Matematinė analizė 2: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Integralai

Laipsnio išvestinė
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Apibrėžtinis integralas
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Pagrindiniai integralai
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Plotas tarp kreivių
∫ab (f − g) dx

Metodas

  1. Kai įmanoma, pointegralinę funkciją perrašykite kaip paprastų narių sumą.
  2. Taikykite laipsninės funkcijos taisyklę: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), o ex, 1/x, sin ir cos – lentelinius integralus.
  3. Keitinį naudokite, kai matote funkciją kartu su jos išvestine.
  4. Apibrėžtiniam integralui apskaičiuokite F(b) − F(a).

Sekos ir eilutės

Aritmetinė seka
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrinė seka
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Begalinė geometrinė eilutė
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p eilutė
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
D’Alambero kriterijus
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergavimo spindulys
R = lim |ck/ck+1|
Teiloro polinomas
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maklorino eilutė
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagranžo paklaidos įvertis
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodas

  1. Nustatykite tipą: aritmetinė (pastovus skirtumas), geometrinė (pastovus daugiklis), standartinė eilutė, laipsninė eilutė arba Teiloro polinomas.
  2. Sumoms naudokite Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) arba S = a₁/(1 − r), kai |r| < 1, kur a₁ yra pirmasis sumos narys.
  3. Konvergavimui: pirmiausia būtinoji sąlyga, tada palyginkite su Σ1/kᵖ ar geometrine eilute, o faktorialams ir k-tiesiems laipsniams naudokite d’Alambero ar Koši kriterijų.
  4. Teiloro polinomams išvardykite f(a), f′(a), f″(a), …, k-ąją išvestinę padalykite iš k! ir paklaidą įvertinkite M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Dalinės išvestinės
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradientas
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Išvestinė pagal kryptį
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Liečiamoji plokštuma
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Grandinės taisyklė
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Antros eilės išvestinių testas
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Dvilypis integralas
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Polinės koordinatės
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Metodas

  1. Dalinei išvestinei kitą kintamąjį laikykite konstanta ir naudokite vieno kintamojo taisykles.
  2. Gradiento uždaviniuose taške apskaičiuokite ∇f = (fx, fy); stačiausiam nuolydžiui naudokite |∇f|, o išvestinei pagal kryptį – ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u.
  3. Ekstremumams kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0, tada kiekvieną tašką klasifikuokite pagal D = fxx·fyy − fxy².
  4. Dvilypiam integralui nubraižykite sritį, pasirinkite tvarką (arba polines koordinates skrituliams), kad vidinės ribos būtų ribojančios kreivės, ir integruokite pirmiausia vidų.

Diferencialinės lygtys

Eksponentinis augimas / mažėjimas
dy/dt = ky → y = y0ekt
Pusėjimo trukmė
k = ln 2 / t½
Niutono aušimo dėsnis
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integruojantysis daugiklis
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Maišymo talpa
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Uždaviniai

1.IntegralaiVidutinis
xy03

Apskaičiuokite I = ∫03 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 3]
I =
2.IntegralaiSunkus
xy4y = 2xy = 0,5x²

Sritis tarp tiesės y = 2x ir parabolės y = 0,5x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.

y = 2xy = 0,5x²
V =
3.Sekos ir eilutėsVidutinis
AΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞DΣ 2/kk = 1 … ∞

Lygiai viena iš keturių eilučių konverguoja. Spustelėkite ją.

A: Σ (5/4)ᵏB: Σ ln k / kC: Σ 1/(k(k + 4))D: Σ 2/k
  1. 1A: Σ (5/4)ᵏ
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 4))
  4. 4D: Σ 2/k
4.Sekos ir eilutėsSunkus

Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=1∞ k·(−0,5)ᵏ.

ak = k·(−0,5)ᵏ
S =
5.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasVidutinis
xy0,5−1∇fP

Kai f(x, y) = 3 sin(x + 2y), raskite didžiausią f kitimo greitį taške (0,5, −1), t. y. |∇f|.

f(x, y) = 3 sin(x + 2y)P = (0,5, −1)
|∇f| =
6.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimasSunkus
xyy = 1,5y = x1,51,5

Integralo I = ∫01,5 ∫x1,5 1/(1 + y²)² dy dx šia tvarka apskaičiuoti negalima. Pakeiskite integravimo tvarką ir apskaičiuokite jį.

f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,5
I =
7.Diferencialinės lygtysVidutinis
tyy(0) = 2y(2) = ?

