Analiza matematyczna 2: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Całki

Pochodna potęgi
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Całka oznaczona
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Podstawowe całki
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Pole między krzywymi
∫ab (f − g) dx

Metoda

  1. Tam, gdzie to możliwe, zapisz funkcję podcałkową jako sumę prostych wyrazów.
  2. Zastosuj wzór na całkę potęgi: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) oraz całki podstawowe dla ex, 1/x, sin i cos.
  3. Użyj podstawienia, gdy widzisz razem funkcję i jej pochodną.
  4. Dla całki oznaczonej oblicz F(b) − F(a).

Ciągi i szeregi

Ciąg arytmetyczny
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Ciąg geometryczny
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Nieskończony szereg geometryczny
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Szereg p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Kryterium d’Alemberta
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Promień zbieżności
R = lim |ck/ck+1|
Wielomian Taylora
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Szereg Maclaurina
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Oszacowanie Lagrange’a
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metoda

  1. Rozpoznaj typ: arytmetyczny (stała różnica), geometryczny (stały iloraz), szereg standardowy, szereg potęgowy lub wielomian Taylora.
  2. Dla sum użyj Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) albo S = a₁/(1 − r), gdy |r| < 1, gdzie a₁ to pierwszy wyraz sumy.
  3. Dla zbieżności: najpierw warunek konieczny, potem porównanie z Σ1/kᵖ lub szeregiem geometrycznym, a dla silni i potęg o wykładniku k użyj kryterium d’Alemberta lub Cauchy’ego.
  4. Dla wielomianów Taylora wypisz f(a), f′(a), f″(a), …, podziel k-tą pochodną przez k! i oszacuj błąd przez M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Pochodne cząstkowe
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Pochodna kierunkowa
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Płaszczyzna styczna
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Reguła łańcuchowa
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test drugiej pochodnej
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Całka podwójna
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Współrzędne biegunowe
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Metoda

  1. Przy pochodnej cząstkowej traktuj drugą zmienną jak stałą i używaj reguł dla jednej zmiennej.
  2. W zadaniach o gradiencie oblicz ∇f = (fx, fy) w punkcie; użyj |∇f| dla największego nachylenia i ∇f·u z wektorem jednostkowym u dla pochodnej kierunkowej.
  3. Dla ekstremów rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0, a potem sklasyfikuj każdy punkt przez D = fxx·fyy − fxy².
  4. Dla całki podwójnej naszkicuj obszar, wybierz kolejność (lub współrzędne biegunowe dla kół), aby granice wewnętrzne były krzywymi ograniczającymi, i całkuj najpierw wewnątrz.

Równania różniczkowe

Wzrost/zanik wykładniczy
dy/dt = ky → y = y0ekt
Okres połowicznego rozpadu
k = ln 2 / t½
Prawo stygnięcia Newtona
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Czynnik całkujący
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Zbiornik z mieszaniem
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Zadania do ćwiczenia

1.CałkiŚredni
xy3y = √(2x)

Obszar pod krzywą y = √(2x) od x = 0 do x = 3 obraca się wokół osi x. Wyznacz objętość V otrzymanej bryły (paraboloidy).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 3
V =
2.CałkiTrudny
xy−11

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 1 − x² a osią x.

y = 1 − x²
A =
3.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (4k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest zbieżny. Kliknij go.

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)B: Σ ln k / kC: Σ (4/3)ᵏD: Σ (1/2)ᵏ
  1. 1A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ ln k / k
  3. 3C: Σ (4/3)ᵏ
  4. 4D: Σ (1/2)ᵏ
4.Ciągi i szeregiTrudny

Znajdź współczynnik c₄ przy (x − 3)⁴ w szeregu Taylora funkcji f(x) = ln x w punkcie a = 3.

f(x) = ln xa = 3k = 4
c₄ =
5.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni

z = −x²y² + 4x² − y² + 2xy, gdzie x = −3t − 2 i y = t². Użyj reguły łańcuchowej, aby znaleźć dz/dt dla t = 0.

