因为开学要考试所以不得不复习.jpg
常用
等价无穷小
导数公式
极限
数列极限
数列可以看成整变数的函数
定义:
n→∞limxn=a⟺∀ϵ>0,∃N,当n>N时,有∣xn−a∣<ϵ
理解:
不管 ϵ 多么小,总会有 ∣xn−a∣ 比它小,所以在实际应用时可以限制 ϵ 的上界,但是不能限制它的下界。一般用 ϵ 来表示 N,说明不管 ϵ 怎么取,都有能找到一个 N。
数列收敛
如果数列收敛,那么数列的极限唯一
证明:
假设有 limn→∞xn=a 且 limn→∞xn=b 且 a=b
那么 ∀ϵ<0,∃N1 满足当 N>N1 时,∣xn−a∣<2ϵ ,对于 b 同样存在这样的 N2
0≤∣a−b∣≤∣x−a∣+∣x−b∣≤ϵ,ϵ 是可以任意取的,所以 a=b
理解:
这里用 2ϵ 的套路会比较常见,可以拆成两半然后每一半是 2ϵ,最后拼出来一个 ϵ 可以证明极限。
如果数列收敛,那么数列一定有界,反之不一定成立
数列收敛等价于任意子序列都收敛
函数极限
函数趋于无穷大的极限
定义:
x→∞limf(x)=a⟺∀ϵ>0,∃X使得当x>∣X∣时,有∣f(x)−A∣<ϵ
函数趋于特定值的极限
定义
x→x0limf(x)=a⟺∀ϵ>0,∃δ使得∣x−x0∣<δ时,有∣f(x)−A∣<ϵ
例:证明 limx→x0x=x0
这种证明需要使用定义,通过考虑 ∣f(x)−A∣ 的值来确定 δ 的值。
∣x−x0∣=∣x+x0x−x0∣≤x01∣x−x0∣
如果让 ∣x−x0∣<ϵ,只需要让 ∣x−x0∣<ϵx0
故 δ 可以取 ϵx0,这里还有一个坑,当 ϵ 比较大的时候,δ 也会跟着变大,但是根据定义,我们考察的是 x0 的一个邻域 [x0−δ,x0+δ],如果 δ 超过了 x0 会出现定义域溢出的情况,此时 ϵ>x0 ,一种做法是限制 ϵ<x0,限制上界我们是可以做到的,另一种做法是让 δ和 x0 取最小值,这样的话也是成立的。
特定值极限存在的条件
两个单侧极限都存在并且都相等。
无穷小与无穷大
无穷小
定义:在某一变化过程中,以0为极限的变量称为无穷小量。
运算法则:
- 无穷小与无穷小和差积都是无穷小
- 无穷小和常数的乘积为无穷小
- 有限个无穷小的和差积都是无穷小
高阶无穷小
同阶无穷小:若 limβα=c=0,则称 α 和 β 为同阶无穷小。
等价无穷小:若 limβα=1,则称 α 和 β 为等价无穷小,记作 α∼β。
高阶无穷小:若 limβα=0,则称 α 是 β 的高阶无穷小,记作 α=o(β)。
k 阶无穷小:若 limβkα=c,则称 α 是 β 的 k 阶无穷小。
在求极限时等价无穷小可以互相替换,证明如下
设 γ 是 α 的等价无穷小,那么 limβα=limγαβγ=limβγ
无穷大
定义:在某一变化过程中,给定一个数,无论它多么大,该变量都比这个数大,称这个变量为无穷大量。
极限存在准则
连续函数在某一点的极限是在该点的函数值。
重要极限
x→0limxsinx=1
证明:
由 sinx<x<tanx,可得 1<sinxx<cosx1
由夹逼准则,可知原式极限为 1
x→∞lim(1+x1)x=e
证明:
有空再补(
大概过程是先由整数变量定义了自然对数底数 e ,然后再证明小数的极限也是 e 。
数列单调有界,则数列存在极限
该定理可以用于证明数列存在极限,之后可以设极限为未知量,然后通过已知关系代换得到极限。
函数的连续性
定义
∀ϵ>0,∃δ>0,当∣x−x0∣<δ时,有∣f(x)−f(x0)∣<ϵ
感性理解一下就是在这个点的时候函数有定义并且不断开。
函数的间断性
定义
有三种情况,没有定义,极限不存在,或者极限不等于函数值。
