Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Письменный Д.Т. Конспект лекций по высшей математике - Полный курс

.pdf
Скачиваний:
9032
Добавлен:
27.05.2019
Размер:
20.05 Mб
Скачать

48.6. Уравнения Лагранжа и Клеро." ......

 

"""" . """ ...

342

§49. Дифференциальные уравнения высших порядков.. . . . . .

. . . . .

344

49.1.Основные понятия" ...

"." ....

" ....

"

.. "" .......

"..

344

49.2. Уравнения, допускающие понижение порядка..........

 

346

49.3. Линейные дифференциальные уравнения высших

 

 

порядков . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

349

49.4. Линейные однородные ДУ второго порядка. . . . . . . . .

. . . .

350

49.5. Линейные однородные ДУ п-го порядка . . . . . . . . . . . .

. . . .

353

§50. Интегрирование ДУ второго порядка с постоянными

 

 

коэффициентами. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

354

50.1. Интегрирование ЛОДУ второго порядка

 

 

с постоянными коэффициентами . . . . . .

.

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

354

50.2. Интегрирование ЛОДУ п-го порядка

 

 

 

 

с постоянными коэффициентами........................

 

 

 

 

357

§51. Линейные неоднородные

дифференциальные уравнения

 

(ЛНДУ) .......................................................

 

 

 

 

 

358

51.1. Структура общего решения ЛНДУ второго порядка . . . .

358

51.2. Метод вариации произвольных постоянных.............

 

360

51.3. Интегрирование ЛНДУ второго порядка

 

 

с постоянными коэффициентами и правой частью

 

 

специального вида . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

362

51.4.Интегрирование ЛНДУ п-го порядка (n > 2)

 

 

с постоянными коэффициентами и правой частью

 

 

специального вида . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

365

§52. Системы дифференциальных уравнений . . .

.

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

367

52.1.Основные понятия ............................

 

 

 

".........

 

367

52.2. Интегрирование нормальных систем . .

.

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

369

52.3. Системы линейных ДУ с постоянными

 

 

 

коэффициентами. . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

372

Глава XI. ДВОЙНЫЕ И ТРОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ

 

§53. Двойной интеграл................

" ......................

 

 

 

"...

378

53.1.Основные понятия и определения.......................

 

 

 

 

378

53.2. Геометрический и физический смысл двойного

 

 

интеграла................................................

 

 

 

 

 

379

53.3. Основные свойства двойного интеграла

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

381

53.4. Вычисление двойного интеграла

 

 

 

 

 

в декартовых координатах. . . . . . .

. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

382

53.5. Вычисление двойного интеграла

 

 

 

 

 

в полярных координатах. . . . . . . . .

. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

386

53.6. Приложения двойного интеграла. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

388

§54. Тройной интеграл. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . .

. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . .

391

10

54.4. Некоторые приложения тройного интеграла

54.1.Основные понятия.......................................

391

54.2. Вычисление тройного интеграла

 

в декартовых координатах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

392

54.3.Замена переменных в тройном интеграле. Вычисление

тройного интеграла в цилиндрических и сферических

координатах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

. . . . . . . . . . . . 398

Глава ХП. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ

ИНТЕГРАЛЫ

 

§55. Криволинейный интеграл 1 рода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

402

55.1.Основные понятия.......................................

402

55.2. Вычисление криволинейного интеграла 1 рода. . . . . . . . . .

404

55.3. Некоторые приложения криволинейного интеграла

 

1 рода....................................................

405

§56. Криволинейный интеграл П рода.............................

407

56.1.Основные понятия.......................................

407

56.2. Вычисление криволинейного интеграла П рода . . . . . . . . .

410

56.3. Формула Остроградского-Грина............... . . . . . . . . . .

412

56.4. Условия независимости криволинейного интеграла

 

П рода от пути интегрирования.........................

414

56.5. Некоторые приложения криволинейного интеграла

 

11 рода...................................................

418

§57. Поверхностный интеграл 1 рода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

420

57.1.Основные понятия.......................................

420

57.2.Вычисление поверхностного интеграла 1 рода...........

422

57.3.Некоторые приложения поверхностного интеграла

 

1 рода....................................................

425

§58. Поверхностный интеграл П рода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

427

58.1.Основные понятия.......................................

427

58.2. Вычисление поверхностного интеграла П рода. . . . . . . . . .

429

58.3. Формула Остроградского-Гаусса...... . . . . . . . . . . . . . . . . . .

431

58.4. Формула Стокса................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

433

58.5. Некоторые приложения поверхностного интеграла

 

11 рода...................................................

437

Глава XIII. ЧИСЛОВЫЕ РЯДЫ

 

§59. Числовые ряды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

438

59.1.Основные понятия.......................................

438

59.2. Ряд геометрической прогрессии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

441

59.3. Необходимый признак сходимости числового ряда.

