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
xy01

Oblicz I = ∫01 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
2.CałkiTrudny
xy2y = x²eˣ

Oblicz I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
3.Ciągi i szeregiŚredni
AΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞

Dokładnie jeden z czterech szeregów jest rozbieżny. Kliknij go.

A: Σ (7/4)ᵏB: Σ (4/5)ᵏC: Σ 3ᵏ/k!D: Σ (−1)ᵏ/k
  1. 1A: Σ (7/4)ᵏ
  2. 2B: Σ (4/5)ᵏ
  3. 3C: Σ 3ᵏ/k!
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/k
4.Ciągi i szeregiTrudny
xyfP₄0,5

Użyj wielomianu Maclaurina stopnia 4 funkcji f(x) = 1/(1 + x), aby przybliżyć f(0,5). Podaj P₄(0,5).

f(x) = 1/(1 + x)n = 4x = 0,5
P₄(0.5) =
5.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychŚredni
xy−6−4−2002PQ

Dla f(x, y) = −3x³y³ + 3x³ − 4y³ − 3xy znajdź pochodną kierunkową Duf w punkcie P(−2, 1) w kierunku punktu Q(−6, 1).

f(x, y) = −3x³y³ + 3x³ − 4y³ − 3xyP = (−2, 1)Q = (−6, 1)
Duf =
6.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennychTrudny
xyy = 3xy = x²39

Oblicz I = ∬R y dA, gdzie R to obszar między parabolą y = x² a prostą y = 3x.

y = x²y = 3xf = y
I =
7.Równania różniczkoweŚredni
t (min)T (°C)21Ta​39 °C75 °C

Filiżankę kawy o temperaturze 91 °C zostawiono w pokoju o temperaturze 18 °C. Po 21 min jej temperatura wynosi 39 °C. Podlega ona prawu stygnięcia Newtona, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Po jakim czasie od początku, t, osiągnie 75 °C?

T0 = 91 °CTa = 18 °CT(21) = 39 °CT = 75 °C
t = min
8.Równania różniczkoweTrudny
xy12(1, 5)y(2) = ?

Rozwiąż zagadnienie początkowe y′ + 2y/x = 6x dla x > 0, z y(1) = 5. Wyznacz y(2).

y′ + 2y/x = 6xy(1) = 5
y(2) =

3Roztwory

1.Całki

Odpowiedź: I = 1,297

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.

Funkcja pierwotna

F(x) = e0,5x/0,5

Podstaw granice

I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297

Odpowiedź

I = 1,297
2.Całki

Odpowiedź: I = 12,78

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.

Pierwsza runda

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Druga runda

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Granice

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Odpowiedź

I = 12,78
3.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: A: Σ (7/4)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 (7/4)ᵏ → Geometryczny z r = 7/4 > 1: wyrazy rosną, więc jest rozbieżny.
B: Σ (4/5)ᵏ → Geometryczny z r = 4/5, |r| < 1: zbieżny.
C: Σ 3ᵏ/k! → Kryterium d’Alemberta: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, zbieżny.
D: Σ (−1)ᵏ/k → Naprzemienny, 1/k maleje do 0: zbieżny (warunkowo).

Odpowiedź

A: Σ (7/4)ᵏ

Odpowiedź

A: Σ (7/4)ᵏ
4.Ciągi i szeregi

Odpowiedź: P₄(0.5) = 0,6875

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

P₄(x) = 1 − x + x² − x³ + x⁴

Podstaw

P₄(0,5) = 1 − 0,5 + 0,25 − 0,125 + 0,0625 = 0,6875

Odpowiedź

P₄(0,5) = 0,6875

Dokładna wartość to f(0,5) = 0,666667; błąd −0,0208333 maleje, gdy bierzesz więcej wyrazów lub punkt bliższy 0.

5.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: Duf = 3

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 = −9x²y³ + 9x² − 3y → fx(−2, 1) = −3
fy = −9x³y² − 12y² − 3x → fy(−2, 1) = 66

Wersor

|v| = √((−4)² + 0²) = 4
u = (−1, 0)

Iloczyn skalarny

Duf = (−3)·(−1) + 66·0 = 3

Odpowiedź

Duf = 3
6.Rachunek różniczkowy i całkowy wielu zmiennych

Odpowiedź: I = 16,2

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 przecięcia

x² = 3x → x = 0, x = 3

Całka wewnętrzna

∫x²3x y dy = [y²/2] = (9x² − x⁴)/2

Całka zewnętrzna

I = ∫03 (9x² − x⁴)/2 dx = 16,2

Odpowiedź

I = 16,2
7.Równania różniczkowe

Odpowiedź: t = 4,17 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(73/21)/21 = 0,05933 min⁻¹

Czas do osiągnięcia celu

t = ln(73/57)/0,05933 = 4,17 min

Odpowiedź

t = 4,17 min
8.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(2) = 6,875

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.

Czynnik całkujący

μ = e∫2/x dx = x2

Całkuj

(x2y)′ = 6x3 → x2y = 6x4/4 + C

Warunek początkowy

5 = 6/4 + C → C = 3,5

Oblicz

y(2) = (6·24/4 + 3,5)/22 = 6,875

Odpowiedź

y(2) = 6,875

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2