Математический анализ 2: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Интегралы

Производная степени
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Определённый интеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
  2. Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для ex, 1/x, sin и cos.
  3. Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
  4. Для определённого интеграла вычислите F(b) − F(a).

Последовательности и ряды

Арифметическая прогрессия
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрическая прогрессия
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Бесконечный геометрический ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Признак Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радиус сходимости
R = lim |ck/ck+1|
Многочлен Тейлора
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Ряд Маклорена
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Оценка Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Метод

  1. Определите тип: арифметическая (постоянная разность), геометрическая (постоянное отношение), стандартный ряд, степенной ряд или многочлен Тейлора.
  2. Для сумм используйте Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) или S = a₁/(1 − r) при |r| < 1, где a₁ — первый член суммы.
  3. Для сходимости: сначала признак n-го члена, затем сравнение с Σ1/kᵖ или с геометрическим рядом, а для факториалов и k-х степеней используйте признак Даламбера или радикальный признак Коши.
  4. Для многочленов Тейлора выпишите f(a), f′(a), f″(a), …, разделите k-ю производную на k! и оцените погрешность по M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Математический анализ функций нескольких переменных

Частные производные
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градиент
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Производная по направлению
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Касательная плоскость
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Цепное правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест по вторым производным
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Двойной интеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярные координаты
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Метод

  1. Для частной производной считайте другую переменную константой и используйте правила для одной переменной.
  2. В задачах на градиент вычислите ∇f = (fx, fy) в точке; используйте |∇f| для наибольшего наклона и ∇f·u с единичным вектором u для производной по направлению.
  3. Для экстремумов решите fx = 0 и fy = 0 совместно, затем классифицируйте каждую точку по D = fxx·fyy − fxy².
  4. Для двойного интеграла нарисуйте область, выберите порядок (или полярные координаты для кругов) так, чтобы пределы внутреннего интеграла были ограничивающими кривыми, и интегрируйте сначала внутренний.

Дифференциальные уравнения

Экспоненциальный рост/убывание
dy/dt = ky → y = y0ekt
Период полураспада
k = ln 2 / t½
Закон охлаждения Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Интегрирующий множитель
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак смешения
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Тренировочные задачи

1.ИнтегралыСредняя
xy03

Вычислите I = ∫03 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 3]
I =
2.ИнтегралыСложная
xy2,5y = x²eˣ

Вычислите I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ k³/2ᵏk = 1 … ∞BΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞DΣ 5/k²k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ k³/2ᵏB: Σ (4/5)ᵏC: Σ k!/10ᵏD: Σ 5/k²
  1. 1A: Σ k³/2ᵏ
  2. 2B: Σ (4/5)ᵏ
  3. 3C: Σ k!/10ᵏ
  4. 4D: Σ 5/k²
4.Последовательности и рядыСложная
xyfP₄1,5

Используйте многочлен Маклорена степени 4 для f(x) = e2x, чтобы приблизить f(1,5). Укажите P₄(1,5).

f(x) = e2xn = 4x = 1,5
P₄(1.5) =
5.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя

z = 5xy + 4x² + 4y², где x = 3t + 1 и y = −t² − 1. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = 1.

z = 5xy + 4x² + 4y²x = 3t + 1y = −t² − 1t = 1
dz/dt =
6.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xyx = 1,5y = x1,5

Интеграл I = ∫01,5 ∫y1,5 ex² dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.

f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,5
I =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
t (min)T (°C)26Ta​T = ?

Кованую стальную деталь температурой 440 °C оставили остывать в цехе при 21 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,04 min⁻¹ найдите температуру T через 26 min.

T0 = 440 °CTa = 21 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 26 min
T = °C
8.Дифференциальные уравненияСложная
t (min)m (kg)60 minm = ?

В баке 1000 L воды, в которой растворено 20 kg соли. Рассол с содержанием соли 0,2 kg на литр поступает со скоростью 5 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 60 min?

V = 1000 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg

3Растворы

1.Интегралы

Ответ: I = 6,963

Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.

Первообразная

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

Подставьте пределы

I = (e1,5 − 1)/0,5 = (4,482 − 1)/0,5 = 6,963

Ответ

I = 6,963
2.Интегралы

Ответ: I = 37,59

Интегрирование по частям: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, из правила произведения. Выбирайте u как множитель, который упрощается при дифференцировании (степень x или ln x), а dv — как множитель, который можно проинтегрировать (eˣ, sin x, cos x или x, когда u = ln x). Для определённого интеграла вычисляйте u·v на обоих пределах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множитель x² требует двух шагов.