第一类间断点
可去间断点:函数在某点没定义,例如 f(x)=xsinx 在 x=0 的时候没定义,但是极限是 1,此时如果补充定义 f(0)=1,那么该函数连续,x=0 称为可取间断点。
跳跃间断点:函数在某点断开了,即左右极限都存在但是不相等。
总结:两侧极限都存在的间断点。
第二类间断点
无穷间断点:顾名思义,极限为无穷。
震荡间断点:不存在极限,例如 f(x)=sinx1。
总结:两侧极限不都存在的间断点。
有界闭区间函数性质
零点定理
设函数 f(x) 在有界闭区间 [a,b] 上连续,如果 f(a)⋅f(b)<0,则 f(x) 在开区间 (a,b) 内至少有一个零点。
介值定理
设函数 f(x) 在有界闭区间 [a,b] 上连续,如果 f(a)=A,f(b)=B,则 f(x)=C∈(A,B) 在开区间 (a,b) 上至少有一个解。
导数与微分
导数初步
切线的重新定义
割线的极限位置定义为切线。
导数定义
函数在某一个位置的瞬时变化率。
形式化的来讲,函数 y=f(x) 在 x0 处可导,导数记作 f′(x)
f′(x0)=Δx→0limΔxΔy=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0)
导数的写法有很多种,不过本质上都是 ΔxΔy 。
微分定义
函数在某一位置的瞬时变化值。
导数考察的是变化的快慢,而微分考虑的是变化的值。
微分记作 dy=AΔx
微分与导数的联系
可微一定可导,可导一定可微
连续不一定可导,可导一定连续
导数和微分可以互相转化,dy=y′dx
微分和求导的法则
四则运算
微分和求导相似,这里只写求导。
[u(x)+v(x)]′=u′(x)+v′(x)
[u(x)−v(x)]′=u′(x)−v′(x)
[u(x)v(x)]′=u(x)v′(x)+u′(x)v(x)
[v(x)u(x)]′=v2(x)u′(x)v(x)−u(x)v′(x)
复合运算
f′(g(x))=g′(x)f′(g(x))
或者用链式法则,对其中每个函数分别求导。
高阶导数
主要涉及到莱布尼茨公式
(uv)(n)=k=0∑n(kn)u(n−k)vk
隐函数求导
主要涉及到无法表示成 y=f(x) 的形式的函数。
此时要考虑到 y 是 x 的函数,求导时要注意含有 y 的复合函数求导。
参数方程求导
{x=ϕ(t)y=Φ(t)
用参数代换一下就可以了
dxdy=dtdydxdt
微分方程
定义
含有未知函数的导数的方程称为微分方程。
未知函数是一元函数,称为常微分方程。
未知函数是多元函数,称为偏微分方程。
最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶。
可分离变量的微分方程
如果一个一阶微分方程可以写成
g(y)dy=f(x)dx
的形式,我们称之为可分离变量的微分方程,两侧同时积分求解。
齐次方程
我们称
dxdy=φ(xy)
形式的方程为齐次方程,求解的时候利用换元。
令 u=xy ,有
u+xdxdu=φ(u)
移项后分离变量即可。
可化为齐次的方程
dxdy=Ax+By+Cax+by+c
当 c=C 的时候是齐次的,否则不齐次。
不齐次的时候作变换,X=x+h,Y=y+k
dXdY=AX+BY+Ah+Bk+CaX+bY+ah+bk+c
解方程组就可以得到 h,k 的值
{ah+bk+c=0Ah+Bk+C=0
根据克拉默法则,该方程组有解的条件是
a bA B=0
当方程组无解时,有
ba=BA
此时
dxdy=λ(ax+by)+Cax+by+c
令 v=(ax+by) 换元即可。
一阶线性微分方程
dxdy+P(x)y=Q(x)
