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 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
2.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = 3x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ 5/k⁴k = 1 … ∞CΣ (3k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞DΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів розбігається. Клікніть його.

A: Σ (1/2)ᵏB: Σ 5/k⁴C: Σ (3k + 1)/(k + 2)D: Σ 1/(k(k + 1))
  1. 1A: Σ (1/2)ᵏ
  2. 2B: Σ 5/k⁴
  3. 3C: Σ (3k + 1)/(k + 2)
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 1))
4.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = cos x наближено в точці x = 2 многочленом Маклорена степеня n. За оцінкою Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1 знайдіть найменший степінь n, що гарантує похибку нижче за 0,0005.

f(x) = cos xx = 2M = 1ε = 0,0005
n =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
xy−1−2∇fP

Для f(x, y) = 2x²y + x² − y³ + 4xy знайдіть максимальну швидкість зміни f у точці (−1, −2), тобто |∇f|.

f(x, y) = 2x²y + x² − y³ + 4xyP = (−1, −2)
|∇f| =
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy−20−20AB

Позначені точки — критичні точки f(x, y) = x³ + y³ + 6xy. Клікніть локальний максимум.

f(x, y) = x³ + y³ + 6xy
  1. 1A (0, 0)
  2. 2B (−2, −2)
7.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)25Ta​36 °C

Чашку кави температурою 81 °C залишили в кімнаті з температурою 18 °C. Через 25 min її температура становить 36 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Знайдіть сталу k в min⁻¹.

T0 = 81 °CTa = 18 °CT(25) = 36 °C
k = min⁻¹
8.Диференціальні рівнянняСкладна
ty0,5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y′ + 3y = 6e−2t при y(0) = 5. Знайдіть y(0,5).

y′ + 3y = 6e−2ty(0) = 5
y(0.5) =

3Розчини

1.Інтеграли

Відповідь: I = 1,297

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) = e0,5x/0,5

Підставте межі

I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297

Відповідь

I = 1,297
2.Інтеграли

Відповідь: A = 1,125

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 = 3x → x = 0, x = 1,5

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Відповідь

A = 1,125
3.Послідовності та ряди

Відповідь: C: Σ (3k + 1)/(k + 2)

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 (1/2)ᵏ → Геометричний з r = 1/2, |r| < 1: збігається.
B: Σ 5/k⁴ → p-ряд з p = 4 > 1: збігається.
C: Σ (3k + 1)/(k + 2) → Члени прямують до 3, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.
D: Σ 1/(k(k + 1)) → Менший за 1/k²: збігається за ознакою порівняння.

Відповідь

C: Σ (3k + 1)/(k + 2)

Відповідь

C: Σ (3k + 1)/(k + 2)
4.Послідовності та ряди

Відповідь: n = 9

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.

n(n + 1)!оцінка012122261,3333240,666741200,266757200,08889650400,02547403200,00634983628800,001411936288000,0002822

Оцінки для зростаючого n

n = 8: 0,001411 ≥ 0,0005
n = 9: 0,0002822 < 0,0005

Найменший степінь

n = 9

Відповідь

n = 9
5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: |∇f| = 14,14

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 = 4xy + 2x + 4y → fx(−1, −2) = −2
fy = 2x² − 3y² + 4x → fy(−1, −2) = −14

Довжина градієнта

|∇f| = √((−2)² + (−14)²) = 14,14

Відповідь

|∇f| = 14,14
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: B (−2, −2)

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).

Критичні точки

Розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом.

fx = 3x² + 6y = 0
fy = 3y² + 6x = 0
(0, 0), (−2, −2)

Тест другої похідної

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 6, D = −36 → сідлова точка
(−2, −2): fxx = −12, fyy = −12, fxy = 6, D = 108 → локальний максимум

Точка

B (−2, −2): локальний максимум

Відповідь

B (−2, −2)
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: k = 0,05011 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−25k = 18/63

Розв’яжіть щодо k

k = ln(63/18)/25 = 0,05011 min⁻¹

Відповідь

k = 0,05011 min⁻¹
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.5) = 1,984

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 = e3t
(e3ty)′ = 6et

Загальний розв’язок

y = 6/1·e−2t + C·e−3t = 6·e−2t + C·e−3t

Початкова умова

5 = 6 + C → C = −1

Обчисліть

y(0,5) = 6·0,3679 + (−1)·0,2231 = 1,984

Відповідь

y(0,5) = 1,984

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2