Первый шаг

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Второй шаг

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

Пределы

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Ответ

I = 37,59
3.Последовательности и ряды

Ответ: C: Σ k!/10ᵏ

Сходимость: если члены не стремятся к 0, ряд расходится (необходимый признак сходимости, признак n-го члена). Σ1/kᵖ сходится только при p > 1, а Σrᵏ — только при |r| < 1. Сравнивайте ряд с одним из них, когда его члены при больших k ведут себя так же. Признак Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; радикальный признак Коши: L = lim |ak|1/k. При L < 1 ряд сходится, при L > 1 расходится, при L = 1 вывода нет. Степенной ряд Σck(x − x₀)ᵏ сходится при |x − x₀| < R, где R = lim |ck/ck+1|; знакочередующийся ряд с членами, убывающими к 0, сходится.

Проверьте каждый ряд

A: Σ k³/2ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/2 < 1, сходится.
B: Σ (4/5)ᵏ → Геометрический ряд с r = 4/5, |r| < 1: сходится.
C: Σ k!/10ᵏ → Признак Даламбера: L = lim (k + 1)/10 = ∞, расходится.
D: Σ 5/k² → p-ряд с p = 2 > 1: сходится.

Ответ

C: Σ k!/10ᵏ

Ответ

C: Σ k!/10ᵏ
4.Последовательности и ряды

Ответ: P₄(1.5) = 16,38

Многочлены Тейлора: вблизи x = a гладкая функция приближается многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; при a = 0 это многочлен Маклорена. Стандартные ряды: 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. Оценка остатка по Лагранжу: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, где M — наибольшее значение |f⁽ⁿ⁺¹⁾| между a и x.

Многочлен Маклорена

P₄(x) = 1 + 2x + 2x² + 1,333x³ + 0,6667x⁴

Подставьте

P₄(1,5) = 1 + 3 + 4,5 + 4,5 + 3,375 = 16,38

Ответ

P₄(1,5) = 16,38

Точное значение равно f(1,5) = 20,085537; погрешность 3,710537 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.

5.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: dz/dt = 58

Градиент: ∇f = (fx, fy) указывает направление наискорейшего роста, а |∇f| — наибольшая скорость изменения. Производная по направлению v равна Duf = ∇f·u, где единичный вектор u = v/|v|. Касательная плоскость в точке (a, b) задаётся уравнением z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); она даёт линейное приближение f вблизи этой точки. Цепное правило: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Точка и скорости

x(1) = 4, y(1) = −2
dx/dt = 3, dy/dt = −2t = −2

Частные производные

fx = 5y + 8x = 22
fy = 5x + 8y = 4

Цепное правило

dz/dt = 22·3 + 4·(−2) = 58

Ответ

dz/dt = 58
6.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 4,244

Критические точки и двойные интегралы: в критической точке fx = fy = 0. Тест по вторым производным с D = fxxfyy − fxy²: D > 0 и fxx > 0 — локальный минимум, D > 0 и fxx < 0 — локальный максимум, D < 0 — седловая точка, а D = 0 ничего не решает. Для двойного интеграла по произвольной области пусть пределы внутреннего интеграла будут кривыми, ограничивающими область; для кругов и секторов используйте полярные координаты, x = r cos θ, y = r sin θ и dA = r dr dθ (не забывайте множитель r).

Область

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,5

Изменённый порядок

I = ∫01,5 ∫0x ex² dy dx = ∫01,5 x·ex² dx

Замена u = x²

I = [ex²/2]01,5 = 4,244

Ответ

I = 4,244
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 169,1 °C

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.

Решение закона охлаждения

T(t) = 21 + 419·e−0,04t

Подставьте t

T(26) = 21 + 419·0,3535 = 169,1 °C

Ответ

T = 169,1 °C
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: m = 66,65 kg

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.

Составьте уравнение

dm/dt = 5·0,2 − (5/1000)·m = 1 − 0,005·m

Решите

Интегрирующий множитель равен ert/V; решение стремится к равновесному значению c·V.

m(t) = 200 + (−180)·e−t/200

Подставьте t

m(60) = 200 + (−180)·0,7408 = 66,65 kg

Ответ

m = 66,65 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2