称为一阶线性微分方程。
我们首先求其通解,即
dxdy+P(x)y=0
显然可得,解为
ln∣y∣y=−∫P(x)dx+C1=Ce−∫P(x)dx
此时使用常数变异法求特解
y=u(x)e−∫P(x)dx
代入原方程可得
u′(x)e−∫P(x)dx−u(x)P(x)e−∫P(x)dx+P(x)u(x)e−∫P(x)dxu′(x)e−∫P(x)dxu(x)=∫Q(x)e∫P(x)dxdx+Cy=u(x)e−∫P(x)dx=(∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C)e−∫P(x)dx=Q(x)=Q(x)
这就是一阶线性微分方程的解法,注意这个公式没有必要记住,会推导就行,考场上利用常数变异法现算要比记公式简单,因为计算的过程中会消去很多量。
伯努利方程
dxdy+P(x)y=Q(x)yn
这个方程和一阶线性微分方程很相似,求解只需要把 yn 配凑进去即可,换元 z=y1−n 之后就是一阶线性微分方程。
可降阶的高阶微分方程
y(n)=f(x)
积分 n 次即可。
y′′=f(x,y′)
令 p=y′,之后就是一个关于 p 的一阶微分方程了。
y′′=f(y,y′)
令 y′=p,再用复合函数求导转化 y′′=pdydp
常系数齐次线性微分方程
y′′+py′+qy=0
由于指数函数求导后只相差常数,所以考虑用指数函数拟合 y。
y′′+py′+qyr2erx+rperx+qerxr2+pr+q=0=0=0
对于最后这个方程,我们称之为,特征方程。
如果方程含有两个不等实根 r1=r2,那么可以直接得到两个特解 er1x,er2x。
如果有两个相等实根 r1=r2,那么用常数变异法可得特解 er1x,xer1x。
如果有两个虚根,α+iβ,α−iβ,根据根的叠加原理,可以得到两个根分别为 eαxcosβx,eαxsinβx,所以通解为 eαx(C1cosβx+C2eαxsinβx)。
对于更高阶的方程,我们采用多个特征根叠加的方式来解决。
特征方程的根 |
微分方程通解的对应 |
单实根 r |
给出一项 Cerx |
一对单复根 r1,2=α±iβ |
给出两项 eαx(C1cosβx+C2sinβx) |
k 重实根 r |
给出 k 项 erx(C1+C2x+C3x2⋯+Ckxk−1) |
一对 k 重复根 r1,2=α±iβ |
给出 2k 项 eαx(C1cosβx+C2sinβx…C2k−1xk−1cosβx+C2kxk−1sinβx) |
常系数非齐次线性微分方程
根据叠加原理,解此类方程只需要求出特解,然后和通解叠加即可。
这里只给出结论
f(x)=eλxPm(x) 类型的,有特解 y∗=xkQm(x)eλx 。
f(x)=eλx(Pl(x)cosωx+Pn(x)sinωx) 类型的,有特解 y∗=xk(Rm(1)cosωx+Rm(2)sinωx)eλx
其中 k 是特征根 λ 的重数。
欧拉方程
xny(n)+p1xn−1y(n−1)+⋯+pn−1xy′+pny=f(x)
进行换元 x=et 可以得到
dxdydx2d2y=dtdydxdt=x1dtdy=x21(dt2d2y−dtdy)
如果用 D 表示 dtd,即微分算符
有
xndxndny=(D−n)!D!y
再将上述式子展开,即可得到一个常系数微分方程。
微分中值定理
罗尔定理
如果 f(x) 在 [a,b] 连续,(a,b) 可导且 f(a)=f(b) ,那么存在一点 ξ∈(a,b) 使得 f′(ξ)=0 。
拉格朗日中值定理
如果 f(x) 在 [a,b] 连续,(a,b) 可导 ,那么存在一点 ξ∈(a,b) 使得 f′(ξ)=b−af(b)−f(a) 。
