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
xy4y = √(2x)

Область під y = √(2x) від x = 0 до x = 4 обертається навколо осі x. Знайдіть об’єм V цього тіла (параболоїда).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 4
V =
2.ІнтегралиСкладна
xyy = 2x2​y = 4x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 2x2 і y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
3.Послідовності та рядиСередня
AΣ 1/√kk = 1 … ∞BΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Рівно один із чотирьох рядів збігається. Клікніть його.

A: Σ 1/√kB: Σ 5ᵏ/k!C: Σ (5/3)ᵏD: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 1/√k
  2. 2B: Σ 5ᵏ/k!
  3. 3C: Σ (5/3)ᵏ
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Послідовності та рядиСкладна

Функцію f(x) = cos x наближено многочленом Маклорена степеня 3 у точці x = 0,3. Скористайтеся оцінкою похибки Лагранжа M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! з M = 1, щоб знайти найбільшу можливу похибку |R₃|.

f(x) = cos xn = 3x = 0,3M = 1
|R₃| =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = 5xy³ + y³, де x = t − 2 і y = −2t² − 2. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = 1.

z = 5xy³ + y³x = t − 2y = −2t² − 2t = 1
dz/dt =
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xy1

Скористайтеся полярними координатами, щоб обчислити I = ∬R √(x² + y²) dA, де R — круг x² + y² ≤ 1.

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ 2π
I =
7.Диференціальні рівнянняСередня
t (min)T (°C)23Ta​T = ?

Чашку кави температурою 95 °C залишили в кімнаті з температурою 20 °C. Вона підпорядковується закону охолодження Ньютона, dT/dt = −k·(T − Tₐ). За k = 0,1 min⁻¹ знайдіть її температуру T через 23 min.

T0 = 95 °CTa = 20 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 23 min
T = °C
8.Диференціальні рівнянняСкладна
tyy(0) = 3y(0,75) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 8y = 0 при y(0) = 3 і y′(0) = 0 (відпущено зі стану спокою). Знайдіть y(0,75); кути в радіанах.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.75) =

3Розчини

1.Інтеграли

Відповідь: V = 50,27

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.

Метод дисків

V = π∫₀4 2x dx

Інтегруйте

V = π·2·4²/2 = 50,27

Відповідь

V = 50,27
2.Інтеграли

Відповідь: A = 2,667

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 = 4x → x = 0, x = 2

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Відповідь

A = 2,667
3.Послідовності та ряди

Відповідь: B: Σ 5ᵏ/k!

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 → p-ряд з p = 1/2 ≤ 1: розбігається.
B: Σ 5ᵏ/k! → Ознака Даламбера: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, збігається.
C: Σ (5/3)ᵏ → Геометричний з r = 5/3 > 1: члени зростають, тож ряд розбігається.
D: Σ ln k / k → Більший за 1/k для k ≥ 3: розбігається за порівнянням із гармонічним рядом.

Відповідь

B: Σ 5ᵏ/k!

Відповідь

B: Σ 5ᵏ/k!
4.Послідовності та ряди

Відповідь: |R₃| = 0,0003375

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 = 1

Оцінка Лагранжа

|R₃| ≤ 1·0,3⁴/4! = 0,0003375

Відповідь

|R₃| = 0,0003375

Справжня похибка менша: |f(0,3) − P₃(0,3)| = 0,0003365.

5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = 448

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(1) = −1, y(1) = −4
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = −4

Частинні похідні

fx = 5y³ = −320
fy = 15xy² + 3y² = −192

Ланцюгове правило

dz/dt = (−320)·1 + (−192)·(−4) = 448

Відповідь

dz/dt = 448
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 2,094

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).

Полярна форма

I = ∫02π ∫01 r·r dr dθ

Інтегруйте

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 2,094

Відповідь

I = 2,094
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: T = 27,52 °C

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.

Розв’язок закону охолодження

T(t) = 20 + 75·e−0,1t

Підставте t

T(23) = 20 + 75·0,1003 = 27,52 °C

Відповідь

T = 27,52 °C
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(0.75) = 0,7151

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.

Комплексні корені

r = −2 ± 2j

Сталі

A = 3, B = 2·3/2 = 3

Обчисліть

y(0,75) = e−1,5(3·cos 1,5 + 3·sin 1,5) = 0,7151

Відповідь

y(0,75) = 0,7151

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2