微积分A(1)期末复习笔记(仅包括下半学期相关内容),仅供参考。 PDF版本链接
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定理
黎曼积分
∫abf(x)dx=λ(P)→0limσ(f;P,ξ)=λ(P)→0limi=1∑nf(ξi)Δxi
f可积:
IFF ∀ε>0,U(f;P)−L(f;P)<ε.
IFF ∫abf(x)dx=∫abf(x)dx.
IFF limλ(P)→0∑i=1nω(f;Δi)Δxi=0.
一致连续
∀ε>0,∃δ>0,∀x,y∈X,∣x−y∣<δ, 都有∣f(x)−f(y)∣<ε, 则f在X上一致连续.
f一致连续:
IFF ∀{xn},{yn},limn→∞(xn−yn)=0, 都有limn→∞(f(xn)−f(yn))=0.
L-Lipschitz函数一致连续.
闭区间上连续函数一致连续.
闭区间上连续函数可积.
闭区间上单调函数可积.
有界函数可积当且仅当的间断点集零测度.
积分中值定理
积分第一中值定理: f∈C[a,b],∃ξ∈[a,b],∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a).
加强积分第一中值定理: f∈R[a,b],f∈C(a,b),∃ξ∈(a,b),∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a).
广义积分第一中值定理: f∈C[a,b],g∈R[a,b],∃ξ∈[a,b],∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx.
积分第二中值定理: f∈R[a,b], g在[a,b]上单调, ∃ξ∈[a,b],∫abf(x)g(x)dx=g(a)∫aξf(x)dx+g(b)∫ξbf(x)dx.
广义积分收敛性判断
Cauchy判别准则: ∫aωf(x)dx收敛:
IFF ∀ε>0,∃c∈(a,ω),∀A1,A2∈(c,ω),∣∫A1A2f(x)dx∣<ε.
Abel判别准则: ∫aωf(x)dx收敛且g单调有界则∫aωf(x)g(x)dx收敛.
Dirichlet判别准则: F(A)=∫aAf(x)dx有界且g单调趋于0, 则∫aωf(x)g(x)dx收敛.
比较判敛法.
测试函数.
公式
高阶导数公式
-
(xα)(n)=αnxα−n.
-
(eαx)(n)=αneαx (α∈C).
-
(ln(1+x))(n)=(1+x)n(−1)n−1(n−1)!.
-
sin(n)(x)=sin(x+2nπ), cos(n)(x)=cos(x+2nπ).
1⇒3:
(ln(1+x))′=1+x1=(1+x)−1[(ln(1+x))′](n−1)=−1n−1(1+x)−1−(n−1)=(1+x)n(−1)n−1(n−1)!
2⇒4:
cos(n)(x)+isin(n)(x)=(cosx+isinx)(n)=(eix)(n)=ineix=(e2iπ)neix=ei(x+2nπ)=cos(x+2nπ)+isin(x+2nπ)
(λf+μg)(n)=λf(n)+μg(n)(fg)(n)=k=0∑n(kn)f(k)g(n−k)
常用泰勒展开
exsinxcosxln(1+x)ln(1−x1)1−x1=1+x+2x2+6x3+24x4+...=x−6x3+120x5−...=1−2x2+24x4−...=x−2x+3x3−4x4+...=x+2x+3x3+4x4+...=1+x+x2+x3+x4+...
