................... |
243 |
XII. Элементы математической статистики................... |
293 |
Модульный блок № 6.…………………………............................ |
318 |
XIII. Тензорная алгебра………………………............................. |
318 |
Модульный блок № 7.…………………………............................ |
343 |
XIV. Функции нескольких переменных……............................. |
343 |
XV. Комплексные функции…………………............................. |
397 |
Модульный блок № 8.…………………………............................ |
422 |
XVI. Операционное исчисление………………............................ |
422 |
Часть 2. Специальный курс………………………………… 447
Модульный блок № 9.…………………………............................ |
448 |
XVII. Уравнения математической физики….......................... |
448 |
XVIII. Вычислительная математика……………………… |
458 |
Модульный блок № 10…………………………........................... |
478 |
XIX. Вейвлет-анализ.………………………….............................. |
478 |
XX. Фрактальная геометрия………………............................. |
488 |
Список использованных источников………………………... 508
3
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Министерство образования и науки Украины
Донецкий национальный университет Кафедра “Нанофизика”
Национальная академия наук Украины
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина
Математический
инструментарий для студентов-физиков
Т.2. Задачи. Часть 1. Общеобразовательный курс
Замечание: в текстах заданий курсивом выделены основные слова, на которые следует обращать повышенное внимание.
4
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Модульный блок № 1
Задания для самостоятельного решения
I. Основы линейной алгебры
Вариант 1
1. |
Вычислить определители |
|
|
− 2 |
−9 |
|
; |
|
|
2 |
|
−1 |
2 |
|
. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
− 2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
|
|
−1 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2. |
Решить уравнение |
|
x |
2 |
|
− 2 |
|
|
= 4 + |
|
x |
x |
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
3 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
3 |
1 |
|
|
|
|
−1 |
2 |
4 |
|
|
|
|
|
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
3 |
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
Вычислить определитель четвёртого порядка |
0 |
1 |
2 |
4 |
, пре- |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
4 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
1 |
1 |
|
образовав его так, чтобы три элемента некоторого ряда равнялись нулю, и вычислить полученный определитель по элементам этого ряда.
|
4x − y + z = 3 |
4. Решить по формулам Крамера СЛАУ |
x + y − z =1 . |
|
2x −3y −3z = −4 |
|
5. Найти алгебраические дополнения всех элементов определителя
третьего порядка |
|
1 |
− 2 |
3 |
|
. |
|
|
|||||
|
−3 |
5 |
− 4 |
|
||
|
|
− 2 |
1 |
−1 |
|
|
6. Вычислить произведения матриц A B и B T A, если матрица
−1 |
1 |
2 |
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
1 |
|
|
− 2 |
|
|
|
|
A = |
|
, а матрица B = |
. |
|
|
|
||||
|
1 |
−1 |
−3 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
−2 |
2 |
|
7. Найти матрицу A−1 , обратную к матрице A= |
−1 |
1 |
−1 . |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
x − y + 3z =1
8. Решить матричным способом СЛАУ 3x + 2 y + 4z = 5 .
− 2x + y + z = 4
5
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Задания для самостоятельного решения
I. Основы линейной алгебры
Вариант 2
1. |
Вычислить определители |
|
|
5 |
|
|
− 2 |
|
; |
|
−3 |
− 4 |
0 |
|
. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
−3 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
−7 |
− 4 |
|
|
|
0 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Решить неравенство |
|
2 |
3 |
|
|
|
|
2 |
x |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2. |
|
|
+ 4 |
|
|
+ x > 3 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
3 |
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
x |
1 |
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
−1 |
−3 |
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
Вычислить определитель четвёртого порядка |
1 |
−1 |
1 |
1 |
, пре- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
−3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
0 |
1 |
1 |
|
образовав его так, чтобы три элемента некоторого ряда равнялись нулю, и вычислить полученный определитель по элементам этого ряда.
8x − y − z = 6 |
|
4. Решить по формулам Крамера СЛАУ |
x − 2 y +3z = 2 . |
|
3x + 4y + 4z =11 |
|
5. Найти алгебраические дополнения всех элементов определителя
третьего порядка |
2 |
0 |
1 |
. |
2 |
−1 |
4 |
||
|
6 |
− 2 |
5 |
|
6. Вычислить произведения матриц A B и B T A, если матрица
|
2 |
0 |
−1 |
|
|
0 |
|
|
|
1 |
−2 |
1 |
|
, а матрица |
|
1 |
|
A = |
|
B = |
. |
|||||
|
−3 |
0 |
|
|
|
|
5 |
|
|
−3 |
|
|
|
−1 |
−1 |
1 |
|
7. Найти матрицу A−1 , обратную к матрице A= |
1 |
2 |
−2 . |
|
−1 |
2 |
|
|
1 |
2x − y − z = −4 |
|
8. Решить матричным способом СЛАУ |
3x + 2 y − 4z = −5 . |
|
x + 5y − z = 3 |
|
6
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Задания для самостоятельного решения
I. Основы линейной алгебры
Вариант 3
1. |
Вычислить определители |
|
|
− 4 |
8 |
|
; |
|
|
1 |
− 2 |
−1 |
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
−3 |
4 |
− 2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
−3 |
|
|
|
|
1 |
5 |
−3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2. |
Решить неравенство |
|
x |
x |
|
−3 |
|
1 |
−1 |
|
|
x |
|
+ 2x =10 . |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
2 |
0 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
4 |
5 |
|
|
|
|
3 |
4 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
−1 |
2 |
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
Вычислить определитель четвёртого порядка |
2 |
1 |
3 1 |
, пре- |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
−2 |
5 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
−2 |
3 |
|
образовав его так, чтобы три элемента некоторого ряда равнялись нулю, и вычислить полученный определитель по элементам этого ряда.
