Kalkulus 2: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Kamiran

Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Kamiran tentu: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Kamiran lazim: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Luas antara lengkung: ∫_a^b (f − g) dx

Kaedah

Tulis semula kamiran sebagai hasil tambah sebutan ringkas jika boleh.
Gunakan petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), dan kamiran piawai untuk e^x, 1/x, sin dan cos.
Gunakan penggantian apabila anda melihat satu fungsi dan terbitannya bersama.
Untuk kamiran tentu, nilaikan F(b) − F(a).

Jujukan & siri

Jujukan aritmetik: aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Jujukan geometri: aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Siri geometri tak terhingga: S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Siri-p: Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ujian nisbah: L = lim |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Jejari penumpuan: R = lim |c_k/c_k+1|
Polinomial Taylor: Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Siri Maclaurin: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Had ralat Lagrange: |Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Kaedah

Kenal pasti jenisnya: aritmetik (beza malar), geometri (nisbah malar), siri piawai, siri kuasa atau polinomial Taylor.
Untuk hasil tambah gunakan Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), atau S = a₁/(1 − r) apabila |r| < 1, dengan a₁ ialah sebutan pertama hasil tambah.
Untuk penumpuan: ujian sebutan ke-n dahulu, kemudian bandingkan dengan Σ1/kᵖ atau siri geometri, dan gunakan ujian nisbah atau punca untuk faktorial dan kuasa k.
Untuk polinomial Taylor senaraikan f(a), f′(a), f″(a), …, bahagi terbitan ke-k dengan k!, dan beri had ralat dengan M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Kalkulus multipemboleh ubah

Terbitan separa: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
Kecerunan: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
Terbitan arah: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
Satah tangen: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
Petua rantai: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
Ujian terbitan kedua: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
Kamiran berganda: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_g(x)^h(x) f dy dx
Koordinat kutub: x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Kaedah

Untuk terbitan separa, anggap pemboleh ubah yang satu lagi sebagai pemalar dan gunakan petua satu pemboleh ubah.
Untuk soalan kecerunan hitung ∇f = (f_x, f_y) pada titik itu; gunakan |∇f| untuk cerun paling curam dan ∇f·u dengan vektor unit u untuk terbitan arah.
Untuk ekstrem selesaikan f_x = 0 dan f_y = 0 bersama-sama, kemudian kelaskan setiap titik dengan D = f_xx·f_yy − f_xy².
Untuk kamiran berganda lakar rantau itu, pilih susunan (atau koordinat kutub untuk cakera) supaya had dalam ialah lengkung pembatas, dan kamirkan bahagian dalam dahulu.

Persamaan pembezaan

Pertumbuhan/pereputan eksponen: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
Separuh hayat: k = ln 2 / t_½
Hukum penyejukan Newton: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
Faktor pengamiran: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
Tangki pencampuran: dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Soalan latihan

1.KamiranSederhana

Nilaikan I = ∫₂⁴ 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 4]

I =

2.KamiranSukar

Cari luas A kawasan yang dikelilingi oleh y = 2x² dan y = 2x.

y = 2x²y = 2x

A =

3.Jujukan & siriSederhana

Siri kuasa Σ_k=1^∞ (2k)!·(x − 1)ᵏ/(k!)² menumpu pada selang di sekitar x₀ = 1. Cari hujung kanan x selang itu.

Σ (2k)!·(x − 1)ᵏ/(k!)²x₀ = 1

x =

4.Jujukan & siriSukar

f(x) = cos x dianggarkan pada x = 1 oleh polinomial Maclaurin berdarjah n. Dengan had Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! dan M = 1, cari darjah terkecil n yang menjamin ralat di bawah 0.0001.

f(x) = cos xx = 1M = 1ε = 0.0001

n =

5.Kalkulus multipemboleh ubahSederhana

Bagi f(x, y) = −x²y² − 3x³ − 4y³ + 3xy, cari terbitan arah D_uf pada (2, 3) dalam arah v = (3, 3).

f(x, y) = −x²y² − 3x³ − 4y³ + 3xyP = (2, 3)v = (3, 3)

D_uf =

6.Kalkulus multipemboleh ubahSukar

Gunakan koordinat kutub untuk menilai I = ∬_R √(x² + y²) dA, dengan R ialah gelang 0.25 ≤ x² + y² ≤ 9.

f = √(x² + y²)0.5 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ 2π

I =

7.Persamaan pembezaanSederhana

Selesaikan y″ + 8y′ + 15y = 0 dengan y(0) = 2 dan y′(0) = 6. Cari y(1.5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 2y′(0) = 6

y(1.5) =

8.Persamaan pembezaanSukar

Sebuah tangki mengandungi 100 L air tulen. Air garam dengan 0.2 kg garam setiap liter mengalir masuk pada 20 L/min, dan larutan yang bercampur sekata mengalir keluar pada kadar yang sama. Berapakah jumlah garam m dalam tangki selepas 5 min?

V = 100 Lm₀ = 0 kgc = 0.2 kg/Lr = 20 L/min

m = kg

3Larutan

1.Kamiran

Jawapan: I = 1.386

Kamiran tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx ialah luas bertanda antara graf dan paksi-x dari a hingga b. Cari antiterbitan F (dengan F′ = f) dan nilaikan F(b) − F(a). Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua lengkung ialah ∫(atas − bawah) dx.