Išspręskite y″ + 4y′ + 3y = 0, kai y(0) = 2 ir y′(0) = 2. Raskite y(2).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(2) =
8.Diferencialinės lygtysSunkus
t (min)m (kg)t = ?22 kg

Talpoje yra 500 L vandens, kuriame ištirpinta 20 kg druskos. Sūrymas, kurio litre yra 0,05 kg druskos, įteka 4 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Po kiek minučių t talpoje bus 22 kg druskos?

V = 500 Lm0 = 20 kgc = 0,05 kg/Lr = 4 L/min
t = min

3Tirpalai

1.Integralai

Atsakymas: I = 0,9502

Apibrėžtiniai integralai: ∫ₐᵇ f(x) dx – tai ženklą turintis plotas tarp grafiko ir x ašies nuo a iki b. Raskite pirmykštę funkciją F (F′ = f) ir apskaičiuokite F(b) − F(a). Laipsnio taisyklė: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Plotas tarp dviejų kreivių yra ∫(viršutinė − apatinė) dx.

Pirmykštė funkcija

F(x) = e−x/(−1)

Įstatykite rėžius

I = (e−3 − 1)/(−1) = (0,04979 − 1)/(−1) = 0,9502

Atsakymas

I = 0,9502
2.Integralai

Atsakymas: V = 107,2

Sukimosi kūnų tūriai: sritį po kreive y = f(x) nuo x = a iki x = b sukant apie x ašį, gaunamas kūnas, kurio pjūvis ties x yra skritulys, kurio spindulys f(x). Sudėjus skritulius, gaunama V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Kai sritis yra tarp išorinės kreivės R(x) ir vidinės kreivės r(x), kiekvienas sluoksnis yra žiedas: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Spindulius pakelkite kvadratu prieš atimdami.

Susikirtimo taškai

2x = 0,5x² → x = 0, x = 4

Žiedų metodas

V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx

Integruokite

V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2

Atsakymas

V = 107,2
3.Sekos ir eilutės

Atsakymas: C: Σ 1/(k(k + 4))

Konvergavimas: jei nariai nesiekia 0, eilutė diverguoja (būtinoji sąlyga). Σ1/kᵖ konverguoja tik kai p > 1, o Σrᵏ – tik kai |r| < 1. Eilutę palyginkite su viena iš šių, kai jos nariai dideliems k elgiasi panašiai. D’Alambero kriterijus: L = lim |ak+1/ak|; Koši šaknies kriterijus: L = lim |ak|1/k. L < 1 konverguoja, L > 1 diverguoja, L = 1 nieko nenusprendžia. Laipsninė eilutė Σck(x − x₀)ᵏ konverguoja, kai |x − x₀| < R, kur R = lim |ck/ck+1|; alternuojančioji eilutė, kurios nariai mažėja iki 0, konverguoja.

Patikrinkite kiekvieną eilutę

A: Σ (5/4)ᵏ → Geometrinė, kai r = 5/4 > 1: nariai auga, todėl diverguoja.
B: Σ ln k / k → Didesnė už 1/k, kai k ≥ 3: diverguoja pagal palyginimą su harmonine eilute.
C: Σ 1/(k(k + 4)) → Mažesnė už 1/k²: konverguoja pagal palyginimo kriterijų.
D: Σ 2/k → Harmoninės eilutės (p = 1) kartotinė: diverguoja.

Atsakymas

C: Σ 1/(k(k + 4))

Atsakymas

C: Σ 1/(k(k + 4))
4.Sekos ir eilutės

Atsakymas: S = −0,2222

Teiloro polinomai: prie x = a glodi funkcija aproksimuojama Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; kai a = 0, tai Maklorino polinomas. Standartinės eilutės: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagranžo paklaidos įvertis: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, kur M yra didžiausia |f⁽ⁿ⁺¹⁾| reikšmė tarp a ir x.

