AP Calculus 练习题:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

极限

直接代入
先试 x = a;得到 0/0 说明需要化简
因式分解并约去
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
共轭
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
无穷远处的极限
除以 x 的最高次幂;次数相同时极限为首项系数之比
重要极限
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
洛必达法则
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

导数

幂法则
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
乘积法则
(uv)′ = u′v + uv′
商法则
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
链式法则
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
常用导数
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

方法

  1. 识别结构:和、积、商还是复合。
  2. 对 x 的每个幂应用幂法则。
  3. 需要时使用乘积法则、商法则或链式法则。
  4. 化简,如有要求再代入该点求值。

最优化

方法
把 Q(x) 写成单变量函数,解 Q′(x) = 0,再检验 Q″ 或端点
最大值
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
最小值
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
封闭圆柱
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
利润
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

积分

幂法则
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定积分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
常用积分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲线间的面积
∫ab (f − g) dx

方法

  1. 尽可能把被积函数改写为简单项之和。
  2. 应用幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1),以及 ex、1/x、sin 和 cos 的基本积分。
  3. 当看到一个函数和它的导数同时出现时,用换元法。
  4. 对于定积分,计算 F(b) − F(a)。

微分方程

指数增长/衰减
dy/dt = ky → y = y0ekt
半衰期
k = ln 2 / t½
牛顿冷却定律
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
积分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合槽
dm/dt = r·c − (r/V)·m

数列与级数

等差数列
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
等比数列
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
无穷等比级数
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-级数
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
比值判别法
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
收敛半径
R = lim |ck/ck+1|
泰勒多项式
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
麦克劳林级数
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
拉格朗日误差界
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

方法

  1. 判断类型:等差(公差恒定)、等比(公比恒定)、标准级数、幂级数还是泰勒多项式。
  2. 求和时使用 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2、Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r),或 |r| < 1 时使用 S = a₁/(1 − r),其中 a₁ 是和的第一项。
  3. 判断收敛性:先用通项判别法,再与 Σ1/kᵖ 或等比级数比较,含阶乘和 k 次幂的级数用比值判别法或根值判别法。
  4. 对于泰勒多项式,列出 f(a)、f′(a)、f″(a)、…,把第 k 阶导数除以 k!,并用 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! 估计误差。

2练习题

1.极限中等
xyy = L

求极限 L = limx→∞ (1 + 3/x)x。给出小数值。

f(x) = (1 + 3/x)xx → ∞
L =
2.极限困难
xyx = 0

求极限 L = limx→0 ln(1 + x)/sin(4x),x 以弧度计。

f(x) = ln(1 + x)/sin(4x)x → 0
L =
3.导数中等
xyx = −1

设 f(x) = (−2x + 3)5。求 f′(−1)。

f(x) = (−2x + 3)5x = −1
f′(−1) =
4.导数困难
xy

设 f(x) = x3 − 7.5x2 + 12x。求局部极小值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 7.5x2 + 12x
x =
5.最优化中等
rh

一个封闭圆柱形罐(有顶和底)须容纳 500 cm³。所用金属与总表面积成正比。 求可能的最小表面积 A。

V = 500 cm³
A = cm²
6.最优化困难
p (€)R(p)15当前

一家剧院每场以每张 €15 售出 880 张票。市场调查显示,票价每提高 €1,售出的票就少 20 张(每降低 €1,就多 20 张)。 求使收入最大的票价 p。

880 × €1520 / €1
p = €
7.积分中等
xy2y = √(x)

将 y = √(x) 之下、从 x = 0 到 x = 2 的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体(抛物面体)的体积 V。

y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
8.积分困难
xy−22

求抛物线 y = 4 − x² 与 x 轴之间区域的面积 A。

y = 4 − x²
A =
9.微分方程中等
tyy(0) = 5y(1) = ?

解 y″ + 4y′ + 4y = 0,其中 y(0) = 5,y′(0) = 4。求 y(1)。

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
10.微分方程困难
tyK = 2y(0.25) = ?

