Математичний аналіз 2: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Інтеграли

Похідна степеня
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Визначений інтеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основні інтеграли
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площа між кривими
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
  2. Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для ex, 1/x, sin і cos.
  3. Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
  4. Для визначеного інтеграла обчисліть F(b) − F(a).

Послідовності та ряди

Арифметична послідовність
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрична послідовність
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Нескінченний геометричний ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ознака Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радіус збіжності
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 + …
Оцінка похибки Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Метод

  1. Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
  2. Для сум користуйтеся Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) або S = a₁/(1 − r) за |r| < 1, де a₁ — перший член суми.
  3. Для збіжності: спершу ознака n-го члена, потім порівняння з Σ1/kᵖ або геометричним рядом, а ознаку Даламбера чи Коші використовуйте для факторіалів і k-х степенів.
  4. Для многочленів Тейлора випишіть f(a), f′(a), f″(a), …, поділіть k-ту похідну на k! і оцініть похибку за M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Частинні похідні
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градієнт
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Похідна за напрямом
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Дотична площина
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Ланцюгове правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест другої похідної
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Подвійний інтеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярні координати
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Метод

  1. Для частинної похідної трактуйте іншу змінну як сталу й користуйтеся правилами для однієї змінної.
  2. Для задач про градієнт обчисліть ∇f = (fx, fy) у точці; використовуйте |∇f| для найкрутішого нахилу та ∇f·u з одиничним вектором u для похідної за напрямом.
  3. Для екстремумів розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом, а потім класифікуйте кожну точку за D = fxx·fyy − fxy².
  4. Для подвійного інтеграла накресліть область, оберіть порядок (або полярні координати для кругів), щоб внутрішні межі були обмежувальними кривими, і спершу інтегруйте всередині.

Диференціальні рівняння

Експоненціальне зростання/спадання
dy/dt = ky → y = y0ekt
Період напіврозпаду
k = ln 2 / t½
Закон охолодження Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Інтегрувальний множник
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак змішування
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Задачі для практики

1.ІнтегралиСередня
xy02

Обчисліть I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
2.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = 2x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ (k + 4)/k²k = 1 … ∞BΣ 1/k²k = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 1)k = 1 … ∞DΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ (k + 4)/k²B: Σ 1/k²C: Σ 1/(2k + 1)D: Σ k!/3ᵏ
  1. 1A: Σ (k + 4)/k²
  2. 2B: Σ 1/k²
  3. 3C: Σ 1/(2k + 1)
  4. 4D: Σ k!/3ᵏ
4.Послідовності та рядиСкладна

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ/k!.

ak = (−1)ᵏ/k!
S =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy0,5−1∇fP

Для f(x, y) = 2 sin(x − y) знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (0,5, −1), тобто |∇f|.

f(x, y) = 2 sin(x − y)P = (0,5, −1)
|∇f| =
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−101−101(0, 0)

f(x, y) = −x² + 5xy − y² − 2 має критичну точку в (0, 0). Обчисліть там дискримінант D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −x² + 5xy − y² − 2P = (0, 0)
D =
7.Диференціальні рівнянняСередня
tyy(0) = 3y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 2. Знайдіть y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(0.5) =
8.Диференціальні рівнянняСкладна
ty1y(1) = ?

Розв’яжіть y′ + 2y = 2e−0,5t при y(0) = 2. Знайдіть y(1).

y′ + 2y = 2e−0,5ty(0) = 2
y(1) =

3Розчини

1.Інтеграли

Відповідь: I = 156

Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.

Заміна змінної

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

Проінтегруйте й підставте межі

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

Відповідь

I = 156
2.Інтеграли

Відповідь: A = 0,3333

Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.