Antiterbitan

F(x) = 2·ln x

Nilaikan pada had

I = 2·(ln 4 − ln 2) = 2·ln 2 = 1.386

Jawapan

I = 1.386

2.Kamiran

Jawapan: A = 0.3333

Titik persilangan

2x² = 2x → x = 0, x = 1

Kamirkan atas tolak bawah

A = [x² − 0.6667x³]₀¹ = 0.3333

Jawapan

A = 0.3333

3.Jujukan & siri

Jawapan: x = 1.25

Penumpuan: jika sebutan tidak menuju 0, siri itu mencapah (ujian sebutan ke-n). Σ1/kᵖ menumpu hanya untuk p > 1, dan Σrᵏ hanya untuk |r| < 1. Bandingkan siri dengan salah satu daripadanya apabila sebutannya berkelakuan seperti itu bagi k yang besar. Ujian nisbah: L = lim |a_k+1/a_k|; ujian punca: L = lim |a_k|^1/k. L < 1 menumpu, L > 1 mencapah, L = 1 tidak menentukan apa-apa. Siri kuasa Σc_k(x − x₀)ᵏ menumpu untuk |x − x₀| < R dengan R = lim |c_k/c_k+1|; siri berselang-seli dengan sebutan menurun kepada 0 menumpu.

Pekali

c_k+1/c_k = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, maka R = 1/4

Jejari

R = 0.25

Selang

0.75 < x < 1.25

x = 1.25

Jawapan

x = 1.25

Ujian nisbah tidak menentukan apa-apa pada kedua-dua titik hujung; ia mesti disemak secara berasingan.

4.Jujukan & siri

Jawapan: n = 7

Polinomial Taylor: berhampiran x = a, fungsi licin dianggarkan oleh Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; untuk a = 0 ini ialah polinomial Maclaurin. Siri piawai: 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. Had ralat Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dengan M ialah nilai terbesar |f⁽ⁿ⁺¹⁾| antara a dengan x.

Had untuk n yang meningkat

n = 6: 0.0001984 ≥ 0.0001

n = 7: 2.48 × 10⁻⁵ < 0.0001

Darjah terkecil

n = 7

Jawapan

n = 7

5.Kalkulus multipemboleh ubah

Jawapan: D_uf = −133.6

Kecerunan: ∇f = (f_x, f_y) menunjuk ke arah menaik paling curam, dan |∇f| ialah kadar perubahan terbesar. Terbitan arah sepanjang arah v ialah D_uf = ∇f·u dengan vektor unit u = v/|v|. Satah tangen pada (a, b) ialah z = f(a, b) + f_x(a, b)(x − a) + f_y(a, b)(y − b); ia memberi hampiran linear bagi f berhampiran titik itu. Petua rantai: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt.

Kecerunan pada titik itu

f_x = −2xy² − 9x² + 3y → f_x(2, 3) = −63

f_y = −2x²y − 12y² + 3x → f_y(2, 3) = −126

Vektor unit

|v| = √(3² + 3²) = 4.243

u = (0.7071, 0.7071)

Hasil darab titik

D_uf = (−63)·0.7071 + (−126)·0.7071 = −133.6

Jawapan

D_uf = −133.6

6.Kalkulus multipemboleh ubah

Jawapan: I = 56.29

Titik genting dan kamiran berganda: titik genting mempunyai f_x = f_y = 0. Ujian terbitan kedua dengan D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0 dan f_xx > 0 ialah minimum tempatan, D > 0 dan f_xx < 0 maksimum tempatan, D < 0 titik pelana, dan D = 0 tidak menentukan apa-apa. Untuk kamiran berganda ke atas rantau am, jadikan had dalam sebagai lengkung yang mengelilingi rantau itu; untuk cakera dan sektor gunakan koordinat kutub, x = r cos θ, y = r sin θ dan dA = r dr dθ (jangan lupa faktor r).

Bentuk kutub

I = ∫₀^2π ∫_0.5³ r·r dr dθ

Kamirkan

∫ r·r dr = [r³/3]

I = 56.29

Jawapan

I = 56.29

7.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(1.5) = 0.08555

Persamaan linear tertib kedua: bagi y″ + b·y′ + c·y = 0 cuba y = e^rt: ini memberikan persamaan ciri r² + b·r + c = 0. Dua punca nyata r₁ ≠ r₂ memberikan y = A·e^r₁t + B·e^r₂t (redaman lampau); punca berganda r memberikan y = (A + Bt)·e^rt (redaman genting); punca kompleks −α ± jω memberikan y = e^−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berayun). Nilai awal y(0) dan y′(0) menetapkan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0, ω_n ialah frekuensi tabii dan ζ nisbah redaman: ζ < 1 berayun. Dengan input malar, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya ialah nilai mantap K tambah sambutan bebas.

Punca ciri

(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Pemalar daripada nilai awal

A + B = 2, −3A − 5B = 6

A = 8, B = −6

Nilaikan

y(1.5) = 8·e^−4.5 + (−6)·e^−7.5 = 0.08555

Jawapan

y(1.5) = 0.08555

8.Persamaan pembezaan

Jawapan: m = 12.64 kg

Persamaan pembezaan peringkat pertama: dy/dt = k·y mempunyai penyelesaian y = y₀·e^kt (pertumbuhan bagi k > 0, pereputan bagi k < 0); separuh hayat T memberikan k = ln 2/T. Hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor pengamiran μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq, maka μy = ∫μq dx + C.

Sediakan persamaan

dm/dt = 20·0.2 − (20/100)·m = 4 − 0.2·m

Selesaikan

Faktor pengamiran ialah e^rt/V; penyelesaiannya menghampiri keseimbangan c·V.

m(t) = 20 + (−20)·e^−t/5

Gantikan t

m(5) = 20 + (−20)·0.3679 = 12.64 kg

Jawapan

m = 12.64 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2