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
xy12y = x ln x

计算 I = ∫₁2 x·ln x dx。

∫₁2 x ln x dx
I =
2.积分困难
xyy = 0.5x2​y = 2x

求由 y = 0.5x2 和 y = 2x 围成区域的面积 A。

y = 0.5x2y = 2x
A =
3.数列与级数中等
AΣ 2/k²k = 1 … ∞BΣ k²/3ᵏk = 1 … ∞CΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞

四个级数中恰有一个发散。点选它。

A: Σ 2/k²B: Σ k²/3ᵏC: Σ (4/5)ᵏD: Σ (4/3)ᵏ
  1. 1A: Σ 2/k²
  2. 2B: Σ k²/3ᵏ
  3. 3C: Σ (4/5)ᵏ
  4. 4D: Σ (4/3)ᵏ
4.数列与级数困难

f(x) = ln(1 + x) 在 x = 0.3 处用其 2 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 = 2! = 2)求最大可能误差 |R₂|。

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = 0.3M = 2
|R₂| =
5.多元微积分中等
xy22P

z = sin(x − 2y) 在 (x, y) = (2, 2) 处的切平面可以写成 z = px + qy + c。求 c。

f(x, y) = sin(x − 2y)(a, b) = (2, 2)
c =
6.多元微积分困难
xy−20202(1, 2)(−1, 2)

f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 4y 在 (−1, 2) 处有一个临界点。计算该点的判别式 D = fxxfyy − fxy²。

f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 4yP = (−1, 2)
D =
7.微分方程中等
t (min)T (°C)20Ta​22 °C

一罐 5 °C 的汽水从冰箱中取出,放到 30 °C 的房间里。 20 min 后其温度为 22 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 求常数 k,以 min⁻¹ 计。

T0 = 5 °CTa = 30 °CT(20) = 22 °C
k = min⁻¹
8.微分方程困难
ty0.5y(0.5) = ?

求解 y′ + 0.5y = 2e−2t,y(0) = 1。求 y(0.5)。

y′ + 0.5y = 2e−2ty(0) = 1
y(0.5) =

3溶液

1.积分

答案: I = 0.6363

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

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0.25) = 0.6363

答案

I = 0.6363
2.积分

答案: A = 5.333

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

0.5x2 = 2x → x = 0, x = 4

对上减下积分

A = [x2 − 0.1667x3]04 = 5.333

答案

A = 5.333
3.数列与级数

答案: D: Σ (4/3)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 2/k² → p-级数,p = 2 > 1:收敛。
B: Σ k²/3ᵏ → 比值判别法:L = 1/3 < 1,收敛。
C: Σ (4/5)ᵏ → 等比级数,r = 4/5,|r| < 1:收敛。
D: Σ (4/3)ᵏ → 等比级数,r = 4/3 > 1:各项增大,所以发散。

答案

D: Σ (4/3)ᵏ

答案

D: Σ (4/3)ᵏ
4.数列与级数

答案: |R₂| = 0.009

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 = 2! = 2

拉格朗日误差界

|R₂| ≤ 2·0.3³/3! = 0.009

答案

|R₂| = 0.009

真实误差更小:|f(0.3) − P₂(0.3)| = 0.007364。

5.多元微积分

答案: c = −1.742

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。

该点处的函数值与斜率

f(2, 2) = −0.9093
fx = 1 cos(x − 2y) → fx(2, 2) = −0.4161
fy = −2 cos(x − 2y) → fy(2, 2) = 0.8323

切平面

z = −0.9093 − 0.4161(x − 2) + 0.8323(y − 2)
z = −0.4161x + 0.8323y − 1.742

常数项

c = −1.742

答案

c = −1.742
6.多元微积分

答案: D = −12

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)。

二阶导数

fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0

判别式

D = 6·(−2) − 0² = −12
→ 鞍点

答案

D = −12
7.微分方程

答案: k = 0.05697 min⁻¹

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。

温差之比

e−20k = -8/-25

解出 k

k = ln(-25/-8)/20 = 0.05697 min⁻¹

答案

k = 0.05697 min⁻¹
8.微分方程

答案: y(0.5) = 1.327

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 = e0.5t
(e0.5ty)′ = 2e−1.5t

通解

y = 2/(−1.5)·e−2t + C·e−0.5t = −1.333·e−2t + C·e−0.5t

初始条件

1 = −1.333 + C → C = 2.333

求值

y(0.5) = −1.333·0.3679 + 2.333·0.7788 = 1.327

答案

y(0.5) = 1.327

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