极限部分
lim\limlim是一个问路的人,他想知道当xxx趋向于某一个值时,他右边的式子趋向于哪个值?
例如limx→2(x−2)=0\lim\limits_{x\rightarrow2}(x-2)=0x→2lim(x−2)=0,他的含义是,当xxx趋于2时,(x−2)(x-2)(x−2)趋于0
判断极限存在
- 先求左极限和右极限。
- 若左极限=右极限≠∞\not=\infty=∞则函数极限存在
求极限
-
直接代入
-
分类:
-
00\dfrac0 000型
分别从分子分母中提出使式子为000的因子,上下同时消去。
不方便提出的因子利用等价无穷小代换消去(sinx…(sinx…(sinx…
(加减法中不能用等价无穷小,可以换元)
-
∞∞\dfrac{\infty}{\infty}∞∞型
当x→∞x\rightarrow\inftyx→∞时,有lnx≪xa≪xb≪cx≪dx≪x′≪xxlnx\ll x^a\ll x^b\ll c^x\ll d^x\ll x^{'}\ll x^xlnx≪xa≪xb≪cx≪dx≪x′≪xx
其中 0<a<b0<a<b0<a<b 1<c<d1<c<d1<c<d
抓大头:书写时分式上下除以最高次幂
-
(1+0)∞(1+0)^\infty(1+0)∞型
e\mathrm ee的重要极限
-
-
求解
- 化简
- 变形 例:limx→∞(x−4x)2x\lim\limits_{x\rightarrow\infty}(x-\dfrac4 x)^{2x}x→∞lim(x−x4)2x
- 凑指数,用重要极限化为eee
- ab=eblinaa^b=e^{blina}ab=eblina
间断点
两类四种
在没有定义处和人为分段处找间断点
微分部分
导数
dydx=limΔx→0f(a+Δx)−f(a)Δx=f′(a)\dfrac{dy}{dx}=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow0}\dfrac{f(a+\Delta x)-f(a)}{\Delta x}=f^{'}(a)dxdy=Δx→0limΔxf(a+Δx)−f(a)=f′(a)
dxdxdx就是Δx→0\Delta x\rightarrow0Δx→0的简写
导数的应用
在一个足够小的范围内,曲线的导数图像可以近似的表示曲线本身:
用粗细1mm的笔画半径1m的圆,求笔迹的面积。
- S=πR2S=\pi R^2S=πR2
- ΔSΔR=2πR\dfrac{\Delta S}{\Delta R}=2\pi RΔRΔS=2πR
- ΔS=2πRΔR≈0.002π\Delta S=2\pi R\Delta R\approx0.002\piΔS=2πRΔR≈0.002π
求导
链式求导法则:复合函数的导数等于组成它的各个函数的导数之积
(uv)′=u′v+uv′(uv)^{'}=u^{'}v+uv^{'}(uv)′=u′v+uv′的使用前提是uuu vvv各自可导
因此之后求导一律用f′(a)=limΔx→0f(a+Δx)−f(a)Δxf^{'}(a)=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow0}\dfrac{f(a+\Delta x)-f(a)}{\Delta x}f′(a)=Δx→0limΔxf(a+Δx)−f(a)
洛必达的使用前提是导数连续
隐函数求导
显函数:能写成y=f(x)y=f(x)y=f(x)形式的函数
隐函数:x yx\ yx y不能分离在等号两边的函数
对隐函数求导:每一项都对xxx求导
(yyy对xxx求导为y′y^{'}y′,复合函数先对yyy求导,后乘y′y^{'}y′)
隐函数求导的结果含有yyy是正常的
lnab=12ln(ab)=12(lna+lnb)\ln\sqrt{ab}=\dfrac1 2\ln(ab)=\dfrac1 2(\ln a+\ln b)lnab=21ln(ab)=21(lna+lnb)
参数方程求导
链式法则:ΔyΔx=ΔyΔtΔxΔt\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=\dfrac{\dfrac{\Delta y}{\Delta t}}{\dfrac{\Delta x}{\Delta t}}ΔxΔy=ΔtΔxΔtΔy
莱布尼茨公式
(uv)′(n)=Cn0uv(n)+Cn1u′vn−1+⋯+Cnnunv(uv)^{'(n)}=C_n^0uv^{(n)}+C_n^1u^{'}v^{n-1}+\cdots+C_n^nu^{n}v(uv)′(n)=Cn0uv(n)+Cn1u′vn−1+⋯+Cnnunv
微分中值定理
费马引理:
f(x)f(x)f(x)在x0x_0x0得邻域U(x0)U(x_0)U(x0)有定义,且在x0x_0x0处可导,如果对任意x∈U(x0)x\in U(x_0)x∈U(x0)有f(x)≤f(x0)f(x)\leq f(x_0)f(x)≤f(x0)(即x0x_0x0是极大值),则f′(x0)=0f^{'}(x_0)=0f′(x0)=0
