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
xy1y = √(2x)

Область под y = √(2x) от x = 0 до x = 1 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (параболоида).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
2.ИнтегралыСложная
xy−33

Найдите площадь A области между параболой y = 9 − x² и осью x.

y = 9 − x²
A =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞CΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞DΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 3ᵏ/k³C: Σ (1 + 1/k)ᵏD: Σ (7/4)ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 3ᵏ/k³
  3. 3C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  4. 4D: Σ (7/4)ᵏ
4.Последовательности и рядыСложная
xyfP₄2

Используйте многочлен Маклорена степени 4 для f(x) = eˣ, чтобы приблизить f(2). Укажите P₄(2).

f(x) = eˣn = 4x = 2
P₄(2) =
5.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy13P

Используйте касательную плоскость к f(x, y) = −4xy² − 3x³ + 3y³ в точке (1, 3), чтобы приблизить f(0,8, 3,2). Укажите линейное приближение L.

f(x, y) = −4xy² − 3x³ + 3y³(a, b) = (1, 3)(x, y) = (0,8, 3,2)
L =
6.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy05−4−202(3, −3)

Найдите критические точки функции f(x, y) = −x² − xy − 2y² + 3x − 9y − 1, классифицируйте их и укажите значение fmax функции f в её локальном максимуме.

f(x, y) = −x² − xy − 2y² + 3x − 9y − 1
fmax =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 4y(2) = ?

Решите y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 2. Найдите y(2).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(2) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
ty2y(2) = ?

Решите y′ + y = 5e−2t при y(0) = 1. Найдите y(2).

y′ + y = 5e−2ty(0) = 1
y(2) =

3Растворы

1.Интегралы

Ответ: V = 3,142

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.

Метод дисков

V = π∫₀1 2x dx

Интегрируйте

V = π·2·1²/2 = 3,142

Ответ

V = 3,142
2.Интегралы

Ответ: A = 36

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.

Нули

9 − x² = 0 → x = ±3

Интегрируйте

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Ответ

A = 36
3.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ (−1)ᵏ/√k

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 → Знакочередующийся, 1/√k убывает к 0: сходится (условно).
B: Σ 3ᵏ/k³ → Признак Даламбера: L = 3 > 1, расходится.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Члены стремятся к e, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
D: Σ (7/4)ᵏ → Геометрический ряд с r = 7/4 > 1: члены растут, поэтому ряд расходится.

Ответ

A: Σ (−1)ᵏ/√k

Ответ

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

Ответ: P₄(2) = 7

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 + x + 0,5x² + 0,1667x³ + 0,04167x⁴

Подставьте

P₄(2) = 1 + 2 + 2 + 1,333333 + 0,666667 = 7

Ответ

P₄(2) = 7

Точное значение равно f(2) = 7,389056; погрешность 0,389056 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.

5.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: L = 62,4

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) = 42
fx = −4y² − 9x² → fx(1, 3) = −45
fy = −8xy + 9y² → fy(1, 3) = 57

Касательная плоскость

z = 42 − 45(x − 1) + 57(y − 3)
z = −45x + 57y − 84

Линейное приближение

L = 42 + (−45)·(−0,2) + 57·0,2 = 62,4

Ответ

L = 62,4

Точное значение равно f = 64; плоскость близка, потому что шаг мал.

6.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: fmax = 17

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).

Критические точки

Решите fx = 0 и fy = 0 совместно.

fx = −2x − y + 3 = 0
fy = −x − 4y − 9 = 0
(3, −3)

Тест по вторым производным

(3, −3): fxx = −2, fyy = −4, fxy = −1, D = 7 → локальный максимум

Значение в экстремуме

f(3, −3) = 17

Ответ

fmax = 17
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,1342

Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.

Характеристические корни

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 4, −2A − 5B = 2
A = 7,333, B = −3,333

Вычислите

y(2) = 7,333·e−4 + (−3,333)·e−10 = 0,1342

Ответ

y(2) = 0,1342
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,7204

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.

Интегрирующий множитель

μ = et
(ety)′ = 5e−t

Общее решение

y = 5/(−1)·e−2t + C·e−t = −5·e−2t + C·e−t

Начальное условие

1 = −5 + C → C = 6

Вычислите

y(2) = −5·0,01832 + 6·0,1353 = 0,7204

Ответ

y(2) = 0,7204

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2