 

Гармонический ряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

442

11

§60. Достаточные признаки сходимости

 

знакопостоянных рядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

444

60.1.Признаки сравнения рядов..............................

444

60.2. Признак Даламбера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

446

60.3. Радикальный признак Коши. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

448

60.4. Интегральный признак Коши.

 

Обобщенный гармонический ряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

449

§61. Знакочередующиеся и знакопеременные ряды...............

451

61.1. Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница..........

451

61.2.Общий достаточный признак сходимости

 

знакопеременных рядов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

453

61.3. Абсолютная и условная сходимости числовых рядов.

 

Свойства абсолютно сходящихся рядов . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

Глава XIV. СТЕПЕННЬШ РЯДЫ

 

§62. Функциональные ряды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

457

62.1.Основные понятия.......................................

457

§63. Сходимость степенных рядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

458

63.1. Теорема Н. Абеля.......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

458

63.2. Интервал и радиус сходимости степенного ряда . . . . . . . .

459

63.3. Свойства степенных рядов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

462

§64. Разложение функций в степенные ряды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

463

64.1.Ряды Тейлора и Маклорена.............................

463

64.2. Разложение некоторых элементарных функций

 

в ряд Тейлора (Маклорена).............................

465

§65. Некоторые приложения степенных рядов....................

471

65.1.Приближенное вычисление значений функции ..........

471

65.2. Приближенное вычисление определенных интегралов . .

473

65.3. Приближенное решение дифференциальных

 

уравнений................................................

475

Глава XV. РЯДЫ ФУРЬЕ. ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ

 

§66. Ряды Фурье...................................................

478

66.1. Периодические функции. Периодические процессы.....

478

66.2. Тригонометрический ряд Фурье.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

480

§67. Разложение в ряд Фурье 2?Т-периодических функций . . . . . . . .

483

67.1. Теорема Дирихле........................................

483

67.2.Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций..

486

67.3.Разложение в ряд Фурье функций произвольного

 

периода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

487

67.4. Представление непериодической функции

 

рядом Фурье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

489

12

13
§ 75. Интегрирование функции комплексного переменного.
75.1.Определение, свойства и правила вычисления
74.3.Основные элементарные функции комплексного
переменного..............................................
74.4. Дифференцирование функции комплексного
переменного. Условия Эйлера-Даламбера...............
74.5.Аналитическая функция. Дифференциал...............
74.6.Геометрический смысл модуля и аргумента

67.5.Комплексная форма ряда Фурье........................

491

§68. Интеграл Фурье. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

493

Глава XVI. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОЛЯ

 

§69. Основные понятия теории поля ...............................

499

§ 70. Скалярное поле.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

501

70.1. Поверхности и линии уровня............................

501

70.2. Производная по направлению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

502

70.3. Градиент скалярного поля и его свойства. . . . . . . . . . . . . . .

504

§ 71. Векторное поле...............................................

506

71.1. Векторные линии поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

506

71.2. Поток поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

507

71.3.Дивергенция поля. Формула Остроградского-Гаусса...

510

71.4. Циркуляция поля.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

513

71.5. Ротор поля. Формула Стокса............................

515

§ 72. Оператор Гамильтона.........................................

518

72 .1. Векторные дифференциальные операции

 

первого порядка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

518

72.2. Векторные дифференциальные операции

 

второго порядка.........................................

519

§ 73. Некоторые свойства основных классов векторных полей . . . .

520

73.1.Соленоидальное поле....................................

520

73.2. Потенциальное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

521

73.3. Гармоническое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

524

Глава XVII. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ФУНКЦИИ

 

КОМПЛЕКСНОГО ПЕРЕМЕННОГО

 

§ 74. Функции комплексного переменного..........................

525

74.1.Основные понятия.......................................

525

74.2. Предел и непрерывность функции комплексного

 

переменного . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

527

532

535

производной. Понятие о конформном отображении . . . . . 538

. . . . . . . 540

интеграла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

75.2. Теорема Коши. Первообразная и неопределенный

 

интеграл. Формула Ньютона-Лейбница. . . . . . . . . . . . . . . . .

544

75.3.Интеграл Коши. Интегральная формула Коши .........

547

§ 76. Ряды в комплексной плоскости...............................

551

76.1. Числовые ряды..........................................

551

76.2. Степенные ряды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

553

76.3. Ряд Тейлора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

555

76.4. Нули аналитической функции.................. . . . . . . . . .

558

76.5. Ряд Лорана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

558

76.6. Классификация особых точек. Связь между нулем

 

и полюсом функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

563

§ 77. Вычет функции...............................................

567

77.1.Понятие вычета и основная теорема о вычетах.........

