微积分(二):速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

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)。

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。

多元微积分

偏导数
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
梯度
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
方向导数
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
切平面
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
链式法则
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
二阶导数检验
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
二重积分
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
极坐标
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

方法

  1. 求偏导数时,把另一个变量当作常数,并使用一元函数的法则。
  2. 梯度类题目要在该点计算 ∇f = (fx, fy);最陡斜率用 |∇f|,方向导数用 ∇f·u,其中 u 是单位向量。
  3. 求极值时联立求解 fx = 0 和 fy = 0,然后用 D = fxx·fyy − fxy² 对每个点分类。
  4. 对于二重积分,画出区域草图,选择积分顺序(圆盘用极坐标),使内层积分限是边界曲线,并先算内层。

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

2练习题

1.积分中等
xy03

计算 I = ∫03 e−x dx。

f(x) = e−x[0, 3]
I =
2.积分困难
xy3y = 6xy = 2x²

将直线 y = 6x 与抛物线 y = 2x² 之间的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体的体积 V。

y = 6xy = 2x²
V =
3.数列与级数中等
xx₀ = −2??R

求幂级数 Σk=1∞ (2k)!·(x + 2)ᵏ/(k!)² 的收敛半径 R。

Σ (2k)!·(x + 2)ᵏ/(k!)²x₀ = −2
R =
4.数列与级数困难

f(x) = sin x 在 x = 0.5 处用其 n 次麦克劳林多项式近似。利用拉格朗日误差界 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!(M = 1),求能保证误差小于 1 × 10⁻⁵ 的最小次数 n。

f(x) = sin xx = 0.5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
5.多元微积分中等

z = −3xy − 5x³ − 2y³,其中 x = 2t + 1,y = 2t² + 1。用链式法则求 t = 2 时的 dz/dt。

z = −3xy − 5x³ − 2y³x = 2t + 1y = 2t² + 1t = 2
dz/dt =
6.多元微积分困难
xyy = 1y = x11

积分 I = ∫01 ∫x1 sin(y²) dy dx 无法按这个顺序计算。请交换积分顺序并计算它。

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1
I =
7.微分方程中等
t (min)T (°C)20Ta​T = ?

一杯 86 °C 的咖啡放在 20 °C 的房间里。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 已知 k = 0.12 min⁻¹,求 20 min 后的温度 T。

T0 = 86 °CTa = 20 °Ck = 0.12 min⁻¹t = 20 min
T = °C
8.微分方程困难
t (min)m (kg)20 minm = ?

一个水箱装有 200 L 纯水。 每升含盐 0.1 kg 的盐水以 5 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 20 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0.1 kg/Lr = 5 L/min
m = kg

3溶液

1.积分

答案: I = 0.9502

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。

原函数

F(x) = e−x/(−1)

代入上下限

I = (e−3 − 1)/(−1) = (0.04979 − 1)/(−1) = 0.9502

答案

I = 0.9502
2.积分

答案: V = 407.2

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。

交点

6x = 2x² → x = 0, x = 3

垫圈法

V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx

积分

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129.6 = 407.2

答案

V = 407.2
3.数列与级数

答案: R = 0.25

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+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4,所以 R = 1/4

半径

R = 0.25

答案

R = 0.25

比值判别法对两个端点没有结论;必须单独检验它们。

4.数列与级数

答案: n = 6

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。

n(n + 1)!误差界010.5120.125260.020833240.00260441200.000260457202.17 × 10⁻⁵650401.55 × 10⁻⁶

n 增大时的误差界

n = 5: 2.17 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 6: 1.55 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

最小次数

n = 6

答案

n = 6
5.多元微积分

答案: dz/dt = −4812

梯度:∇f = (fx, fy) 指向最陡上升的方向,|∇f| 是最大变化率。沿方向 v 的方向导数为 Duf = ∇f·u,其中单位向量 u = v/|v|。在 (a, b) 处的切平面为 z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b);它给出 f 在该点附近的线性近似。链式法则:dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt。

点与变化率

x(2) = 5, y(2) = 9
dx/dt = 2, dy/dt = 4t = 8

偏导数

fx = −3y − 15x² = −402
fy = −3x − 6y² = −501

链式法则

dz/dt = (−402)·2 + (−501)·8 = −4812

答案

dz/dt = −4812
6.多元微积分

答案: I = 0.2298

临界点与二重积分:临界点满足 fx = fy = 0。用 D = fxxfyy − fxy² 做二阶导数检验:D > 0 且 fxx > 0 为局部极小值,D > 0 且 fxx < 0 为局部极大值,D < 0 为鞍点,D = 0 无法判断。对于一般区域上的二重积分,内层积分限取为围成该区域的曲线;对于圆盘和扇形,使用极坐标 x = r cos θ,y = r sin θ,dA = r dr dθ(不要忘了因子 r)。

区域

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1

交换顺序

I = ∫01 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫01 y·sin(y²) dy

代换 u = y²

I = [−cos(y²)/2]01 = 0.2298

答案

I = 0.2298
7.微分方程

答案: T = 25.99 °C

一阶微分方程:dy/dt = k·y 的解为 y = y₀·ekt(k > 0 时增长,k < 0 时衰减);半衰期 T 对应 k = ln 2/T。牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ) 给出 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt。线性方程 y′ + p(x)·y = q(x) 用积分因子 μ = e∫p dx 求解:(μy)′ = μq,所以 μy = ∫μq dx + C。

冷却定律的解

T(t) = 20 + 66·e−0.12t

代入 t

T(20) = 20 + 66·0.09072 = 25.99 °C

答案

T = 25.99 °C
8.微分方程

答案: m = 7.869 kg

一阶微分方程:dy/dt = k·y 的解为 y = y₀·ekt(k > 0 时增长,k < 0 时衰减);半衰期 T 对应 k = ln 2/T。牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ) 给出 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt。线性方程 y′ + p(x)·y = q(x) 用积分因子 μ = e∫p dx 求解:(μy)′ = μq,所以 μy = ∫μq dx + C。

列方程

dm/dt = 5·0.1 − (5/200)·m = 0.5 − 0.025·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 20 + (−20)·e−t/40

代入 t

m(20) = 20 + (−20)·0.6065 = 7.869 kg

答案

m = 7.869 kg

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