Точки перетину

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Відповідь

A = 0,3333
3.Послідовності та ряди

Відповідь: B: Σ 1/k²

Збіжність: якщо члени не прямують до 0, ряд розбігається (необхідна умова збіжності, ознака n-го члена). Σ1/kᵖ збігається лише за p > 1, а Σrᵏ лише за |r| < 1. Порівнюйте ряд з одним із них, коли його члени для великих k поводяться як вони. Ознака Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; ознака Коші: L = lim |ak|1/k. L < 1 — збігається, L > 1 — розбігається, L = 1 нічого не вирішує. Степеневий ряд Σck(x − x₀)ᵏ збігається для |x − x₀| < R, де R = lim |ck/ck+1|; знакозмінний ряд із членами, що спадають до 0, збігається.

Перевірте кожен ряд

A: Σ (k + 4)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
B: Σ 1/k² → p-ряд з p = 2 > 1: збігається.
C: Σ 1/(2k + 1) → Для великих k поводиться як 1/(2k); порівняно з гармонічним рядом розбігається.
D: Σ k!/3ᵏ → Ознака Даламбера: L = lim (k + 1)/3 = ∞, розбігається.

Відповідь

B: Σ 1/k²

Відповідь

B: Σ 1/k²
4.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,3679

Многочлени Тейлора: поблизу x = a гладка функція наближається многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; для a = 0 це многочлен Маклорена. Стандартні ряди: 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. Оцінка похибки Лагранжа: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, де M — найбільше значення |f⁽ⁿ⁺¹⁾| між a і x.

Стандартні ряди

Σ xᵏ/k! = eˣ

Підставте

x = −1
S = e−1 = 0,3679

Відповідь

S = 0,3679
5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: |∇f| = 0,2001

Градієнт: ∇f = (fx, fy) вказує напрямок найшвидшого зростання, а |∇f| — найбільша швидкість зміни. Похідна за напрямом v дорівнює Duf = ∇f·u з одиничним вектором u = v/|v|. Дотична площина в точці (a, b): z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); вона дає лінійне наближення f поблизу цієї точки. Правило ланцюга: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Частинні похідні

fx = 2 cos(x − y) → fx(0,5, −1) = 0,1415
fy = −2 cos(x − y) → fy(0,5, −1) = −0,1415

Довжина градієнта

|∇f| = √(0,1415² + (−0,1415)²) = 0,2001

Відповідь

|∇f| = 0,2001
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: D = −21

Критичні точки та подвійні інтеграли: критична точка має fx = fy = 0. Тест другої похідної з D = fxxfyy − fxy²: D > 0 і fxx > 0 — локальний мінімум, D > 0 і fxx < 0 — локальний максимум, D < 0 — сідлова точка, а D = 0 нічого не вирішує. Для подвійного інтеграла по довільній області нехай внутрішні межі будуть кривими, що обмежують область; для кругів і секторів використовуйте полярні координати, x = r cos θ, y = r sin θ і dA = r dr dθ (не забудьте множник r).

Другі похідні

fxx = −2, fyy = −2, fxy = 5

Дискримінант

D = (−2)·(−2) − 5² = −21
→ сідлова точка

Відповідь

D = −21
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 1,866

Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.

Характеристичні корені

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Сталі за початковими значеннями

A + B = 3, −2A − 5B = 2
A = 5,667, B = −2,667

Обчисліть

y(0,5) = 5,667·e−1 + (−2,667)·e−2,5 = 1,866

Відповідь

y(0,5) = 1,866
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(1) = 0,8989

Диференціальні рівняння першого порядку: dy/dt = k·y має розв’язок y = y₀·ekt (зростання при k > 0, спадання при k < 0); період напіврозпаду T дає k = ln 2/T. Закон охолодження Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) дає T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Лінійне рівняння y′ + p(x)·y = q(x) розв’язують з інтегрувальним множником μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, тож μy = ∫μq dx + C.

Інтегрувальний множник

μ = e2t
(e2ty)′ = 2e1,5t

Загальний розв’язок

y = 2/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 1,333·e−0,5t + C·e−2t

Початкова умова

2 = 1,333 + C → C = 0,6667

Обчисліть

y(1) = 1,333·0,6065 + 0,6667·0,1353 = 0,8989

Відповідь

y(1) = 0,8989

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2