柯西中值定理
如果 f(x),g(x) 在 [a,b] 连续,(a,b) 可导且 g(x)=0 ,那么存在一点 ξ∈(a,b) 使得 g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ) 。
洛必达法则
对于 00 和 ∞∞ 的未定式,有
g(x)f(x)=g′(x)f′(x)
对于 00,证明可用柯西中值定理
x→alimg(x)−g(a)f(x)−f(a)=ξ→alimg′(ξ)f′(ξ)=g′(a)f′(a)
泰勒公式
泰勒展开是用多项式来拟合函数,通过不断求导的方式。
f(x)=i=0∑+∞i!f(i)(x0)(x−x0)i
一般情况下我们不会写出所有的项,只会保留前几项,对于剩下的余项,有两种写法。
皮亚诺余项 Rn(x)=o(x−x0)n
拉格朗日余项 Rn=(n+1)!f′(n+1)(ξ)(x−x0)n+1,ξ∈[x,x0]
曲线
曲线的凹凸性
f(2x1+x2)<2f(x1)+f(x2)
则称函数在此区间上向上凹
判断方法为 f′′(x)>0
曲线的拐点
当经过一个点时,曲线的凹凸性改变,称经过了曲线的拐点
有定义可知拐点满足 f′′(x0)=0
驻点
f′(x0)=0 的点
函数的极值点
略
函数渐近线
垂直渐近线和水平渐近线单独考虑,对于一般的渐近线,有
x→+∞lim(f(x)−ax−b)=0x→+∞lim(xf(x)−x−xb)=0x→+∞limxf(x)=ax→+∞lim(f(x)−ax)=b
函数的描绘
- 确定定义域
- 判断奇偶性、周期性
- 求出所有驻点
- 求出所有拐点
- 求出渐近线
- 列表
- 作图
曲率
定义
判断曲线的弯曲程度,用 弧长夹角 来刻画。
计算
K=sφ=sΔθ=(1+y′2)23∣y′′∣
曲率半径
ρ=K1
在某一点处曲率圆的半径。
曲线长
s=∫ab1+y′2dx
积分
定积分
定义
设 f(x) 在区间 [a,b] 上有若干分点
a=x0≤x1≤x2⋯≤xn−1≤xn=b
记 Δxi=xi−xi−1,λ=max{Δxi}
I=λ→0limi=1∑nf(xi)Δxi=∫abf(x)dx
注意到无论如何取分点,当 λ→0 的时候,I 的值固定不变,我们称之为积分和,也叫黎曼和。
为了便于计算,一般分点都是取等分点。
有一些性质如果需要证明的话用定义去证明比较好证,因为定义把积分拆成了可以求和的形式。
定积分中值定理
若 f(x) 在 [a,b] 上连续,则至少有一点 ξ∈[a,b],使得
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
微积分基本公式
定义 f(x) 的原函数 F(x) 满足条件 F′(x)=f(x)
有 ∫ab=F(b)−F(a),这个式子称为牛顿-莱布尼茨公式,也是微积分基本公式。
不定积分
定义
上面提到了一个函数的原函数定义,而不定积分就是用来求函数的原函数。
我们将 f(x) 的全体原函数 F(x) 记作 f(x) 的不定积分。
∫f(x)=F(x)+C
基本积分表
参考开头的导数表。
换元积分
第一类换元积分法
也叫凑微分法,本质是整体代换,改变微分的变量。
∫f(φ(x))φ′(x)dx=∫f(φ)dφ(x)=[∫f(u)du]u=φ(x)
第二类换元积分法
利用反函数进行代换。
∫f(x)dx=[∫f(ϕ(t))ϕ′(t)dx]x=ϕ(t)
利用换元进行等式的证明
证明
∫0πxf(sinx)dx=2π∫0πf(sinx)dx