变限积分求导
(∫ψ(x)φ(x)f(t)dt)′=f(φ(x))φ′(x)−f(ψ(x))ψ′(x)
(∫ψ(x)φ(x)f(x,t)dt)′=f(x,φ(x))φ′(x)−f(x,ψ(x))ψ′(x)+∫ψ(x)φ(x)dxdf(x,t)dt
定积分与数列极限
n→∞limnb−ak=1∑nf(ξn,k)=∫abf(x)dx
不等式
均值不等式:
∑i=1nxi1n≤ni=1∏nxi≤n1i=1∑nxi≤n∑i=1nxi2
Young不等式(p1+q1=1):
xp1yq1≤p1x+q1y
Holder不等式(p1+q1=1):
k=1∑nxkyk≤(k=1∑nxkp)p1(k=1∑nykq)q1
积分Cauchy不等式:
(∫abf(x)g(x)dx)2≤(∫abf2(x)dx)(∫abg2(x)dx)
积分Holder不等式(p1+q1=1):
∣∣∣∣∣∫abf(x)g(x)dx∣∣∣∣∣≤(∫ab∣f(x)∣pdx)p1(∫ab∣f(x)∣qdx)q1
积分Jensen不等式(φ为凸函数):
φ(b−a1∫abf(x)dx)≤b−a1∫abφ(f(x))dx
积分Minkowski不等式(p>1):
(∫ab(∣f(x)∣+∣g(x)∣)pdx)p1≤(∫ab∣f(x)∣pdx)p1+(∫ab∣g(x)∣pdx)p1
几何图形计算
直角坐标系下面积(矩形逼近):
S=∫ab∣f(x)∣dx
极坐标系下面积(扇形逼近):
S=21∫αβρ2(θ)dθ
参数方程面积:
若x(t)单调, 反函数t(x)存在, a=x(α), b=x(β), 则:
S=∫ab∣y(t(x))∣dx=x=x(t)∫αβ∣y(t)x′(t)∣dt
直角坐标系弧长:
L=∫ab1+(f′(x))2dt
极坐标系弧长:
L=∫αβρ2(θ)+ρ′2(θ)dθ
参数方程曲线弧长:
L=∫ab(x′(t))2+(y′(t))2dt
曲线的曲率: κ=dLdα. 曲线的曲率半径R=κ1
参数方程曲线曲率:
κ=∣∣∣∣dLdα∣∣∣∣=∣∣∣∣∣∣x′2(t)+y′2(t)darctanx′(t)y′(t)∣∣∣∣∣∣=(x′2(t)+y′2(t))23∣x′(t)y′′(t)−x′′(t)y′(t)∣
直角坐标系曲线曲率:
κ=(1+y′2(x))23∣y′′(x)∣
极坐标系曲线曲率:
κ=(ρ2(θ)+ρ′2(θ))23∣ρ2(θ)+2ρ′2(θ)−ρ(θ)ρ′′(θ)∣
y=f(x)绕x轴旋转体体积:
V=π∫abf2(x)dx
y=f(x)绕y轴旋转体体积:
dxdV(x)=Δx→0limΔx(π(x+Δx)2−πx2)∣y(x)∣=2πx∣y(x)∣=2πxf(x)V=2π∫ab∣xf(x)∣dx
极坐标曲线与原点连线所成图形绕极轴旋转体积(一般情况下适用):
V=32π∫αβr3(θ)sinθdθ
y=f(x)绕x轴旋转体侧面积微元: dS=2π∣y∣dL.
参数方程旋转体侧面积(x轴):
S=2π∫ab∣y(t)∣x′2(y)+y′2(t)dt
参数方程旋转体侧面积(y轴):
S=2π∫ab∣x(t)∣x′2(y)+y′2(t)dt
直角坐标系旋转体侧面积(x轴):
S=2π∫ab∣y(x)∣1+y′2(x)dx
直角坐标系旋转体侧面积(y轴):
S=2π∫ab∣x∣1+y′2(x)dx
极坐标系旋转体侧面积(x轴):
S=2π∫αβ∣ρ(θ)sinθ∣ρ2(θ)+ρ′2(θ)dθ
极坐标系旋转体侧面积(y轴):
S=2π∫αβ∣ρ(θ)cosθ∣ρ2(θ)+ρ′2(θ)dθ
曲线质心: 力矩平衡. 设线密度μ为常数. 则一小段线段的质量为dm=μdL. 线段总质量为m=∫μdL.