Standartinės eilutės

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

Įstatykite

x = −0,5
S = −0,5/(1 − (−0,5))² = −0,2222

Atsakymas

S = −0,2222
5.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: |∇f| = 0,4745

Gradientas: ∇f = (fx, fy) nukreiptas stačiausio kilimo kryptimi, o |∇f| yra didžiausias kitimo greitis. Išvestinė kryptimi v yra Duf = ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u = v/|v|. Liečiamoji plokštuma taške (a, b) yra z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); ji duoda tiesinę f aproksimaciją šalia to taško. Sudėtinės funkcijos taisyklė: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Dalinės išvestinės

fx = 3 cos(x + 2y) → fx(0,5, −1) = 0,2122
fy = 6 cos(x + 2y) → fy(0,5, −1) = 0,4244

Gradiento ilgis

|∇f| = √(0,2122² + 0,4244²) = 0,4745

Atsakymas

|∇f| = 0,4745
6.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas

Atsakymas: I = 0,3462

Kritiniai taškai ir dvilypiai integralai: kritiniame taške fx = fy = 0. Antros eilės išvestinių testas su D = fxxfyy − fxy²: D > 0 ir fxx > 0 yra lokalusis minimumas, D > 0 ir fxx < 0 – lokalusis maksimumas, D < 0 – balno taškas, o D = 0 nieko nenusprendžia. Dvilypiam integralui bendrojoje srityje vidinėmis ribomis imkite sritį ribojančias kreives; skritulių ir išpjovų atveju naudokite polines koordinates, x = r cos θ, y = r sin θ ir dA = r dr dθ (nepamirškite daugiklio r).

Sritis

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,5

Pakeista tvarka

I = ∫01,5 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫01,5 y·1/(1 + y²)² dy

Keitinys u = y²

I = [−1/(2(1 + y²))]01,5 = 0,3462

Atsakymas

I = 0,3462
7.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(2) = 0,5364

Antros eilės tiesinės lygtys: lygčiai y″ + b·y′ + c·y = 0 bandykite y = ert: gaunama charakteristinė lygtis r² + b·r + c = 0. Dvi skirtingos realiosios šaknys r₁ ≠ r₂ duoda y = A·er₁t + B·er₂t (viršslopinamas atvejis); dviguba šaknis r duoda y = (A + Bt)·ert (kritinis slopinimas); kompleksinės šaknys −α ± jω duoda y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (nepakankamas slopinimas, virpesiai). Pradinės vertės y(0) ir y′(0) nustato A ir B. Užrašius y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn yra savasis dažnis, o ζ – slopinimo santykis: kai ζ < 1, atsiranda virpesių. Esant pastoviam įėjimui, y″ + by′ + cy = c·K, sprendinys yra nusistovėjusi vertė K plius laisvoji dedamoji.

Charakteristinės šaknys

(r + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Konstantos pagal pradines vertes

A + B = 2, −1A − 3B = 2
A = 4, B = −2

Apskaičiuokite

y(2) = 4·e−2 + (−2)·e−6 = 0,5364

Atsakymas

y(2) = 0,5364
8.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: t = 63,85 min

Pirmos eilės diferencialinės lygtys: lygties dy/dt = k·y sprendinys yra y = y₀·ekt (augimas, kai k > 0, mažėjimas, kai k < 0); pusėjimo trukmė T duoda k = ln 2/T. Niutono aušimo dėsnis dT/dt = −k·(T − Tₐ) duoda T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Tiesinė lygtis y′ + p(x)·y = q(x) sprendžiama su integruojančiuoju daugikliu μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, todėl μy = ∫μq dx + C.

Rezultatas

m(t) = 25 + (−5)·e−t/125

Išspręskite t atžvilgiu

e−t/125 = (25 − 22)/(25 − 20) = 0,6
t = 125·ln(1,667) = 63,85 min

Atsakymas

t = 63,85 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2