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
xyπ/2y = x·cos x

Oblicz I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x w radianach).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
2.CałkiTrudny
xy−33

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 9 − x² a osią x.

y = 9 − x²
A =
3.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k² + 1)k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (4/5)ᵏB: Σ 1/(k² + 1)C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ 3ᵏ/k³
  1. 1A: Σ (4/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(k² + 1)
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ 3ᵏ/k³
4.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₂−0,3

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 2 funkcji f(x) = ln(1 − x), aby przybliżyć f(−0,3). Podaj P₂(−0,3).

f(x) = ln(1 − x)n = 2x = −0,3
P₂(−0.3) =
5.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy050246vP

Dla f(x, y) = −4x²y − 4x² − 3y³ − 2xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie (1, 3) w kierunku v = (−2, 2).

f(x, y) = −4x²y − 4x² − 3y³ − 2xyP = (1, 3)v = (−2, 2)
Duf =
6.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xy−202−20AB

Zaznaczone punkty to punkty krytyczne funkcji f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y. Kliknij punkt siodłowy.

f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y
  1. 1A (−1, −2)
  2. 2B (1, −2)
7.Równania różniczkoweŚredni
t (min)T (°C)55Ta​T = ?

Odkuwkę stalową o temperaturze 440 °C zostawiono do ostygnięcia w warsztacie o temperaturze 28 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Przy k = 0,03 min⁻¹ wyznacz jej temperaturę T po 55 min.

T0 = 440 °CTa = 28 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 55 min
T = °C
8.Równania różniczkoweTrudny
t (min)m (kg)35 minm = ?

Zbiornik zawiera 100 L wody, w której rozpuszczono 10 kg soli. Solanka zawierająca 0,25 kg soli na litr wpływa z natężeniem 4 L/min, a dobrze wymieszany roztwór wypływa z tym samym natężeniem. Ile soli m jest w zbiorniku po 35 min?

V = 100 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg

3Roztwory

1.Całki

Odpowiedź: I = 0,5708

Całkowanie przez części: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, co wynika z reguły różniczkowania iloczynu. Za u wybierz czynnik, który po zróżniczkowaniu staje się prostszy (potęga x lub ln x), a za dv czynnik, który umiesz scałkować (eˣ, sin x, cos x albo x, gdy u = ln x). Dla całki oznaczonej oblicz u·v na obu granicach: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Czynnik x² wymaga dwóch rund.

Wybierz u i dv

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Funkcja pierwotna

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Granice

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Odpowiedź

I = 0,5708
2.Całki

Odpowiedź: A = 36

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

9 − x² = 0 → x = ±3

Całkuj

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Odpowiedź

A = 36
3.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: D: Σ 3ᵏ/k³

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 (4/5)ᵏ → Geometryczny z r = 4/5, |r| < 1: zbieżny.
B: Σ 1/(k² + 1) → Mniejszy niż 1/k², zbieżny szereg p: zbieżny na mocy kryterium porównawczego.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Naprzemienny, 1/k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).
D: Σ 3ᵏ/k³ → Kryterium d’Alemberta: L = 3 > 1, rozbieżny.

Odpowiedź

D: Σ 3ᵏ/k³

Odpowiedź

D: Σ 3ᵏ/k³
4.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₂(−0.3) = 0,255

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.

Wielomian Maclaurina

P₂(x) = −x − 0,5x²

Podstaw

P₂(−0,3) = 0,3 − 0,045 = 0,255

Odpowiedź

P₂(−0,3) = 0,255

Dokładna wartość to f(−0,3) = 0,262364; błąd 0,00736426 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

5.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = −34,65

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.

Gradient w punkcie

fx = −8xy − 8x − 2y → fx(1, 3) = −38
fy = −4x² − 9y² − 2x → fy(1, 3) = −87

Wersor

|v| = √((−2)² + 2²) = 2,828
u = (−0,7071, 0,7071)

Iloczyn skalarny

Duf = (−38)·(−0,7071) + (−87)·0,7071 = −34,65

Odpowiedź

Duf = −34,65
6.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: A (−1, −2)

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).

Punkty krytyczne

Rozwiąż jednocześnie fx = 0 i fy = 0.

fx = −(3x² − 3) = 0
fy = −(2y + 4) = 0
(1, −2), (−1, −2)

Test drugiej pochodnej

(1, −2): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → maksimum lokalne
(−1, −2): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → punkt siodłowy

Punkt

A (−1, −2): punkt siodłowy

Odpowiedź

A (−1, −2)
7.Równania różniczkowe

Odpowiedź: T = 107,1 °C

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.

Rozwiązanie prawa stygnięcia

T(t) = 28 + 412·e−0,03t

Podstaw t

T(55) = 28 + 412·0,192 = 107,1 °C

Odpowiedź

T = 107,1 °C
8.Równania różniczkowe

Odpowiedź: m = 21,3 kg

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.

Ułóż równanie

dm/dt = 4·0,25 − (4/100)·m = 1 − 0,04·m

Rozwiąż

Czynnik całkujący to ert/V; rozwiązanie dąży do stanu równowagi c·V.

m(t) = 25 + (−15)·e−t/25

Podstaw t

m(35) = 25 + (−15)·0,2466 = 21,3 kg

Odpowiedź

m = 21,3 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2