z = −x²y² + 4x² − y² + 2xyx = −3t − 2y = t²t = 0
dz/dt =
6.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy−50−202(−3, 0)

Funkcja f(x, y) = −2x² + 2xy − y² − 12x + 6y + 5 ma punkt krytyczny w (−3, 0). Oblicz tam wyróżnik D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −2x² + 2xy − y² − 12x + 6y + 5P = (−3, 0)
D =
7.Równania różniczkoweŚredni
t (min)T (°C)12Ta​14 °C20 °C

Puszkę napoju o temperaturze 6 °C wyjęto z lodówki do pokoju o temperaturze 24 °C. Po 12 min jej temperatura wynosi 14 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 20 °C?

T0 = 6 °CTa = 24 °CT(12) = 14 °CT = 20 °C
t = min
8.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 1ymax​ = ?

Układ spełnia równanie y″ + 2y′ + 26y = 26 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz wartość szczytową ymax jego odpowiedzi skokowej.

y″ + 2y′ + 26y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Roztwory

1.Całki

Odpowiedź: V = 28,27

Objętości brył obrotowych: obrót obszaru pod krzywą y = f(x) od x = a do x = b wokół osi x tworzy bryłę, której przekrojem w punkcie x jest koło o promieniu f(x). Dodanie tych kół daje V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Gdy obszar leży między krzywą zewnętrzną R(x) a wewnętrzną r(x), każdy plasterek jest pierścieniem: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Promienie podnieś do kwadratu przed odejmowaniem.

Metoda dysków

V = π∫₀3 2x dx

Całkuj

V = π·2·3²/2 = 28,27

Odpowiedź

V = 28,27
2.Całki

Odpowiedź: A = 1,333

Całki oznaczone: ∫ₐᵇ f(x) dx to pole ze znakiem między wykresem a osią x od a do b. Znajdź funkcję pierwotną F (F′ = f) i oblicz F(b) − F(a). Reguła potęgowa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Pole między dwiema krzywymi to ∫(górna − dolna) dx.

Miejsca zerowe

1 − x² = 0 → x = ±1

Całkuj

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Odpowiedź

A = 1,333
3.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ (1/2)ᵏ

Zbieżność: jeśli wyrazy nie dążą do 0, szereg jest rozbieżny (warunek konieczny). Σ1/kᵖ jest zbieżny tylko dla p > 1, a Σrᵏ tylko dla |r| < 1. Porównaj szereg z jednym z tych, gdy jego wyrazy dla dużych k zachowują się jak one. Kryterium d’Alemberta: L = lim |ak+1/ak|; kryterium Cauchy’ego: L = lim |ak|1/k. L < 1 oznacza zbieżność, L > 1 rozbieżność, L = 1 nie rozstrzyga. Szereg potęgowy Σck(x − x₀)ᵏ jest zbieżny dla |x − x₀| < R, gdzie R = lim |ck/ck+1|; szereg naprzemienny o wyrazach malejących do 0 jest zbieżny.

Zbadaj każdy szereg

A: Σ (4k + 1)/(k + 2) → Wyrazy dążą do 4, a nie do 0: rozbieżny na mocy warunku koniecznego.
B: Σ ln k / k → Większy niż 1/k dla k ≥ 3: rozbieżny na mocy porównania z szeregiem harmonicznym.
C: Σ (4/3)ᵏ → Geometryczny z r = 4/3 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.
D: Σ (1/2)ᵏ → Geometryczny z r = 1/2, |r| < 1: zbieżny.

Odpowiedź

D: Σ (1/2)ᵏ

Odpowiedź

D: Σ (1/2)ᵏ
4.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: c₄ = −0,003086

Wielomiany Taylora: w pobliżu x = a funkcję gładką przybliża Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; dla a = 0 jest to wielomian Maclaurina. Szeregi standardowe: 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. Oszacowanie reszty Lagrange’a: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, gdzie M to największa wartość |f⁽ⁿ⁺¹⁾| między a i x.

