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
xy01

计算 I = ∫01 e−0.5x dx。

f(x) = e−0.5x[0, 1]
I =
2.积分困难
xy3y = x²eˣ

计算 I = ∫₀3 x²·eˣ dx。

∫₀3 x²eˣ dx
I =
3.数列与级数中等
xx₀ = 3??R

求幂级数 Σk=1∞ (x − 3)ᵏ/(k·4ᵏ) 的收敛半径 R。

Σ (x − 3)ᵏ/(k·4ᵏ)x₀ = 3
R =
4.数列与级数困难

求 f(x) = √x 在 a = 25 处的泰勒级数中 (x − 25)² 的系数 c₂。

f(x) = √xa = 25k = 2
c₂ =
5.多元微积分中等
xy−4−20012PQ

对于 f(x, y) = 2x³y − 4x² − xy,求在 P(−1, 1) 处朝向 Q(−5, 1) 方向的方向导数 Duf。

f(x, y) = 2x³y − 4x² − xyP = (−1, 1)Q = (−5, 1)
Duf =
6.多元微积分困难
xy−20−20(−2, −2)

求 f(x, y) = 3x² − 2xy + 2y² + 8x + 4y + 4 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) = 3x² − 2xy + 2y² + 8x + 4y + 4
fmin =
7.微分方程中等
tyy(0) = 5y(2) = ?

解 y″ + 8y′ + 16y = 0,其中 y(0) = 5,y′(0) = 0。求 y(2)。

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(2) =
8.微分方程困难
t (min)m (kg)120 minm = ?

一个水箱装有 500 L 纯水。 每升含盐 0.05 kg 的盐水以 4 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 120 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0.05 kg/Lr = 4 L/min
m = kg

3溶液

1.积分

答案: I = 0.7869

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−0.5x/(−0.5)

代入上下限

I = (e−0.5 − 1)/(−0.5) = (0.6065 − 1)/(−0.5) = 0.7869

答案

I = 0.7869
2.积分

答案: I = 98.43

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。

第一轮

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

第二轮

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

极限

20.09·(5) − 1·2 = 98.43

答案

I = 98.43
3.数列与级数

答案: R = 4

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 = 4·((k + 1)/k) → 4

半径

R = 4

答案

R = 4

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: c₂ = −0.001

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 f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0.25·x1/2 − 2

系数

c₂ = −0.25·251/2 − 2/2! = −0.001
c₂ = −0.001

答案

c₂ = −0.001
5.多元微积分

答案: Duf = −13

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。

该点处的梯度

fx = 6x²y − 8x − y → fx(−1, 1) = 13
fy = 2x³ − x → fy(−1, 1) = −1

单位向量

|v| = √((−4)² + 0²) = 4
u = (−1, 0)

点积

Duf = 13·(−1) + (−1)·0 = −13

答案

Duf = −13
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 = 6x − 2y + 8 = 0
fy = −2x + 4y + 4 = 0
(−2, −2)

二阶导数检验

(−2, −2): fxx = 6, fyy = 4, fxy = −2, D = 20 → 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(2) = 0.0151

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 + 4)² = 0 → r = −4

常数

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 20 = 20

求值

y(2) = (5 + 20·2)·e−8 = 0.0151

答案

y(2) = 0.0151
8.微分方程

答案: m = 15.43 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 = 4·0.05 − (4/500)·m = 0.2 − 0.008·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 25 + (−25)·e−t/125

代入 t

m(120) = 25 + (−25)·0.3829 = 15.43 kg

答案

m = 15.43 kg

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