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
xy12.5y = x ln x

计算 I = ∫₁2.5 x·ln x dx。

∫₁2.5 x ln x dx
I =
2.积分困难
xyy = x2​y = 4x

求由 y = x2 和 y = 4x 围成区域的面积 A。

y = x2y = 4x
A =
3.数列与级数中等
AΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ 3/kk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞

四个级数中恰有一个收敛。点选它。

A: Σ (7/4)ᵏB: Σ 3/kC: Σ 2ᵏ/k!D: Σ k!/3ᵏ
  1. 1A: Σ (7/4)ᵏ
  2. 2B: Σ 3/k
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k!
  4. 4D: Σ k!/3ᵏ
4.数列与级数困难

f(x) = sin x 在 x = −0.5 处用其 5 次麦克劳林多项式近似。用拉格朗日误差界 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!(M = 1)求最大可能误差 |R₅|。

f(x) = sin xn = 5x = −0.5M = 1
|R₅| =
5.多元微积分中等
xy22∇fP

对于 f(x, y) = −4xy + 3y³,求 f 在点 (2, 2) 处的最大变化率,即 |∇f|。

f(x, y) = −4xy + 3y³P = (2, 2)
|∇f| =
6.多元微积分困难
xy0202(0, 0)(2, 2)

求 f(x, y) = x³ + y³ − 6xy 的临界点,对它们分类,并给出 f 在其局部极小值处的值 fmin。

f(x, y) = x³ + y³ − 6xy
fmin =
7.微分方程中等
tyy(0) = 2y(0.5) = ?

解 y″ + 2y′ + y = 0,其中 y(0) = 2,y′(0) = 2。求 y(0.5)。

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(0.5) =
8.微分方程困难
ty1y(1) = ?

求解 y′ + 3y = 9e−2t,y(0) = 4。求 y(1)。

y′ + 3y = 9e−2ty(0) = 4
y(1) =

3溶液

1.积分

答案: I = 1.551

分部积分:∫u·dv = u·v − ∫v·du,由乘积法则得出。把 u 选为求导后会变简单的因式(x 的幂或 ln x),把 dv 选为你能积分的因式(eˣ、sin x、cos x,或 u = ln x 时的 x)。对定积分,要在两个上下限处计算 u·v:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。含 x² 的因式需要做两轮。

选取 u 和 dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

原函数

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

极限

(3.125·ln 2.5 − 1.5625) − (0 − 0.25) = 1.551

答案

I = 1.551
2.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。

交点

x2 = 4x → x = 0, x = 4

对上减下积分

A = [2x2 − 0.3333x3]04 = 10.67

答案

A = 10.67
3.数列与级数

答案: C: Σ 2ᵏ/k!

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。

检验每个级数

A: Σ (7/4)ᵏ → 等比级数,r = 7/4 > 1:各项增大,所以发散。
B: Σ 3/k → 调和级数 (p = 1) 的倍数:发散。
C: Σ 2ᵏ/k! → 比值判别法:L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1,收敛。
D: Σ k!/3ᵏ → 比值判别法:L = lim (k + 1)/3 = ∞,发散。

答案

C: Σ 2ᵏ/k!

答案

C: Σ 2ᵏ/k!
4.数列与级数

答案: |R₅| = 2.17 × 10⁻⁵

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。

导数的上界

M = 1

拉格朗日误差界

|R₅| ≤ 1·0.5⁶/6! = 2.17 × 10⁻⁵

答案

|R₅| = 2.17 × 10⁻⁵

真实误差更小:|f(−0.5) − P₅(−0.5)| = 1.545 × 10⁻⁶。

5.多元微积分

答案: |∇f| = 29.12

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。

偏导数

fx = −4y → fx(2, 2) = −8
fy = −4x + 9y² → fy(2, 2) = 28

梯度的长度

|∇f| = √((−8)² + 28²) = 29.12

答案

|∇f| = 29.12
6.多元微积分

答案: fmin = −8

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)。

临界点

联立求解 fx = 0 和 fy = 0。

fx = 3x² − 6y = 0
fy = 3y² − 6x = 0
(0, 0), (2, 2)

二阶导数检验

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −6, D = −36 → 鞍点
(2, 2): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −6, D = 108 → 局部极小值

极值处的值

f(2, 2) = −8

答案

fmin = −8
7.微分方程

答案: y(0.5) = 2.426

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 + 1)² = 0 → r = −1

常数

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 2 = 4

求值

y(0.5) = (2 + 4·0.5)·e−0.5 = 2.426

答案

y(0.5) = 2.426
8.微分方程

答案: y(1) = 0.9691

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。

积分因子

μ = e3t
(e3ty)′ = 9et

通解

y = 9/1·e−2t + C·e−3t = 9·e−2t + C·e−3t

初始条件

4 = 9 + C → C = −5

求值

y(1) = 9·0.1353 + (−5)·0.04979 = 0.9691

答案

y(1) = 0.9691

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