Pochodna f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −6/x⁴

Współczynnik

c₄ = f⁽⁴⁾(3)/4! = −6/(3⁴·24) = −0,003086
c₄ = −0,003086

Odpowiedź

c₄ = −0,003086
5.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: dz/dt = 48

Gradient: ∇f = (fx, fy) wskazuje kierunek najszybszego wzrostu, a |∇f| to największa szybkość zmiany. Pochodna kierunkowa wzdłuż kierunku v to Duf = ∇f·u z wektorem jednostkowym u = v/|v|. Płaszczyzna styczna w (a, b) to z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); daje liniowe przybliżenie f w pobliżu tego punktu. Reguła łańcuchowa: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Punkt i szybkości zmian

x(0) = −2, y(0) = 0
dx/dt = −3, dy/dt = 2t = 0

Pochodne cząstkowe

fx = −2xy² + 8x + 2y = −16
fy = −2x²y − 2y + 2x = −4

Reguła łańcuchowa

dz/dt = (−16)·(−3) + (−4)·0 = 48

Odpowiedź

dz/dt = 48
6.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: D = 4

Punkty krytyczne i całki podwójne: punkt krytyczny ma fx = fy = 0. Test drugiej pochodnej z D = fxxfyy − fxy²: D > 0 i fxx > 0 to minimum lokalne, D > 0 i fxx < 0 maksimum lokalne, D < 0 punkt siodłowy, a D = 0 nic nie rozstrzyga. Dla całki podwójnej po obszarze ogólnym granice wewnętrzne wyznaczają krzywe ograniczające obszar; dla kół i wycinków użyj współrzędnych biegunowych, x = r cos θ, y = r sin θ oraz dA = r dr dθ (nie zapomnij o czynniku r).

Pochodne drugiego rzędu

fxx = −4, fyy = −2, fxy = 2

Wyróżnik

D = (−4)·(−2) − 2² = 4
→ maksimum lokalne

Odpowiedź

D = 4
7.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 30,71 min

Równania różniczkowe pierwszego rzędu: dy/dt = k·y ma rozwiązanie y = y₀·ekt (wzrost dla k > 0, zanik dla k < 0); okres połowicznego rozpadu T daje k = ln 2/T. Prawo stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ), daje T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Równanie liniowe y′ + p(x)·y = q(x) rozwiązuje się czynnikiem całkującym μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, więc μy = ∫μq dx + C.

Stała stygnięcia

k = ln(-18/-10)/12 = 0,04898 min⁻¹

Czas do osiągnięcia celu

t = ln(-18/(−4))/0,04898 = 30,71 min

Odpowiedź

t = 30,71 min
8.Równania różniczkowe

Odpowiedź: ymax = 1,533

Liniowe równania drugiego rzędu: dla y″ + b·y′ + c·y = 0 spróbuj y = ert: otrzymasz równanie charakterystyczne r² + b·r + c = 0. Dwa różne pierwiastki rzeczywiste r₁ ≠ r₂ dają y = A·er₁t + B·er₂t (tłumienie nadkrytyczne); pierwiastek podwójny r daje y = (A + Bt)·ert (tłumienie krytyczne); pierwiastki zespolone −α ± jω dają y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (tłumienie podkrytyczne, drgania). Wartości początkowe y(0) i y′(0) wyznaczają A i B. Zapisane jako y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn jest częstością drgań własnych, a ζ współczynnikiem tłumienia: dla ζ < 1 występują drgania. Przy stałym wymuszeniu y″ + by′ + cy = c·K rozwiązaniem jest wartość ustalona K plus odpowiedź swobodna.

Wartość ustalona i pierwiastki

yss = 1, r = −1 ± 5j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −0,2

Szczyt

t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−1·π/5) = 1,533

Odpowiedź

ymax = 1,533

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2