Математический анализ 2: шпаргалка-пакет

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

Новые задачи Назад 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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми: ∫_a^b (f − g) dx

Метод

Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для e^x, 1/x, sin и cos.
Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
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 |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радиус сходимости: R = lim |c_k/c_k+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

Определите тип: арифметическая (постоянная разность), геометрическая (постоянное отношение), стандартный ряд, степенной ряд или многочлен Тейлора.
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.
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.
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: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
Градиент: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
Производная по направлению: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
Касательная плоскость: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
Цепное правило: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
Тест по вторым производным: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
Двойной интеграл: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_g(x)^h(x) f dy dx
Полярные координаты: x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Метод

Для частной производной считайте другую переменную константой и используйте правила для одной переменной.
В задачах на градиент вычислите ∇f = (f_x, f_y) в точке; используйте |∇f| для наибольшего наклона и ∇f·u с единичным вектором u для производной по направлению.
Для экстремумов решите f_x = 0 и f_y = 0 совместно, затем классифицируйте каждую точку по D = f_xx·f_yy − f_xy².
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 = y₀e^kt
Период полураспада: k = ln 2 / t_½
Закон охлаждения Ньютона: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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

Вычислите I = ∫₂¹⁰ 5/x dx.

f(x) = 5/x[2, 10]

I =

2.ИнтегралыСложная

Найдите площадь A области, ограниченной y = x² и y = 3x.

y = x²y = 3x

A =

3.Последовательности и рядыСредняя

Примените признак Даламбера к Σ_k=1^∞ (k!)²·5ᵏ/(2k)!. Найдите L = lim |a_k+1/a_k|.

a_k = (k!)²·5ᵏ/(2k)!

L =

4.Последовательности и рядыСложная

Узнайте ряд и найдите его сумму: S = Σ_k=1^∞ k·0,5ᵏ.

a_k = k·0,5ᵏ

S =

5.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя

z = −x³y + x² + 4xy, где x = −t − 2 и y = 2t² − 1. Используйте цепное правило, чтобы найти dz/dt при t = −1.

z = −x³y + x² + 4xyx = −t − 2y = 2t² − 1t = −1

dz/dt =

6.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная

Функция f(x, y) = x³ + y³ − 9xy имеет критическую точку (3, 3). Вычислите там дискриминант D = f_xxf_yy − f_xy².

f(x, y) = x³ + y³ − 9xyP = (3, 3)

D =

7.Дифференциальные уравненияСредняя

Кованую стальную деталь температурой 480 °C оставили остывать в цехе при 30 °C. Через 46 min температура равна 75 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.

T₀ = 480 °CT_a = 30 °CT(46) = 75 °C

k = min⁻¹

8.Дифференциальные уравненияСложная

Решите задачу Коши y′ + 3y/x = x при x > 0, y(1) = −1. Найдите y(2).

y′ + 3y/x = xy(1) = −1

y(2) =

3Растворы

1.Интегралы

Ответ: I = 8,047

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) = 5·ln x

Подставьте пределы

I = 5·(ln 10 − ln 2) = 5·ln 5 = 8,047

Ответ

I = 8,047

2.Интегралы

Ответ: A = 4,5

Точки пересечения

x² = 3x → x = 0, x = 3

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [1,5x² − 0,3333x³]₀³ = 4,5

Ответ

A = 4,5

3.Последовательности и ряды

Ответ: L = 1,25

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 |a_k+1/a_k|; радикальный признак Коши: L = lim |a_k|^1/k. При L < 1 ряд сходится, при L > 1 расходится, при L = 1 вывода нет. Степенной ряд Σc_k(x − x₀)ᵏ сходится при |x − x₀| < R, где R = lim |c_k/c_k+1|; знакочередующийся ряд с членами, убывающими к 0, сходится.

Отношение соседних членов

|a_k+1/a_k| = 5·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 5/4

Вывод

L = 1,25 > 1

Ответ

L = 1,25

L > 1, поэтому ряд расходится.

4.Последовательности и ряды

Ответ: S = 2

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.

Стандартные ряды

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

Подставьте

x = 0,5

S = 0,5/(1 − 0,5)² = 2

Ответ

S = 2

5.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: dz/dt = 13

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

Точка и скорости

x(−1) = −1, y(−1) = 1

dx/dt = −1, dy/dt = 4t = −4

Частные производные

f_x = −3x²y + 2x + 4y = −1

f_y = −x³ + 4x = −3

Цепное правило

dz/dt = (−1)·(−1) + (−3)·(−4) = 13

Ответ

dz/dt = 13

6.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: D = 243

Критические точки и двойные интегралы: в критической точке f_x = f_y = 0. Тест по вторым производным с D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0 и f_xx > 0 — локальный минимум, D > 0 и f_xx < 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).

Вторые производные

f_xx = 18, f_yy = 18, f_xy = −9

Дискриминант

D = 18·18 − (−9)² = 243

→ локальный минимум

Ответ

D = 243

7.Дифференциальные уравнения

Ответ: k = 0,05006 min⁻¹

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·e^kt (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.

Отношение разностей температур

e^−46k = 45/450

Найдите k

k = ln(450/45)/46 = 0,05006 min⁻¹

Ответ

k = 0,05006 min⁻¹

8.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,65

Интегрирующий множитель

μ = e^{∫3/x dx} = x³

Интегрируйте

(x³y)′ = x⁴ → x³y = 1x⁵/5 + C

Начальное условие

−1 = 1/5 + C → C = −1,2

Вычислите

y(2) = (1·2⁵/5 + (−1,2))/2³ = 0,65

Ответ

y(2) = 0,65

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2