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 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 2]
I =
2.ІнтегралиСкладна
xy2y = 6xy = 3x²

Область між прямою y = 6x і параболою y = 3x² обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла.

y = 6xy = 3x²
V =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞BΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞CΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ 1/(k(k + 1))B: Σ (k + 5)/k²C: Σ 3ᵏ/k³D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 1))
  2. 2B: Σ (k + 5)/k²
  3. 3C: Σ 3ᵏ/k³
  4. 4D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Послідовності та рядиСкладна

Впізнайте ряд і знайдіть його суму: S = Σk=0∞ 1,5ᵏ/k!.

ak = 1,5ᵏ/k!
S =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = 2xy² − 4x³ − 2y³ + 3xy, де x = −t + 1 і y = −2t² − 1. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 2.

z = 2xy² − 4x³ − 2y³ + 3xyx = −t + 1y = −2t² − 1t = 2
dz/dt =
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyx = 1,5y = x1,5

Інтеграл I = ∫01,5 ∫y1,5 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 ≤ 1,5
I =
7.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)16Ta​42 °C27 °C

Чашку кави температурою 87 °C залишили в кімнаті з температурою 20 °C. Через 16 min її температура становить 42 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Через який час від початку, t, вона досягне 27 °C?

T0 = 87 °CTa = 20 °CT(16) = 42 °CT = 27 °C
t = min
8.Диференціальні рівнянняСкладна
xy13(1, 5)y(3) = ?

Розв’яжіть задачу Коші y′ + 3y/x = x2 при x > 0, y(1) = 5. Знайдіть y(3).

y′ + 3y/x = x2y(1) = 5
y(3) =

3Розчини

1.Інтеграли

Відповідь: I = 0,8647

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) = e−x/(−1)

Підставте межі

I = (e−2 − 1)/(−1) = (0,1353 − 1)/(−1) = 0,8647

Відповідь

I = 0,8647
2.Інтеграли

Відповідь: V = 120,6

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

6x = 3x² → x = 0, x = 2

Метод шайб

V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx

Інтегруйте

V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6

Відповідь

V = 120,6
3.Послідовності та ряди

Відповідь: A: Σ 1/(k(k + 1))

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/(k(k + 1)) → Менший за 1/k²: збігається за ознакою порівняння.
B: Σ (k + 5)/k² → Для великих k поводиться як 1/k: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.
C: Σ 3ᵏ/k³ → Ознака Даламбера: L = 3 > 1, розбігається.
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Члени прямують до e, а не до 0: розбігається за необхідною умовою збіжності.

Відповідь

A: Σ 1/(k(k + 1))

Відповідь

A: Σ 1/(k(k + 1))
4.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 4,482

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 = 1,5
S = e1,5 = 4,482

Відповідь

S = 4,482
5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = 3501

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.

Точка і швидкості

x(2) = −1, y(2) = −9
dx/dt = −1, dy/dt = −4t = −8

Частинні похідні

fx = 2y² − 12x² + 3y = 123
fy = 4xy − 6y² + 3x = −453

Ланцюгове правило

dz/dt = 123·(−1) + (−453)·(−8) = 3501

Відповідь

dz/dt = 3501
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,3462

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 ≤ 1,5

Змінений порядок

I = ∫01,5 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01,5 x·1/(1 + x²)² dx

Підстановка u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]01,5 = 0,3462

Відповідь

I = 0,3462
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 32,45 min

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.

Стала охолодження

k = ln(67/22)/16 = 0,0696 min⁻¹

Час до досягнення цільової температури

t = ln(67/7)/0,0696 = 32,45 min

Відповідь

t = 32,45 min
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(3) = 4,679

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 = e∫3/x dx = x3

Інтегруйте

(x3y)′ = x5 → x3y = 1x6/6 + C

Початкова умова

5 = 1/6 + C → C = 4,833

Обчисліть

y(3) = (1·36/6 + 4,833)/33 = 4,679

Відповідь

y(3) = 4,679

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2