沿y轴方向的静力矩为: My=∫xμdL. 类似地, Mx=∫yμdL.
设质心坐标为(xˉ,yˉ), 则:
xˉ=mMy=∫μdL∫xμdL=L∫xdL
类似地,
yˉ=L∫ydL
若线密度不为常数,将μ替换为μ(x)即可,此时分子分母积分不再能消去μ(x).
ODE
直接积分型ODE:
dxdy=f(x)
则直接积分. 通解为:
y=∫f(x)dx
一阶线性齐次ODE
dxdy+P(x)y=0
求导后能和自身抵消, 猜测函数为Cef(x)形式, 解出. 通解为:
y=Ce−∫P(x)dx
注意这里的积分符号表示任意一个原函数, 因此积分结果本身不需要+C.
一阶线性非齐次ODE:
dxdy+P(x)y=Q(x)
常数变易法, 猜测函数为y=C(x)ef(x), 解出. 通解为:
y=e−∫P(x)dx(C+∫Q(x)e∫P(x)dxdx)
分离变量型一阶ODE:
dxdy=f(x)g(y)
移项: g(y)dy=f(x)dx, 因此可以直接积分. 通解为(隐函数):
∫g(y)1dy=∫f(x)dx+C
若存在g(y0)=0, 则y0为该ODE的一个奇解.
ax+by+c型ODE
dxdy=f(ax+by+c)
若b=0, 则为直接积分型ODE. 通解为:
y=∫f(ax+c)dx+C
令u=ax+by+c, 则dxdu=a+bdxdy=a+bf(u), 为分离变量型ODE. 通解为(隐函数):
∫a+bf(u)1du=x+C
若存在a+bf(u0)=0, 则y=b1(u0−ax−c)为该ODE的一个奇解.
y/x型ODE
dxdy=F(xy)
令u=xy, 则dxdy=dxdux=xdxdu+u=F(u), 为分离变量型ODE: xdxdu=F(u)−u. 通解为(隐函数):
∫F(u)−u1du=ln∣x∣+C
若存在F(u0)−u0=0, 则y=u0x为该ODE的一个奇解.
x/y型ODE
dxdy=F(yx)
令u=yx, 则dxdy=dyduy1=ydydu+u1=F(u), 为分离变量型ODE: ydydu=F(u)1−u. 通解为(隐函数):
∫F(u)1−u1du=ln∣y∣+C
若存在F(u0)1−u0=0, 则y=u01x为该ODE的一个奇解.
直线交点型ODE
dxdy=f(a2x+b2y+c2a1x+b1y+c1)
若直线a1x+b1y+c1=0与a2x+b2y+c2=0有唯一交点(x0,y0), 则X=x−x0,Y=y−y0:
dXdY=f(a2X+b2Ya1X+b1Y)=f(a2+b2XYa1+b1XY)=F(XY)
否则两直线平行, a1b2=a2b1. 则:
f(a2x+b2y+c2a1x+b1y+c1)=f(k+a2x+b2y+c2c1−kc2)=F(a2x+b2y+c2)
伯努利方程
dxdy+p(x)y=q(x)yα
若α=0则为一阶线性非齐次ODE, 若α=1则为分离变量型一阶ODE, 否则令z=y1−α, 则dxdz=(1−α)y−αdxdy, 为一阶线性非齐次ODE: dxdz+(1−α)p(x)z=(1−α)q(x). 通解为:
y=(e−(1−α)∫p(x)dx(C+(1−α)∫q(x)e(1−α)∫p(x)dxdx))1−α1
另外, 若α>0, y=0为该ODE的奇解.
高阶ODE与基本解组
n阶ODE: y(n)+∑i=0n−1ai(x)y(i)=f(x). 对于任意一个柯西初值问题, 区间I上存在唯一解.
高阶齐次ODE解集为n维线性空间. 可以找到n个线性无关的函数作为基底(基本解组).
