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
xy02

Вычислите I = ∫02 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
2.ИнтегралыСложная
xy1y = xy = x²

Область между прямой y = x и параболой y = x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.

y = xy = x²
V =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞BΣ 2/kk = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ 1/(k(k + 4))B: Σ 2/kC: Σ (5/4)ᵏD: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 4))
  2. 2B: Σ 2/k
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = cos x приближается её многочленом Маклорена степени 2 в точке x = 1,5. Используйте оценку Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! с M = 1, чтобы найти наибольшую возможную погрешность |R₂|.

f(x) = cos xn = 2x = 1,5M = 1
|R₂| =
5.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy−13P

Касательную плоскость к z = −xy² − 3x² + 2y³ − xy в точке, где (x, y) = (−1, 3), можно записать как z = px + qy + c. Найдите c.

f(x, y) = −xy² − 3x² + 2y³ − xy(a, b) = (−1, 3)
c =
6.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xyx = 1,5y = x1,5

Интеграл I = ∫01,5 ∫y1,5 1/(1 + x²)² dx dy нельзя вычислить в таком порядке. Измените порядок интегрирования и вычислите его.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,5
I =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
t (min)T (°C)17Ta​T = ?

Чашку кофе температурой 82 °C оставили в комнате при 18 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). При k = 0,03 min⁻¹ найдите температуру T через 17 min.

T0 = 82 °CTa = 18 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 17 min
T = °C
8.Дифференциальные уравненияСложная
t (min)m (kg)t = ?15 kg

В баке 100 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,25 kg на литр поступает со скоростью 2 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Через сколько минут t в баке будет 15 kg соли?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
t = min

3Растворы

1.Интегралы

Ответ: I = 3,437

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 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437

Ответ

I = 3,437
2.Интегралы

Ответ: V = 0,4189

Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.

Точки пересечения

1x = 1x² → x = 0, x = 1

Метод колец (шайб)

V = π∫₀1 ((1x)² − (1x²)²) dx

Интегрируйте

V = π(1·1³/3 − 1·1⁵/5) = π·0,1333 = 0,4189

Ответ

V = 0,4189
3.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ 1/(k(k + 4))

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 1/(k(k + 4)) → Меньше 1/k²: сходится по признаку сравнения.
B: Σ 2/k → Кратное гармонического ряда (p = 1): расходится.
C: Σ (5/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 5/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Члены стремятся к e, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).

Ответ

A: Σ 1/(k(k + 4))

Ответ

A: Σ 1/(k(k + 4))
4.Последовательности и ряды

Ответ: |R₂| = 0,5625

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.

Оценка производной

M = 1

Оценка Лагранжа

|R₂| ≤ 1·1,5³/3! = 0,5625

Ответ

|R₂| = 0,5625

Истинная погрешность меньше: |f(1,5) − P₂(1,5)| = 0,1957.

5.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: c = −126

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.

Значение и наклоны в точке

f(−1, 3) = 63
fx = −y² − 6x − y → fx(−1, 3) = −6
fy = −2xy + 6y² − x → fy(−1, 3) = 61

Касательная плоскость

z = 63 − 6(x + 1) + 61(y − 3)
z = −6x + 61y − 126

Постоянный член

c = −126

Ответ

c = −126
6.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: I = 0,3462

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 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01,5 x·1/(1 + x²)² dx

Замена u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]01,5 = 0,3462

Ответ

I = 0,3462
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: T = 56,43 °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) = 18 + 64·e−0,03t

Подставьте t

T(17) = 18 + 64·0,6005 = 56,43 °C

Ответ

T = 56,43 °C
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: t = 45,81 min

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.

Результат

m(t) = 25 + (−25)·e−t/50

Найдите t

e−t/50 = (25 − 15)/(25 − 0) = 0,4
t = 50·ln(2,5) = 45,81 min

Ответ

t = 45,81 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2