∫0πxf(sinx)dx=∫π0(π−t)f(sin(π−t))d(π−t)=∫0ππf(sint)dt−∫0πtf(sint)dt=∫0ππf(sinx)dx−∫0πxf(sinx)dx
然后移项一下就得到了,
这里的证明主要是通过换元得到一个和原来形式相同的式子,而积分变量是可以随意替换的,所以两个式子等价。
这个式子的证明告诉我们,如果积分区间是 [0,π] ,并且含有 x,可以直接把 x 去掉用 2π 来代替。
证明
∫aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx
∫aa+Tf(x)dx=∫a0f(x)dx+∫0Tf(x)dx+∫Ta+Tf(x)dx=∫a0f(x)dx+∫0Tf(x)dx+∫0af(x)dx=∫0Tf(x)dx
这个证明是一个显然的结论,不过具体的过程书写下来还是有些地方不太清楚,这种证明可以把原积分式子拆掉,然后证明一些余项加起来是 0。
分部积分
定义
(uv)′=u′v+uv′u′v=(uv)′−uv′∫u′v=uv−∫uv′∫vdu=uv−∫udv
重要推论
In=∫02πsinnxdx=∫02πcosnxdx={nn−1⋅n−2n−3…43212π,n为偶数nn−1⋅n−2n−3…5432,n为奇数
证明是直接分部积分即可。
有理函数的积分
定义
两个多项式的商 Q(x)P(x),称为有理分式,下面证明这种分式一定可积。
拆分
通过多项式除法可以将上述分式拆分成多项式和一个真分式的和,多项式的积分是容易求得的,只考虑真分式如何积分。
对于 Q(x)P(x),对 Q(x) 在实数范围内进行因式分解,最后得到的式子只有两种类型,(x−a)k 和 (x2+px+q)l。
对于 (x−a)k 进行拆分,可以拆成 k 个分式的和
(x−a)A1+(x−a)2A2+⋯+(x−a)k−1A3+(x−a)kA2
对于 (x2+px+q)l 进行拆分,可以拆分成 l 个分式的和
(x2+px+q)M1x+N1+(x2+px+q)2M2x+N2+⋯+(x2+px+q)l−1Ml−1x+Nl−1+(x2+px+q)lMlx+Nl
于是只要解决上述分式的积分,就能够完成对有理函数的积分
积分
首先解决第一种类型的,这个比较好解决
∫(x−a)kAkdx=Ak∫(x−a)kd(x−a)=1−kAk(x−a)1−k
然后是第二种类型的积分
∫(x2+px+q)M1x+N1dx
先解决分子中的一次项,只需要配凑一下常数,用第一类换元积分即可。
对于常数项,配凑成 x2+11 的形式然后积分即可。
注意如果 l>1 ,则需要使用分部积分进行降幂。
因为里面含有两项 x,所以考虑通过配方转化为一项,这样的好处是简化运算,并且微分变量不变。
即,令 u=x+2p,v=q−4p2
∫(x2+px+q)ldx∫(u2+v)l+11du=∫(u2+v)ldu=(u2+v)lu−∫ud(u2+v)l1=(u2+v)lu+∫(u2+v)l+12u2ldu=(u2+v)lu+2l∫(u2+v)l1du−2lv∫(u2+v)l+11du=2lv1[(u2+v)lu+(2l−1)∫(u2+v)l1du]
如此再往回代换即可。
可化为有理函数的积分
如果是三角函数的积分,可以使用万能公式进行代换
如果是根式,可以直接换元然后升幂
如果分母次幂比较大,可以进行倒代换
反常积分
无穷限上的反常积分
∫a+∞f(x)dx=t→+∞lim∫atf(x)dx
若该极限存在,则说明反常积分存在,也称收敛,否则不存在,也称发散。
易错,∫−∞+∞x1dx=0
这个反常积分并不存在。
你只会思考它的值是多少,而并不关注它是否存在
无界函数的反常积分
和上面一样,只是由无穷改为了某个数。