Wronsky行列式:
W(f1,f2,⋯,fn)(x)=det⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎛f1(x)f1′(x)f1′′(x)f1(n−1)(x)f2(x)f2′(x)f2′′(x)⋮f2(n−1)(x)f3(x)f3′(x)f3′′(x)f3(n−1)(x)⋯⋯⋯⋱⋯fn(x)fn′(x)fn′′(x)⋮fn(n−1)(x)⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎞
THEOREM
f线性相关 ⇔ 在区间I上W(f1,f2,⋯,fn)(x)≡0. 且f线性无关 ⇔ 在区间I上W(f1,f2,⋯,fn)(x)恒不为0.
给定一个基本解组, 构造以这个基本解组为解的ODE:
det⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛f1(x)f1′(x)f1′′(x)f1(n−1)(x)f1(n)(x)f2(x)f2′(x)f2′′(x)⋮f2(n−1)(x)f2(n)(x)f3(x)f3′(x)f3′′(x)f3(n−1)(x)f3(n)(x)⋯⋯⋯⋱⋯⋯fn(x)fn′(x)fn′′(x)⋮fn(n−1)(x)fn(n)(x)∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣yy′y′′⋮y(n−1)y(n)⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞=0
高阶积分型ODE
y(n)=f(x)
求n次原函数.
降阶型ODE
y(n)=F(x,y(k),⋯,y(n−1))
其中k≥1, 则令p(x)=y(k)(x), 阶数降低, 解出p(x)后为高阶积分型ODE, y(x)为p(x)求k次原函数.
不显含x型二阶ODE
F(y,dxdy,dx2d2y)=0
令p=dxdy, 则dx2d2y=pdydp, 转换为F(y,p,pdydp)=0, 为分离变量型ODE: dxdy=p(y).
二阶线性齐次ODE
y′′+py′+qy=0
求导后能和自身抵消, 猜测函数为eλx形式, 解出(λ2+pλ+q)eλx=0. 判别式Δ=p2−4q
若Δ>0, 通解为: y=C1eλ1x+C2eλ2x.
若Δ=0, 通解为: y=(C1+C2x)eλ=(C1+C2x)e−2px.
若Δ<0, λ1,λ2可能为复数α±βi. 对于一个复值函数解y(x), u(x)=Re(x)和v(x)=Im(x)分别满足:
u′′+pu′+qu=Re0=0v′′+pv′+qv=Im0=0
故复值函数解y=Ce(α+βi)x可以构造两个实值函数解:
y1=eαxcos(βx)y2=eαxsin(βx)
可以检验两个解线性无关, 则实值通解为:
y=eαx(C1cos(βx)+C2sin(βx))
事实上, 直接考虑复值通解:
y=C1e(α+βi)x+C2e(α−βi)x
当C1=C2时即可得实值通解.
高阶线性齐次ODE
y(n)+i=0∑n−1aiy(i)=f(x)
类似于二阶求其特征多项式P(λ)=λn+∑i=0n−1aiλi. 设其有λ1,⋯,λk共k个特征根, 其中λi重数为mi, 则其复值通解为:
y(x)=j=1∑kt=0∑mi−1Cj,t⋅xteλjx
特殊二阶线性非齐次ODE
y′′+py′+qy=Pn(x)eμx
考虑μ的重数m, 假设一个特解z0=Qn(x)xmeμx. 解出Qn(x)后用特解加上其次ODE通解得到非齐次ODE通解.
因此, 任意y′′+py′+qy=Pn(x)f(x), 其中f(x)=eax或eaxcos(bx)=Re(e(a+bi)x)或eaxsin(bx)=Im(e(a+bi)x)都可以解出.
一般二阶线性非齐次ODE
y′′+py′+qy=f(x)
首先求出二阶线性齐次ODE的两个线性无关解y1,y2, 那么一个特解为:
z0(x)=∫x0xW(y1,y2)(t)y1(t)y2(x)−y1(x)y2(t)f(t)dt
此公式一般很难积分计算, 因此通常计算上一部分的特殊二阶线性非齐次ODE.