一个系统在 t ≥ 0 时满足 y″ + 3y′ + 18.25y = 36.5,从静止开始:y(0) = 0,y′(0) = 0。求 y(0.25);角度以弧度为单位。

y″ + 3y′ + 18.25y = 36.5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
11.数列与级数中等
xx₀ = −2??R

幂级数 Σk=1∞ 2ᵏ·(x + 2)ᵏ/(k + 1) 在以 x₀ = −2 为中心的区间上收敛。求该区间的左端点 x。

Σ 2ᵏ·(x + 2)ᵏ/(k + 1)x₀ = −2
x =
12.数列与级数困难

识别该级数并求它的和:S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0.82k+1/(2k + 1)!。

ak = (−1)ᵏ·0.82k+1/(2k + 1)!
S =

3溶液

1.极限

答案: L = 20.09

极限:先尝试直接代入。若得到 0/0,先化简:因式分解并约去公因式,或乘以共轭式。当 x → ∞ 时,分子分母同除以 x 的最高次幂。洛必达法则:若 f/g 为 0/0 或 ∞/∞ 型,则 lim f/g = lim f′/g′,分子和分母分别求导(不是用商法则)。

取对数

ln L = limx→∞ x·ln(1 + 3/x)

求值

当 u → 0 时 ln(1 + u)/u → 1,所以 x·ln(1 + a/x) → a。

ln L = 1·3 = 3

还原对数

L = e3 = 20.09

答案

L = 20.09
2.极限

答案: L = 0.25

极限:先尝试直接代入。若得到 0/0,先化简:因式分解并约去公因式,或乘以共轭式。当 x → ∞ 时,分子分母同除以 x 的最高次幂。洛必达法则:若 f/g 为 0/0 或 ∞/∞ 型,则 lim f/g = lim f′/g′,分子和分母分别求导(不是用商法则)。

洛必达法则

L = limx→0 [1/(1 + x)]/[4·cos 4x]

代入 x = 0

L = 1/4 = 0.25

答案

L = 0.25
3.导数

答案: f′(−1) = −6250

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

链式法则

f′(x) = 5·(−2x + 3)4·(−2)

代入

f′(−1) = 5·54·(−2) = −6250

答案

f′(−1) = −6250
4.导数

答案: x = 4

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

导数

f′(x) = 3x2 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

解 f′(x) = 0

x = 1 或 x = 4

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 15:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 4

答案

x = 4
5.最优化

答案: A = 348.7 cm²

最优化:把要优化的量写成单变量函数,利用约束条件消去另一个变量。令导数为零并求解。检验该临界点是最大值还是最小值(二阶导数或一阶导数的变号),并确认它位于允许范围内;像边长为零这样的端点不是答案。

面积关于 r 的函数

h = 500/(πr²)
A(r) = 2πr² + 1000/r

令导数为零

A″(r) = 4π + 2000/r³ > 0,所以这是最小值。

4πr − 1000/r² = 0 → r = ∛(500/(2π)) = 4.301 cm

高度和面积

h = 500/(π·4.301²) = 2r = 8.603 cm
A = 2π·4.301² + 1000/4.301 = 348.7 cm²

答案

A = 348.7 cm²

最省料的封闭罐高度等于直径:h = 2r。

6.最优化

答案: p = 29.5 €

最优化:把要优化的量写成单变量函数,利用约束条件消去另一个变量。令导数为零并求解。检验该临界点是最大值还是最小值(二阶导数或一阶导数的变号),并确认它位于允许范围内;像边长为零这样的端点不是答案。

收入关于价格的函数

n(p) = 1180 − 20p
R(p) = 1180p − 20p²

令导数为零

R″(p) = −40 < 0,所以这是最大值。

p = 1180/40 = €29.5

最大收入

n = 1180 − 20·29.5 = 590
R = 29.5·590 = €17405

答案

p = €29.5
7.积分

答案: V = 6.283

旋转体体积:把 y = f(x) 之下、从 x = a 到 x = b 的区域绕 x 轴旋转,得到一个旋转体,它在 x 处的横截面是半径为 f(x) 的圆盘。把圆盘相加得 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx。当区域位于外曲线 R(x) 与内曲线 r(x) 之间时,每个薄片是一个垫圈:V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx。相减之前要先把半径平方。

