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
xy01

Обчисліть I = ∫01 ex dx.

f(x) = ex[0, 1]
I =
2.ІнтегралиСкладна
xy−33

Знайдіть площу A області між параболою y = 9 − x² і віссю x.

y = 9 − x²
A =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/k⁴k = 1 … ∞BΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ k/(k + 5)k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ 1/k⁴B: Σ 3ᵏ/k!C: Σ 1/(2ᵏ + k)D: Σ k/(k + 5)
  1. 1A: Σ 1/k⁴
  2. 2B: Σ 3ᵏ/k!
  3. 3C: Σ 1/(2ᵏ + k)
  4. 4D: Σ k/(k + 5)
4.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = ln(1 + x) наближено многочленом Маклорена степеня 2 у точці x = 0,3. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 2! = 2, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₂|.

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = 0,3M = 2
|R₂| =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−1−2∇fP

Для f(x, y) = 4x³y² + 2x² + y² − 3xy знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (−1, −2), тобто |∇f|.

f(x, y) = 4x³y² + 2x² + y² − 3xyP = (−1, −2)
|∇f| =
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 2y = x2

Інтеграл I = ∫02 ∫y2 1/(1 + x²)² dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 2
I =
7.Диференціальні рівнянняСередня
tyy(0) = 1y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 16y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0. Знайдіть y(0,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
8.Диференціальні рівнянняСкладна
tyK = 10y(0,75) = ?

Система підпорядковується y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть y(0,75); кути в радіанах.

y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Розчини

1.Інтеграли

Відповідь: I = 1,718

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.

Первісна

F(x) = ex/1

Підставте межі

I = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718

Відповідь

I = 1,718
2.Інтеграли

Відповідь: A = 36

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.

Нулі

9 − x² = 0 → x = ±3

Інтегруйте

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Відповідь

A = 36
3.Послідовності та ряди

Відповідь: D: Σ k/(k + 5)

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 1/k⁴ → p-ряд з p = 4 > 1: збігається.
B: Σ 3ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
C: Σ 1/(2ᵏ + k) → Менший за (1/2)ᵏ, збіжний геометричний ряд: збігається за ознакою порівняння.
D: Σ k/(k + 5) → Члени прямують до 1, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.

Відповідь

D: Σ k/(k + 5)

Відповідь

D: Σ k/(k + 5)
4.Послідовності та ряди

Відповідь: |R₂| = 0,009

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.

Оцінка похідної

M = 2! = 2

Оцінка Лагранжа

|R₂| ≤ 2·0,3³/3! = 0,009

Відповідь

|R₂| = 0,009

Справжня похибка менша: |f(0,3) − P₂(0,3)| = 0,007364.

5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: |∇f| = 52,2

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 = 12x²y² + 4x − 3y → fx(−1, −2) = 50
fy = 8x³y + 2y − 3x → fy(−1, −2) = 15

Довжина градієнта

|∇f| = √(50² + 15²) = 52,2

Відповідь

|∇f| = 52,2
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,4

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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 2

Змінений порядок

I = ∫02 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫02 x·1/(1 + x²)² dx

Підстановка u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]02 = 0,4

Відповідь

I = 0,4
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 0,406

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.

Подвійний корінь

(r + 4)² = 0 → r = −4

Сталі

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

Обчисліть

y(0,5) = (1 + 4·0,5)·e−2 = 0,406

Відповідь

y(0,5) = 0,406
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.75) = 13,04

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.

Усталене значення та корені

yss = 10, r = −1,5 ± 4j

Сталі за початковими значеннями

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −3,75

Обчисліть

y(0,75) = 10·(1 − e−1,125(cos 3 + 0,375·sin 3)) = 13,04

Відповідь

y(0,75) = 13,04

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2