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
xy13y = x ln x

计算 I = ∫₁3 x·ln x dx。

∫₁3 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 k/5ᵏk = 1 … ∞BΣ 3/k²k = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 3)k = 1 … ∞

四个级数中恰有一个发散。点选它。

A: Σ k/5ᵏB: Σ 3/k²C: Σ k!/3ᵏD: Σ 1/(k² + 3)
  1. 1A: Σ k/5ᵏ
  2. 2B: Σ 3/k²
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k² + 3)
4.数列与级数困难

识别该级数并求它的和:S = Σk=1∞ (−1)k+1·0.75ᵏ/k。

ak = (−1)k+1·0.75ᵏ/k
S =
5.多元微积分中等

z = 5x²y³ − 4x³ + 5y³ − 2xy,其中 x = 2t + 2,y = t² + 2。用链式法则求 t = 0 时的 dz/dt。

z = 5x²y³ − 4x³ + 5y³ − 2xyx = 2t + 2y = t² + 2t = 0
dz/dt =
6.多元微积分困难
xy−202−20(0, −2)

f(x, y) = 3x² + 2xy + 2y² + 4x + 8y 在 (0, −2) 处有一个临界点。计算该点的判别式 D = fxxfyy − fxy²。

f(x, y) = 3x² + 2xy + 2y² + 4x + 8yP = (0, −2)
D =
7.微分方程中等
t (min)T (°C)21Ta​16 °C20 °C

一罐 3 °C 的汽水从冰箱中取出,放到 23 °C 的房间里。 21 min 后其温度为 16 °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 20 °C?

T0 = 3 °CTa = 23 °CT(21) = 16 °CT = 20 °C
t = min
8.微分方程困难
t (min)m (kg)35 minm = ?

一个水箱装有 400 L 纯水。 每升含盐 0.25 kg 的盐水以 2 L/min 流入,混合均匀的溶液以相同流量流出。 35 min 后水箱中有多少盐 m?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0.25 kg/Lr = 2 L/min
m = kg

3溶液

1.积分

答案: I = 2.944

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

(4.5·ln 3 − 2.25) − (0 − 0.25) = 2.944

答案

I = 2.944
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: C: Σ k!/3ᵏ

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 k/5ᵏ → 比值判别法:L = 1/5 < 1,收敛。
B: Σ 3/k² → p-级数,p = 2 > 1:收敛。
C: Σ k!/3ᵏ → 比值判别法:L = lim (k + 1)/3 = ∞,发散。
D: Σ 1/(k² + 3) → 小于 1/k²(收敛的 p-级数):由比较判别法收敛。

答案

C: Σ k!/3ᵏ

答案

C: Σ k!/3ᵏ
4.数列与级数

答案: S = 0.5596

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。

标准级数

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

代入

x = 0.75
S = ln 1.75 = 0.5596

答案

S = 0.5596
5.多元微积分

答案: dz/dt = 216

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(0) = 2, y(0) = 2
dx/dt = 2, dy/dt = 2t = 0

偏导数

fx = 10xy³ − 12x² − 2y = 108
fy = 15x²y² + 15y² − 2x = 296

链式法则

dz/dt = 108·2 + 296·0 = 216

答案

dz/dt = 216
6.多元微积分

答案: D = 20

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 = 4, fxy = 2

判别式

D = 6·4 − 2² = 20
→ 局部极小值

答案

D = 20
7.微分方程

答案: t = 37.95 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(-20/-7)/21 = 0.04999 min⁻¹

达到目标温度的时间

t = ln(-20/(−3))/0.04999 = 37.95 min

答案

t = 37.95 min
8.微分方程

答案: m = 16.05 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 = 2·0.25 − (2/400)·m = 0.5 − 0.005·m

求解

积分因子为 ert/V;解趋近于平衡值 c·V。

m(t) = 100 + (−100)·e−t/200

代入 t

m(35) = 100 + (−100)·0.8395 = 16.05 kg

答案

m = 16.05 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2