圆盘法

V = π∫₀2 x dx

积分

V = π·1·2²/2 = 6.283

答案

V = 6.283
8.积分

答案: A = 10.67

定积分:∫ₐᵇ f(x) dx 是从 a 到 b 图像与 x 轴之间的有向面积。求一个原函数 F(F′ = f),再计算 F(b) − F(a)。幂法则:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。两条曲线之间的面积为 ∫(上 − 下) dx。

零点

4 − x² = 0 → x = ±2

积分

A = [4x − x³/3]−22 = 5.333 − (−5.333) = 10.67

答案

A = 10.67
9.微分方程

答案: y(1) = 2.571

二阶线性方程:对 y″ + b·y′ + c·y = 0,试 y = ert:得到特征方程 r² + b·r + c = 0。两个不等实根 r₁ ≠ r₂ 给出 y = A·er₁t + B·er₂t(过阻尼);二重根 r 给出 y = (A + Bt)·ert(临界阻尼);复根 −α ± jω 给出 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(欠阻尼,振荡)。初值 y(0) 和 y′(0) 决定 A 和 B。写成 y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 时,ωn 是固有频率,ζ 是阻尼比:ζ < 1 时振荡。在常值输入下,y″ + by′ + cy = c·K 的解是稳态值 K 加上自由响应。

二重根

(r + 2)² = 0 → r = −2

常数

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 10 = 14

求值

y(1) = (5 + 14·1)·e−2 = 2.571

答案

y(1) = 2.571
10.微分方程

答案: y(0.25) = 0.8236

二阶线性方程:对 y″ + b·y′ + c·y = 0,试 y = ert:得到特征方程 r² + b·r + c = 0。两个不等实根 r₁ ≠ r₂ 给出 y = A·er₁t + B·er₂t(过阻尼);二重根 r 给出 y = (A + Bt)·ert(临界阻尼);复根 −α ± jω 给出 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(欠阻尼,振荡)。初值 y(0) 和 y′(0) 决定 A 和 B。写成 y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 时,ωn 是固有频率,ζ 是阻尼比:ζ < 1 时振荡。在常值输入下,y″ + by′ + cy = c·K 的解是稳态值 K 加上自由响应。

稳态值与根

yss = 2, r = −1.5 ± 4j

由初值求常数

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1.5A + 4B = 0 → B = −0.75

求值

y(0.25) = 2·(1 − e−0.375(cos 1 + 0.375·sin 1)) = 0.8236

答案

y(0.25) = 0.8236
11.数列与级数

答案: x = −2.5

收敛性:如果各项不趋于 0,级数发散(通项判别法)。Σ1/kᵖ 仅当 p > 1 时收敛,Σrᵏ 仅当 |r| < 1 时收敛。当一个级数的项在 k 很大时与这些级数的项相近时,可与之比较。比值判别法:L = lim |ak+1/ak|;根值判别法:L = lim |ak|1/k。L < 1 收敛,L > 1 发散,L = 1 无法判断。幂级数 Σck(x − x₀)ᵏ 在 |x − x₀| < R 时收敛,其中 R = lim |ck/ck+1|;项递减趋于 0 的交错级数收敛。

系数

ck/ck+1 = (1/2)·(k + 2)/(k + 1) → 0.5

半径

R = 0.5

区间

−2.5 < x < −1.5
x = −2.5

答案

x = −2.5

比值判别法对两个端点没有结论;必须单独检验它们。

12.数列与级数

答案: S = 0.7174

泰勒多项式:在 x = a 附近,光滑函数可用 Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! 近似;当 a = 0 时这就是麦克劳林多项式。标准级数: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。拉格朗日误差界:|f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!,其中 M 是 |f⁽ⁿ⁺¹⁾| 在 a 与 x 之间的最大值。

标准级数

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

代入

x = 0.8
S = sin 0.8 = 0.7174

答案

S = 0.7174

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