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
xyπ/3y = x·sin x

Вычислите I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x в радианах).

∫₀π/3 x·sin x dx
I =
2.ИнтегралыСложная
xy4y = 2xy = 0,5x²

Область между прямой y = 2x и параболой y = 0,5x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.

y = 2xy = 0,5x²
V =
3.Последовательности и рядыСредняя
AΣ (4k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ 2/k⁴k = 1 … ∞DΣ k/2ᵏk = 1 … ∞

Ровно один из четырёх рядов расходится. Нажмите на него.

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)B: Σ 1/(2ᵏ + k)C: Σ 2/k⁴D: Σ k/2ᵏ
  1. 1A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ 1/(2ᵏ + k)
  3. 3C: Σ 2/k⁴
  4. 4D: Σ k/2ᵏ
4.Последовательности и рядыСложная
xyfP₂0,4

Используйте многочлен Маклорена степени 2 для f(x) = cos(3x), чтобы приблизить f(0,4). Укажите P₂(0,4).

f(x) = cos(3x)n = 2x = 0,4
P₂(0.4) =
5.Математический анализ функций нескольких переменныхСредняя
xy0505vP

Для f(x, y) = 3x³y² − 5x³ + 4y² найдите производную по направлению Duf в точке (1, 3) в направлении v = (−2, 4).

f(x, y) = 3x³y² − 5x³ + 4y²P = (1, 3)v = (−2, 4)
Duf =
6.Математический анализ функций нескольких переменныхСложная
xy−202−101AB

Отмеченные точки — критические точки функции f(x, y) = −x³ + 3x − y². Нажмите на локальный максимум.

f(x, y) = −x³ + 3x − y²
  1. 1A (1, 0)
  2. 2B (−1, 0)
7.Дифференциальные уравненияСредняя
tyy(0) = 4y(2) = ?

Решите y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = 1. Найдите y(2).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = 1
y(2) =
8.Дифференциальные уравненияСложная
tyK = 5ymax​ = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 2y′ + 26y = 130 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.

y″ + 2y′ + 26y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Растворы

1.Интегралы

Ответ: I = 0,3424

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.

Выберите u и dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Первообразная

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Пределы

(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424

Ответ

I = 0,3424
2.Интегралы

Ответ: V = 107,2

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

2x = 0,5x² → x = 0, x = 4

Метод колец (шайб)

V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx

Интегрируйте

V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2

Ответ

V = 107,2
3.Последовательности и ряды

Ответ: A: Σ (4k + 1)/(k + 2)

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 (4k + 1)/(k + 2) → Члены стремятся к 4, а не к 0: расходится по необходимому признаку (признаку n-го члена).
B: Σ 1/(2ᵏ + k) → Меньше (1/2)ᵏ, сходящегося геометрического ряда: сходится по признаку сравнения.
C: Σ 2/k⁴ → p-ряд с p = 4 > 1: сходится.
D: Σ k/2ᵏ → Признак Даламбера: L = 1/2 < 1, сходится.

Ответ

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)

Ответ

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
4.Последовательности и ряды

Ответ: P₂(0.4) = 0,28

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

P₂(x) = 1 − 4,5x²

Подставьте

P₂(0,4) = 1 − 0,72 = 0,28

Ответ

P₂(0,4) = 0,28

Точное значение равно f(0,4) = 0,362358; погрешность 0,0823578 уменьшается, если взять больше членов или точку ближе к 0.

5.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: Duf = 8,05

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 = 9x²y² − 15x² → fx(1, 3) = 66
fy = 6x³y + 8y → fy(1, 3) = 42

Единичный вектор

|v| = √((−2)² + 4²) = 4,472
u = (−0,4472, 0,8944)

Скалярное произведение

Duf = 66·(−0,4472) + 42·0,8944 = 8,05

Ответ

Duf = 8,05
6.Математический анализ функций нескольких переменных

Ответ: A (1, 0)

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 − 3) = 0
fy = −(2y) = 0
(1, 0), (−1, 0)

Тест по вторым производным

(1, 0): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → локальный максимум
(−1, 0): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → седловая точка

Точка

A (1, 0): локальный максимум

Ответ

A (1, 0)
7.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(2) = 0,02573

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Константы по начальным значениям

A + B = 4, −3A − 5B = 1
A = 10,5, B = −6,5

Вычислите

y(2) = 10,5·e−6 + (−6,5)·e−10 = 0,02573

Ответ

y(2) = 0,02573
8.Дифференциальные уравнения

Ответ: ymax = 7,667

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.

Установившееся значение и корни

yss = 5, r = −1 ± 5j

Константы по начальным значениям

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

Максимум

t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1·π/5) = 7,667

Ответ

ymax = 7,667

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2