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
Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для ex, 1/x, sin і cos.
Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
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
Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
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.
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.
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
Для частинної похідної трактуйте іншу змінну як сталу й користуйтеся правилами для однієї змінної.
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.
Для екстремумів розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом, а потім класифікуйте кожну точку за D = fxx·fyy − fxy².
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
Обчисліть I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x у радіанах).
∫₀π/3 x·sin x dx
I =
2.ІнтегралиСкладна
Область між прямою y = 3x і параболою y = 2x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.
y = 3xy = 2x²
V =
3.Послідовності та рядиСередня
Застосуйте ознаку Даламбера до Σk=1∞ 2ᵏ·k!/kᵏ. Знайдіть L = lim |ak+1/ak|.
ak = 2ᵏ·k!/kᵏ
L =
4.Послідовності та рядиСкладна
Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 2 для f(x) = ln(1 + x), щоб наблизити f(−0,4). Дайте P₂(−0,4).
f(x) = ln(1 + x)n = 2x = −0,4
P₂(−0.4) =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = 3x³y³ + 5x³ − 4y³ + 4xy знайдіть похідну за напрямом Duf у (−2, 1) у напрямку v = (3, −3).
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Інтеграл I = ∫01 ∫x1 cos(y²) dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.
f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1
I =
7.Диференціальні рівнянняСередня
Чашку кави температурою 81 °C залишили в кімнаті з температурою 24 °C. Через 15 min її температура становить 41 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.
T0 = 81 °CTa = 24 °CT(15) = 41 °C
k = min⁻¹
8.Диференціальні рівнянняСкладна
Розв’яжіть y″ + y′ + 9,25y = 0 при y(0) = 10 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,25); кути в радіанах.
y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3Розчини
1.Інтеграли
Відповідь: I = 0,3424
Інтегрування частинами: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, з правила добутку. Оберіть за u множник, що спрощується після диференціювання (степінь x або ln x), а за dv — множник, який можна проінтегрувати (eˣ, sin x, cos x або x, коли u = ln x). Для визначеного інтеграла обчисліть u·v на обох межах: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Множник x² потребує двох кіл.
Оберіть u та dv
u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Первісна
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Границі
(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424
Відповідь
I = 0,3424
2.Інтеграли
Відповідь: V = 12,72
Об’єми тіл обертання: обертання області під y = f(x) від x = a до x = b навколо осі x дає тіло, поперечний переріз якого в точці x — круг радіуса f(x). Сума кругів дає V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Якщо область лежить між зовнішньою кривою R(x) і внутрішньою r(x), кожен зріз — шайба: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Радіуси підносьте до квадрата до віднімання.
Точки перетину
3x = 2x² → x = 0, x = 1,5
Метод шайб
V = π∫₀1,5 ((3x)² − (2x²)²) dx
Інтегруйте
V = π(9·1,5³/3 − 4·1,5⁵/5) = π·4,05 = 12,72
Відповідь
V = 12,72
3.Послідовності та ряди
Відповідь: L = 0,7358
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.
Відношення сусідніх членів
|ak+1/ak| = 2·(k/(k + 1))ᵏ = 2/(1 + 1/k)ᵏ → 2/e
Висновок
L = 0,7358 < 1
Відповідь
L = 0,7358
L < 1, тож ряд збігається.
4.Послідовності та ряди
Відповідь: P₂(−0.4) = −0,48
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.
Многочлен Маклорена
P₂(x) = x − 0,5x²
Підставте
P₂(−0,4) = −0,4 − 0,08 = −0,48
Відповідь
P₂(−0,4) = −0,48
Точне значення дорівнює f(−0,4) = −0,510826; похибка −0,0308256 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.
5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: Duf = 135,8
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.
Градієнт у точці
fx = 9x²y³ + 15x² + 4y → fx(−2, 1) = 100
fy = 9x³y² − 12y² + 4x → fy(−2, 1) = −92
Одиничний вектор
|v| = √(3² + (−3)²) = 4,243
u = (0,7071, −0,7071)
Скалярний добуток
Duf = 100·0,7071 + (−92)·(−0,7071) = 135,8
Відповідь
Duf = 135,8
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 0,4207
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).
Область
0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1
Змінений порядок
I = ∫01 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01 y·cos(y²) dy
Підстановка u = y²
I = [sin(y²)/2]01 = 0,4207
Відповідь
I = 0,4207
7.Диференціальні рівняння
Відповідь: k = 0,08066 min⁻¹
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.
Відношення різниць температур
e−15k = 17/57
Розв’яжіть щодо k
k = ln(57/17)/15 = 0,08066 min⁻¹
Відповідь
k = 0,08066 min⁻¹
8.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(0.25) = 7,46
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.