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
xy12

Вычислите I = ∫12 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 2]
I =
2.ИнтегралыСложная
xy2,5y = x²eˣ

Вычислите I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ 1/√kk = 1 … ∞BΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞CΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞DΣ 3/k⁴k = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов сходится. Нажмите на него.

A: Σ 1/√kB: Σ 2ᵏ/k²C: Σ (1 + 1/k)ᵏD: Σ 3/k⁴
  1. 1A: Σ 1/√k
  2. 2B: Σ 2ᵏ/k²
  3. 3C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  4. 4D: Σ 3/k⁴
4.Последовательности и рядыСложная

Функция f(x) = cos x приближается в точке x = 0,5 её многочленом Маклорена степени n. С оценкой Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! и M = 1 найдите наименьшую степень n, гарантирующую погрешность меньше 1 × 10⁻⁵.

f(x) = cos xx = 0,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
5.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy−5005vP

Для f(x, y) = −3x²y³ − 5x³ − 2y³ − xy найдите производную по направлению Duf в точке (−1, 3) в направлении v = (0, −4).

f(x, y) = −3x²y³ − 5x³ − 2y³ − xyP = (−1, 3)v = (0, −4)
Duf =
6.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−202−202(2, 1)(−2, 1)

Найдите критические точки функции f(x, y) = x³ − 12x + y² − 2y, классифицируйте их и укажите значение fmin функции f в её локальном минимуме.

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 2y
fmin =
7.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 1y(0,5) = ?

Решите y″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 1. Найдите y(0,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(0.5) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
t (min)m (kg)30 minm = ?

В баке 500 L чистой воды. Рассол с содержанием соли 0,25 kg на литр поступает со скоростью 20 L/min, а хорошо перемешанный раствор вытекает с той же скоростью. Сколько соли m будет в баке через 30 min?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3Растворы

1.Интегралы

Ответ: I = 3,466

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 2 − ln 1) = 5·ln 2 = 3,466

Ответ

I = 3,466
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: D: Σ 3/k⁴

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 → p-ряд с p = 1/2 ≤ 1: расходится.
B: Σ 2ᵏ/k² → Признак Даламбера: L = 2 > 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 3/k⁴ → p-ряд с p = 4 > 1: сходится.

Ответ

D: Σ 3/k⁴

Ответ

D: Σ 3/k⁴
4.Последовательности и ряды

Ответ: n = 6

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.

n(n + 1)!оценка010,5120,125260,020833240,00260441200,000260457202,17 × 10⁻⁵650401,55 × 10⁻⁶

Оценки при возрастающем n

n = 5: 2,17 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 6: 1,55 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Наименьшая степень

n = 6

Ответ

n = 6
5.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: Duf = 134

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.

Градиент в точке

fx = −6xy³ − 15x² − y → fx(−1, 3) = 144
fy = −9x²y² − 6y² − x → fy(−1, 3) = −134

Единичный вектор

|v| = √(0² + (−4)²) = 4
u = (0, −1)

Скалярное произведение

Duf = 144·0 + (−134)·(−1) = 134

Ответ

Duf = 134
6.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: fmin = −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 = (3x² − 12) = 0
fy = (2y − 2) = 0
(2, 1), (−2, 1)

Тест по вторым производным

(2, 1): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → локальный минимум
(−2, 1): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → седловая точка

Значение в экстремуме

f(2, 1) = −17

Ответ

fmin = −17
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(0.5) = 0,4737

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.

Двойной корень

(r + 4)² = 0 → r = −4

Константы

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = 1 + 4 = 5

Вычислите

y(0,5) = (1 + 5·0,5)·e−2 = 0,4737

Ответ

y(0,5) = 0,4737
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: m = 87,35 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 = 20·0,25 − (20/500)·m = 5 − 0,04·m

Решите

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

m(t) = 125 + (−125)·e−t/25

Подставьте t

m(30) = 125 + (−125)·0,3012 = 87,35 kg

Ответ

m = 87,35 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2