567

77.2. Вычисление вычетов. Применение вычетов

 

в вычислении интегралов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

568

Глава XVIII. ЭЛЕМЕНТЫ ОПЕРАЦИОННОГО

 

ИСЧИСЛЕНИЯ

 

§78. Преобразование Лапласа.....................................

572

78.1.Оригиналы и их изображения...........................

572

78.2. Свойства преобразования Лапласа...... . . . . . . . . . . . . . . . .

576

78.3. Таблица оригиналов и изображений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

588

§ 79. Обратное преобразование Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

590

79.1. Теоремы разложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

590

79.2. Формула Римана-Меллина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

593

§80. Операционный метод решения линейных

 

дифференциальных уравнений и их систем . . . . . . . . . . . . . . . . . .

594

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

599

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие предназначено, в первую очередь, для студен­

тов инженерно-технических специальностей; может быть полезным для всех категорий студентов, изучающих в том или ином объеме высшую математику. Оно представляет собой конспект лекций и адресовано, в основном, студентам первого и второго курсов. Набор освещаемых во­

просов хорошо виден из оглавления.

Данный конспект содержит необходимый материал по всем раз­ делам курса высшей математики и дополнительным главам, необхо­ димым при изучении специальных курсов. Изложение теоретическо­ го материала по всем темам сопровождается рассмотрением большого

количества примеров и задач, ведется на доступном, по возможности

строгом языке.

Пособие может быть использовано студентами также для самосто­ ятельного изучения соответствующего материала, является базой для

подготовки к семестровым зачетам и экзаменам по высшей математике.

Кроме того, книга должна помочь студенту и в тех случаях, когда он что-то не успел записать на лекции, какие-то лекции были пропу­

щены, в чем-то трудно (или нет времени) разобраться по другим учеб­

никам, когда некоторые вопросы «слишком длинны» в его конспектах

или много фактического материала, который следует изучить за огра­

ниченное количество недель, дней.

Автор надеется, что данный курс лекций будет полезен и препода­

вателям, а использование данного пособия будет способствовать более глубокому изучению студентами курса высшей математики и смежных

дисциплин.

Список обозначений:

Q 8 - начало и конец решения примера или задачи;

U 8 - начало и конец доказательства;

~- важные определения;

liJ

- «обратите особое внимание!»

В рамку заключены формулы, которые важно помнить.

Глава 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЫ

Лекции 1-3 1

§ 1. МАТРИЦЫ 1.1. Основные понятия

Матрицеi"i называется прямоугольная таблица чисел, содержащая т строк одинаковой длины (или n столбцов одинаковой длины). Ма­

трица записывается в виде

 

 