欧拉方程
xny(n)+i=0∑n−1aixiy(i)=0
令t=ln∣x∣, 则:
dxdydx2d2ydx3d3y=x1⋅dtdy=dtd(dxdy)⋅dtdx1=(−x21⋅x⋅dtdy+x1⋅dt2d2y)⋅x1=x21(dt2d2y−dtdy)=dtd(dx2d2y)⋅dtdx1=(−x32⋅x⋅(dt2d2y−dtdy)+x21⋅(dt3d3y−dt2d2y))⋅x1=x31(dt3d3y−3dt2d2y+2dtdy)
一阶线性ODEg
dxdyi=fi(x)+∑j=1naij(x)yj(x)yj(x0)=ξj(i∈{1,2,⋯,n})(j∈{1,2,⋯,n})
用向量形式可以表示为:
dxdY=A(x)Y+F(x)
如果该齐次方程存在n个线性无关的解, 奇解矩阵为Φ=(Y1,Y2,Y3,⋯,Yn), 则通解为ΦC, 其中C=(C1,C2,C3,⋯Cn)⊤. 一个特解为Z(x)=Φ(x)∫x0x(Φ(t))−1F(t)dt. 因此, 原非齐次方程的通解为:
Y(x)=Φ(x)C+Φ(x)∫x0x(Φ(t))−1F(t)dt
如何求Φ? 类比一阶线性齐次ODE, 考虑形如Y=eλxr的形式: 若A有k个不同的特征值, 特征值λi重数为mi, 则对于每个λi存在mi个线性无关的解eλixPi(x), 其中Pi为系数为向量的多项式.
向量方程的Wronsky行列式W(x)=det(Φ(x)). n个解线性相关当且仅当W(x)≡0. 进一步地, 可以观察到(对行列式求到即对每一行分别求导后求行列式相加):
W′(x)=(det(Φ))=−an−1(x)det(Φ)=−an−1W(x)
故W(x)=W(x0)e−∫x0xan−1(t)dt.
事实上, 如果令yi=y(i), 一个n阶线性ODE可以表示为一个一阶n元线性ODEg:
dxdyi=yi+1dxdyn−1=f(x)−∑iai(x)yiyj(x0)=ξj(i∈{0,2,⋯,n−2})(j∈{0,2,⋯,n−1})
求解一阶线性ODEg的常用方法事实上是转为ODE.
技巧
ln求导法
(ln∣f(x)∣)′=f(x)f′(x)(f(x)=0)
f′(x)=f(x)⋅(ln∣f(x)∣)′
分部积分
-
对数函数: lnx, …
-
反三角函数: arcsinx, arctanx, …
-
幂函数: xn, P(x), …
-
三角函数: sinx, cosx, …
-
指数函数: ex, …
上述函数结合时, 排名靠前的适合求导, 留在原地准备分部积分后求导; 排名靠后的适合积分, 积分放入d后.
换元
ax2+bx+c=±ax+t
ax2+bx+c=tx±c
a(x−b)(x−c)=t(x−b)
ncx+dax+b=t
被积函数关于sinx奇函数: cosx=t.
被积函数关于cosx奇函数: sinx=t.
被积函数关于sinx, cosx都为偶函数: tanx=t.
x2+a2: x=asht或x=atant.
x2−a2: x=acht或x=±asect.
a2−x2: x=asint.
三角有理函数积分
∫asinx+bcosxasinx+bcosxdx=∫dx=x+C
∫asinx+bcosx−bsinx+acosxdx=ln∣asinx+bcosx∣+C
而asinx+bcosx与−bsinx+acosx线性无关, 因此可以求出所有形如下方的积分:
∫asinx+bcosxcsinx+dcosxdx
鸣谢
感谢何昊天学长的微积分复习讲座(手动@微信公众号:乐学)。
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