求左右极限,因为导数存在,所以左右极限相等为0
罗尔定理
若f(x)f(x)f(x)满足这三个条件,则至少存在k∈(a,b)k\in\left(a,b\right)k∈(a,b),有f′(k)=0f^{'}(k)=0f′(k)=0
- 在[a,b]\left[a,b\right][a,b]连续
- 在(a,b)\left(a,b\right)(a,b)可导
- f(a)=f(b)f(a)=f(b)f(a)=f(b)
说人话就是在高度相等的两个不同的点之间任意做连续且光滑的连线,连线的最高点(最低点)处的斜率一定为000
拉格朗日中值定理
若f(x)f(x)f(x)满足这两个条件,
则在(a,b)内至少有一点k,使得f(b)−f(a)=f′(k)(b−a)\left(a,b\right)内至少有一点k,使得f(b)-f(a)=f^{'}(k)(b-a)(a,b)内至少有一点k,使得f(b)−f(a)=f′(k)(b−a)
- [a,b]\left[a,b\right][a,b]连续
- (a,b)\left(a,b\right)(a,b)可导
说人话就是在函数图像上一定能找到一点kkk,这点的斜率等于函数两端点相连所形成的直线的斜率
柯西中值定理
若f(x)f(x)f(x)和F(x)F(x)F(x)满足这三个条件,则至少有一点kkk,使得f(b)−f(a)F(B)−F(a)=f′(k)F′(k)\dfrac{f(b)-f(a)}{F(B)-F(a)}=\dfrac{f^{'}(k)}{F^{'}(k)}F(B)−F(a)f(b)−f(a)=F′(k)f′(k)
- [a,b]连续\left[a,b\right]连续[a,b]连续
- (a,b)\left(a,b\right)(a,b)可导
- 任意x∈(a,b)x\in\left(a,b\right)x∈(a,b)有F′(x)≠0F^{'}(x)\not=0F′(x)=0
泰勒公式
展开式
f(x)=a0+a1x+a2x2+⋯+anxnf(x)=a_0+a_1x+a_2x^2+\dots+a_nx^nf(x)=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn
在0处展开:f(x)=f(0)+f′(0)1!x+f′′(0)2!x2+…fn(0)n!xnf(x)=f(0)+\dfrac {f^{'}(0)}{1!}x+\dfrac {f^{''}(0)}{2!}x^2+\dots\dfrac {f^{n}(0)}{n!}x^nf(x)=f(0)+1!f′(0)x+2!f′′(0)x2+…n!fn(0)xn
在x处展开(左加右减):f(x)=f(x0)+f′(x0)1!(x−x0)+f′′(x0)2!(x−x0)2+…fn(x0)n!(x−x0)nf(x)=f(x_0)+\dfrac {f^{'}(x_0)}{1!}(x-x_0)+\dfrac {f^{''}(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\dots\dfrac {f^{n}(x_0)}{n!}(x-x_0)^nf(x)=f(x0)+1!f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+…n!fn(x0)(x−x0)n
常见的泰勒公式
xxx在000的附近||x→0x\rightarrow0x→0时:
sinx=x−x33!+x55!−x77!…\sin x=x-\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{x^5}{5!}-\dfrac{x^7}{7!}\dotssinx=x−3!x3+5!x5−7!x7…
cosx=1−x22+x44!−x66!…\cos x=1-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^4}{4!}-\dfrac{x^6}{6!}\dotscosx=1−2x2+4!x4−6!x6…
ex=1+x+x22+x33!…\mathrm e^x=1+x+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^3}{3!}\dotsex=1+x+2x2+3!x3…
tanx=x+13x3+215x5…\tan x=x+\dfrac1 3x^3+\dfrac 2 {15}x^5\dotstanx=x+31x3+152x5…
11−x=1+x+x2+x3+x4+x5…\dfrac1 {1-x}=1+x+x^2+x^3+x^4+x^5\dots1−x1=1+x+x2+x3+x4+x5…
11−x=1−x+x2−x3+x4−x5…\dfrac1 {1-x}=1-x+x^2-x^3+x^4-x^5\dots1−x1=1−x+x2−x3+x4−x5…