А= ( ~~~

~~~

~-~·:· )

ат1

ат2

amn

или, сокращенно, А= (aij), где i = 1,т (т. е. i = 1,2,3, ... ,m)-номер строки, j = 1, n (т. е. j = 1, 2, 3, ... , n) - номер столбца.

Матрицу А называют матрицей размера т х n и пишут Amxn· Чи­ сла aij, составляющие матрицу, называются ее элементами. Элемен­

ты, стоящие на диагонали, идущей из верхнего левого угла, образуют главную диагональ.

~Матрицы равны ме-;нс.ду coбofi., если равны все соответствующие

элементы этих матриц, т. е.

А= В, если aij = bij, где i = 1,т, j = 1,n.

Матрица, у которой число строк равно числу столбцов, называется квадратноfi.. Квадратную матрицу размера n х n называют матрицей п-го nорядка.

Квадратная матрица, у которой все элементы, кроме элементов

главной диагонали, равны нулю, называется дu.агональноfi..

Диагональная матрица, у которой каждый элемент главной диаго­

нали равен единице, называется еди.нu.-чноfi.. Обозначается буквой Е.

Пример 1.1.

Еи= о о

1

о

-единичная матрица 3-го порядка.

Enxn= с !

- единичная матрица п-го порядка.

16

~Квадратная матрица называется mреуго.п:ьноu, если все элемен­

ты, расположенные по одну сторону от главной диагонали, равны

нулю.

~Матрица, все элементы которой равны нулю, называется ну.аевоu.

Обозначается буквой О. Имеет вид

0= (~ ~....

~)·

оо ... о

Вматричном исчислении матрицы О и Е играют роль чисел О и 1

варифметике.

~Матрица, содержащая один столбец или одну строку, называется

вектором (или вектор-столбец, или вектор-строка соответствен­

но). Их вид:

А= ( ~~ ) , В= (Ь1Ь2. . . Ьп).

ат

Матрица размера 1х1, состоящая из одного числа, отождествля­

ется с этим числом, т. е. (5)1х1 есть 5.

~Матрица, полученная из данной заменой каждой ее строки столб­

цом с тем же номером, называется матрицей mранспонирован­

коu к данной. Обозначается Ат.

Так, если А=С ~),то Ат=(~ :) , если А=(~), то Ат=(1 О).

Транспонированная матрица обладает следующим свойством:

(Ат)т =А.

1.2. Действия над матрицами

Сложение

Операция сложения матриц вводится только для матриц одинако­

вых размеров.

Су.м.моi1, авух .матри'Ц Amxn = (aij) и Bmxn = (bij) наЗЫJ><!Р.ТСЯ

матрица Cmxn = (cij) такая, что Cij = aij + bij (i = 1, т, j = 1, п).

Записывают С= А+ В.

Пример 1.2.

-2

-5

-~) = ( ~ о

-101) .

( 4

5

2

-3

3

3

о

 

Аналогично определяется разность матриц.

17

Умножение на число

Произведением .матри'Ц'Ы Amxn = (aij) на -ч.исло k называется ма­

трица Bmxn = (Ьij) такая, что Ьij = k · aij (i = 1, m, j = 1, n). Записы­

вают В= k·A.

Пример 1.3.

А= ( ~ -~ ~ ) , k = 2, А·k = ( ~ -~ ~).

Матрица -А= (-1) ·А называется nротивоnолож;ноi1 .матрице А.

Разность матриц А - В можно определить так: А - В = А + (- В).

Операции сложения матриц и умножения матрицы на число обла­

дают следующими своi1ствами:

 

1.

А+В=В+А;

5. 1 ·А= А;

2. А+ (В +С) = (А+ В) +С;

6. о: · (А+ В) = о:А + о:В;

3. А+О =А;

7. (а+ ,В) ·А= аА + ,ВА;

4.

А-А=О;

8. а· (,ВА) = (а.В) ·А,

где А, В, С - матрицы, а и f3 - числа.

Элементарные преобразования матриц

Элементарн'Ы.ми преобразованиями .матриц являются:

перестановка местами двух параллельных рядов матрицы;

умножение всех элементов ряда матрицы на число, отличное от нуля;

прибавление ко всем элементам ряда матрицы соответствующих

элементов параллельного ряда, умноженных на одно и то же чи­ сло.

~Две матрицы А и В называются эпвива,11,енmними, если одна из

них получается из другой с помощью элементарных преобразова­ ний. Записывается А ,...., В.

При помощи элементарных преобразований любую матрицу можно

привести к матрице, у которой в начале главной диагонали стоят под­

ряд несколько единиц, а все остальные элементы равны нулю. Такую

матрицу называют канони-ч.ескоii, например

(~о ~о ~1 ~)о

о о о о

18

~~-=~=-~;

Пример 1.4. Привести к каноническому виду матрицу

 

 

 

 

А=(~

~

!1

 

~).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

о

5

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Q Решение: Выполняя элементарные преобразования, получаем

 

( о-----2 -1

 

 

 

~

~)

,....,

(~-3

~

;

 

;) ,....,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

 

t

 

t

 

 

2

3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 о

5

 

 

 

4 1

 

о -15 -6 -9

 

 

------

о

о

~),....,

(~

~

 

~

J)-

 

 

 

 

 

-(~

5

2

 

 

 

 

 

 

-15 -6 -9

 

Е о

-3 -3

 

 

 

 

 

 

:5

:2

: 3

 

 

 

 

 

(1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

о

о)

,....,

о

о

о)

.

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

о

1

о

о

 

 

 

 

 

 

 

о

о

о

 

о

о

о

о

 

Произведение матриц

 

 

 

'-=.!L.t

 

 

 

 

 

 

 

liJ Операция умножения двух матриц вводится только для случая,

когда 'Число столбцов nepвoii. матрицы равно 'Числу строк вmopotJ.

матрицы.

на матрицу Bnxp = (Ь;k)

Произведением матрицы Amxn = (aiJ)

называется матрица Cmxp = (cik) такая, что

 

Cik =ан . ьlk + ai2 • ~k + ... + ainЬnk,

где i = 1, т, k = 1,р,

т. е. элемент i-й строки и k-го столбца матрицы произведения С равен сумме произведений элементов i-й строки матрицы А на соответству­ ющие элементы k-го столбца матрицы В.

Получение элемента Cik схематично изображается так:

: : J

k

Если матрицы А и В квадратные одного размера, то произведения

АВ и БА всегда существуют. Легко показать, что А· Е = Е ·А = А, где

А - квадратная матрица, Е - единичная матрица того же размера.

 

а21

а22

а2з)2х3

 

СЬз"1 ~')ЬЬз222

3х2

=

 

Пример 1.5. (а11

а12

а1з

х

Ь

21

 

 

 

 

 

 

 

 

=

( а11Ь11 + а12Ь21 + а1зЬз1

а11Ь12 + а12Ь22 + а1зЬз2)

 

 

а21 Ь11 + а22Ь21 + а2зЬз1

а21Ь12 + а22Ь22 + а2зЬз2

2х2 ·

 

19