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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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
xy02

计算 I = ∫02 e−x dx。

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

将直线 y = 3x 与抛物线 y = x² 之间的区域绕 x 轴旋转。求该旋转体的体积 V。

y = 3xy = x²
V =
3.数列与级数中等
AΣ 2/k⁴k = 1 … ∞BΣ 1/(k² + 4)k = 1 … ∞CΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞DΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞

四个级数中恰有一个发散。点选它。

A: Σ 2/k⁴B: Σ 1/(k² + 4)C: Σ k!/2ᵏD: Σ (4/5)ᵏ
  1. 1A: Σ 2/k⁴
  2. 2B: Σ 1/(k² + 4)
  3. 3C: Σ k!/2ᵏ
  4. 4D: Σ (4/5)ᵏ
4.数列与级数困难

求 f(x) = e3x 在 a = −1 处的泰勒级数中 (x + 1)² 的系数 c₂。

f(x) = e3xa = −1k = 2
c₂ =
5.多元微积分中等
xy0.52P

z = ln(x² + 4y²) 在 (x, y) = (0.5, 2) 处的切平面可以写成 z = px + qy + c。求 c。

f(x, y) = ln(x² + 4y²)(a, b) = (0.5, 2)
c =
6.多元微积分困难
xy−505−4−202(3, −2)(−3, −2)

求 f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 4y 的临界点,对它们分类,并给出 f 在其局部极大值处的值 fmax。

f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 4y
fmax =
7.微分方程中等
t (min)T (°C)14Ta​59 °C84 °C

一杯 95 °C 的咖啡放在 24 °C 的房间里。 14 min 后其温度为 59 °C。 它遵循牛顿冷却定律 dT/dt = −k·(T − Tₐ)。 从开始算起需要多长时间 t 才能达到 84 °C?

T0 = 95 °CTa = 24 °CT(14) = 59 °CT = 84 °C
t = min
8.微分方程困难
t (min)m (kg)5 minm = ?

一个水箱装有 400 L 水,其中溶有 5 kg 盐。 每升含盐 0.25 kg 的盐水以 20 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 5 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0.25 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3溶液

1.积分

答案: I = 0.8647

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−2 − 1)/(−1) = (0.1353 − 1)/(−1) = 0.8647

答案

I = 0.8647
2.积分

答案: V = 101.8

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

3x = 1x² → x = 0, x = 3

垫圈法

V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx

积分

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32.4 = 101.8

答案

V = 101.8
3.数列与级数

答案: C: Σ k!/2ᵏ

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/k⁴ → p-级数,p = 4 > 1:收敛。
B: Σ 1/(k² + 4) → 小于 1/k²(收敛的 p-级数):由比较判别法收敛。
C: Σ k!/2ᵏ → 比值判别法:L = lim (k + 1)/2 = ∞,发散。
D: Σ (4/5)ᵏ → 等比级数,r = 4/5,|r| < 1:收敛。

答案

C: Σ k!/2ᵏ

答案

C: Σ k!/2ᵏ
4.数列与级数

答案: c₂ = 0.224

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) = 3²·e3x

系数

c₂ = 3²·e−3/2! = 0.224
c₂ = 0.224

答案

c₂ = 0.224
5.多元微积分

答案: c = 0.7881

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(0.5, 2) = 2.788
fx = 2x/(x² + 4y²) → fx(0.5, 2) = 0.06154
fy = 8y/(x² + 4y²) → fy(0.5, 2) = 0.9846

切平面

z = 2.788 + 0.06154(x − 0.5) + 0.9846(y − 2)
z = 0.06154x + 0.9846y + 0.7881

常数项

c = 0.7881

答案

c = 0.7881
6.多元微积分

答案: fmax = 58

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 − 27) = 0
fy = −(2y + 4) = 0
(3, −2), (−3, −2)

二阶导数检验

(3, −2): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → 局部极大值
(−3, −2): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → 鞍点

极值处的值

f(3, −2) = 58

答案

fmax = 58
7.微分方程

答案: t = 3.332 min

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。

冷却常数

k = ln(71/35)/14 = 0.05052 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(71/60)/0.05052 = 3.332 min

答案

t = 3.332 min
8.微分方程

答案: m = 26.01 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 = 20·0.25 − (20/400)·m = 5 − 0.05·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 100 + (−95)·e−t/20

代入 t

m(5) = 100 + (−95)·0.7788 = 26.01 kg

答案

m = 26.01 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2