2x − y − 2z = −1
4. Решить по формулам Крамера СЛАУ x + y + 7z = 9 .
4x + y + 2z = 7
5.Найти алгебраические дополнения всех элементов определителя
−1 2 −1
третьего порядка 6 |
3 |
2 . |
|
||||||
|
|
|
|
1 |
− 2 |
0 |
|
|
|
6. Вычислить произведения матриц A B и B T A, если матрица |
|||||||||
−2 −2 |
3 |
|
|
|
|
4 |
|
||
|
−2 |
4 |
|
, а матрица |
B = |
|
1 |
|
|
A= |
−3 |
|
. |
||||||
|
3 |
5 |
|
|
|
|
|
−3 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
2 |
0 |
−1 |
|
7. Найти матрицу A−1 , обратную к матрице A= |
2 |
−1 |
1 . |
|
−1 |
2 |
|
|
1 |
5x + 3y − z = −3
8. Решить матричным способом СЛАУ − x + 4 y + 3z = 8 .
3x + 2 y + 5z = 4
7
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Задания для самостоятельного решения
I. Основы линейной алгебры
Вариант 4
1. |
Вычислить определители |
|
5 |
7 |
|
; |
|
− 4 |
3 |
6 |
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
−1 |
−1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
4 |
8 |
|
|
− 2 |
1 |
−9 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
x |
−1 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2. |
Решить неравенство |
|
|
|
+ 4 |
|
3 |
−1 |
|
+ 6 < 5x . |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
4 |
2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
1 |
−1 |
|
−3 |
|
|
|
|
|
|
x |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2 |
0 |
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
Вычислить определитель четвёртого порядка |
2 |
−1 |
3 |
1 |
, пре- |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
3 |
5 |
|
образовав его так, чтобы три элемента некоторого ряда равнялись нулю, и вычислить полученный определитель по элементам этого ряда.
2x + 2 y −3z =1
4. Решить по формулам Крамера СЛАУ − x + y + z =1 .
x −3y + 4z = 0
5.Найти алгебраические дополнения всех элементов определителя
−4 −1 −5
третьего порядка 2 |
−1 |
−3 . |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 |
3 |
−1 |
|
|
|
|
|
6. Вычислить произведения матриц A B и B T A, если матрица |
||||||||||||
4 |
1 |
− 6 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
3 |
5 |
−1 |
|
, а матрица |
|
−1 |
|
|
|
|
|
A = |
|
B = |
. |
|
|
|
||||||
|
1 |
2 |
−1 |
|
|
|
|
− 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
2 |
1 |
|
7. Найти матрицу A−1 , обратную к матрице A= |
1 |
−1 |
1 . |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
2x + y − z = −2
8. Решить матричным способом СЛАУ x + 4 y + 2z = 5 .
x + y + 3z = 3
8
Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.
Задания для самостоятельного решения
I. Основы линейной алгебры
Вариант 5
1. |
Вычислить определители |
|
− 2 |
−9 |
|
; |
|
2 |
−1 |
2 |
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
− 2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
−1 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2. |
Решить неравенство |
|
2 + x |
|
1 |
|
− x |
|
3 |
2 |
−1 |
|
|
>1. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
4 |
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
−1 |
3 |
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
4 |
1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
Вычислить определитель четвёртого порядка |
3 |
0 |
1 |
1 |
, пре- |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
1 |
1 |
1 |
|
образовав его так, чтобы три элемента некоторого ряда равнялись нулю, и вычислить полученный определитель по элементам этого ряда.
4x + 2 y − 7z = −1
4. Решить по формулам Крамера СЛАУ 3x + y + z = 5 .
5x + 2 y − 6z =1
5. Найти алгебраические дополнения всех элементов определителя
2 0 5
третьего порядка 5 1 2 .
8 2 − 4
6. Вычислить произведения матриц A B и B T A, если матрица
− 2 |
−1 |
4 |
|
2 |
|
|
|
|
||
|
5 |
0 |
2 |
|
|
8 |
|
|
|
|
A = |
|
, а матрица B = |
. |
|
|
|
||||
|
−1 |
7 |
5 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
−1 |
1 |
|
7. Найти матрицу A−1 , обратную к матрице A= |
2 |
−1 |
−1 . |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
3x − y + z = −3 |
8. Решить матричным способом СЛАУ |
x + y − z = −1 . |
|
5x + 4 y −3z = −4 |
|
9