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−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
2.ІнтегралиСкладна
xyy = 0,5x2​y = x

Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
3.Послідовності та рядиСередня
kSn​12345678910

Знайдіть суму S = Σk=125 1/(k(k + 1)).

ak = 1/(k(k + 1))n = 25
S =
4.Послідовності та рядиСкладна
xyfP₄2,5

Скористайтеся многочленом Маклорена степеня 4 для f(x) = eˣ, щоб наблизити f(2,5). Дайте P₄(2,5).

f(x) = eˣn = 4x = 2,5
P₄(2.5) =
5.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня

z = −4x³y³ + x² + y³ + 4xy, де x = t + 1 і y = −2t² + 1. Скористайтеся правилом ланцюга, щоб знайти dz/dt за t = −1.

z = −4x³y³ + x² + y³ + 4xyx = t + 1y = −2t² + 1t = −1
dz/dt =
6.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
xyy = 1,2y = x1,21,2

Інтеграл I = ∫01,2 ∫x1,2 cos(y²) dy dx не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.

f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
7.Диференціальні рівнянняСередня
tyy(0) = 5y(2) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 6. Знайдіть y(2).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = 6
y(2) =
8.Диференціальні рівнянняСкладна
t (min)m (kg)t = ?80 kg

Бак містить 500 L чистої води. Розсіл із 0,2 kg солі на літр надходить зі швидкістю 4 L/min, а добре перемішаний розчин витікає з тією самою швидкістю. Через скільки хвилин t бак міститиме 80 kg солі?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 4 L/min
t = min

3Розчини

1.Інтеграли

Відповідь: I = 1,264

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−0,5x/(−0,5)

Підставте межі

I = (e−1 − 1)/(−0,5) = (0,3679 − 1)/(−0,5) = 1,264

Відповідь

I = 1,264
2.Інтеграли

Відповідь: A = 0,6667

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

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Інтегруйте верхню мінус нижню

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Відповідь

A = 0,6667
3.Послідовності та ряди

Відповідь: S = 0,9615

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.

Простіші дроби

1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))

Скасувати

S = 1·(1 − 1/26) = 0,9615

Відповідь

S = 0,9615
4.Послідовності та ряди

Відповідь: P₄(2.5) = 10,86

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

P₄(x) = 1 + x + 0,5x² + 0,1667x³ + 0,04167x⁴

Підставте

P₄(2,5) = 1 + 2,5 + 3,125 + 2,604167 + 1,627604 = 10,86

Відповідь

P₄(2,5) = 10,86

Точне значення дорівнює f(2,5) = 12,182494; похибка 1,325723 зменшується, якщо взяти більше членів або точку ближче до 0.

5.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: dz/dt = 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.

Точка і швидкості

x(−1) = 0, y(−1) = −1
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = 4

Частинні похідні

fx = −12x²y³ + 2x + 4y = −4
fy = −12x³y² + 3y² + 4x = 3

Ланцюгове правило

dz/dt = (−4)·1 + 3·4 = 8

Відповідь

dz/dt = 8
6.Диференціальне числення функцій багатьох змінних

Відповідь: I = 0,4957

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 ≤ 1,2

Змінений порядок

I = ∫01,2 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01,2 y·cos(y²) dy

Підстановка u = y²

I = [sin(y²)/2]01,2 = 0,4957

Відповідь

I = 0,4957
7.Диференціальні рівняння

Відповідь: y(2) = 0,345

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.

Характеристичні корені

(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Сталі за початковими значеннями

A + B = 5, −2A − 3B = 6
A = 21, B = −16

Обчисліть

y(2) = 21·e−4 + (−16)·e−6 = 0,345

Відповідь

y(2) = 0,345
8.Диференціальні рівняння

Відповідь: t = 201,2 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.

Результат

m(t) = 100 + (−100)·e−t/125

Розв’яжіть щодо t

e−t/125 = (100 − 80)/(100 − 0) = 0,2
t = 125·ln(5) = 201,2 min

Відповідь

t = 201,2 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2