ln(1+x)=x−x22+x33…\ln(1+x)=x-\dfrac{x^2}2+\dfrac{x^3}3\dotsln(1+x)=x−2x2+3x3…
通过(arctanx)′=11+x2(\arctan x){'}=\dfrac{1}{1+x^2}(arctanx)′=1+x21可得arctanx\arctan xarctanx泰勒展开式
积分部分
积分符号∫\quad\int\quad∫本质是求和
对于将一段函数曲线作为上边的封闭图形,把他切割成无数份近似的矩形,每一份矩形的长为f(x)f(x)f(x)宽为x(x→0)x(x\rightarrow0)x(x→0),那么原封闭图形的面积为这无数份矩形面积之和
上述的求和方式很原始且麻烦,因此有
牛顿莱布尼茨公式
如果f(x)f(x)f(x)在区间[a,b]\left[a,b\right][a,b]上连续,并且存在原函数F(x)F(x)F(x),则
∫abf(x)dx=F(b)−F(a)=F(x)∣ab\int^b_af(x)dx=F(b)-F(a)=F(x)|^b_a∫abf(x)dx=F(b)−F(a)=F(x)∣ab
F(x)F(x)F(x)称作f(x)f(x)f(x)的不定积分
求原函数就是求不定积分
eg:∫cos=sin+Ceg:\int cos=sin+Ceg:∫cos=sin+C 记得加常数C
求∫13x+2dx\int \dfrac1 {3x+2}dx∫3x+21dx
- 因为1x\dfrac1 xx1的原函数为ln∣x∣+C\ln|x|+Cln∣x∣+C
- 所以答案为13ln∣3x+2∣+C\dfrac1 3\ln|3x+2|+C31ln∣3x+2∣+C(记得乘xxx系数的倒数)
定积分
定积分的一些技巧
对于积分范围关于原点对称的奇函数,他的定积分为000
对于积分范围关于原点对称的偶函数,只用求大于零部分的积分再乘2即可
定积分换元时记得换上下限,换元前的上下限时对于xxx而言的,换元后上下限要变换为对ttt而言的(没引入新变量ttt就不用换上下限)
华莱士公式:
∫0π2cosnxdx=∫0π2sinnxdx={n−1n×n−3n−2…23×1n为奇数n−1n×n−3n−2…12×π2n为偶数
\int _0^{\dfrac{\pi}{2}}\cos^nxdx=\int ^{\dfrac{\pi}2}_0\sin^nxdx=\left\{
\begin{aligned}
\dfrac{n-1}n\times\dfrac{n-3}{n-2}\dots\dfrac2 3\times1\qquad n为奇数\\
\dfrac{n-1}n\times\dfrac{n-3}{n-2}\dots\dfrac1 2\times\dfrac{\pi}2\qquad n为偶数\\
\end{aligned}
\right
.
∫02πcosnxdx=∫02πsinnxdx=⎩⎨⎧nn−1×n−2n−3…32×1n为奇数nn−1×n−2n−3…21×2πn为偶数
第一积分换元法
凑常数
求∫13x+2dx1.令t=3x+22.当自变量换为t时,dx也要换为dt3.由t=3x+2可得dx=13dt4.dt的系数可以提到前5.所以换元为131tdt6.原函数为13ln∣t∣+C7.用x表示为13ln∣3x+2∣+C 求\int \dfrac1 {3x+2}dx\\ 1.\quad令t=3x+2\\ 2.\quad当自变量换为t时,dx也要换为dt\\ 3.\quad由t=3x+2可得dx=\dfrac 1 3dt\\ 4.\quad dt的系数可以提到前\\ 5.\quad所以换元为\dfrac1 3\dfrac1 tdt\\ 6.\quad原函数为\dfrac1 3 \ln|t|+C\\ 7.\quad用x表示为\dfrac1 3 \ln|3x+2|+C\\ 求∫3x+21dx1.令t=3x+22.当自变量换为t时,dx也要换为dt3.由t=3x+2可得dx=31dt4.dt的系数可以提到前5.所以换元为31t1dt6.原函数为31ln∣t∣+C7.用x表示为31ln∣3x+2∣+C
对于分式的凑常数
分母有解:
∫3x−1x2−2x−3dx=∫3x−1(x−3)(x+1)dx=∫(2x−3+1x+1)dx //待定系数法求两个分子=2ln∣x−3∣+ln∣x+1∣+C
\int \dfrac{3x-1}{x^2-2x-3}dx\\=\int \dfrac{3x-1}{(x-3)(x+1)}dx\\=\int (\dfrac2 {x-3}+\dfrac1 {x+1})dx\ //待定系数法求两个分子\\=2\ln|x-3|+\ln|x+1|+C
∫x2−2x−33x−1dx=∫(x−3)(x+1)3x−1dx=∫(x−32+x+11)dx //待定系数法求两个分子=2ln∣x−3∣+ln∣x+1∣+C
分母无解:
分母无解则分母一定可以写成(x+a)2+b2(x+a)^2+b^2(x+a)2+b2的形式,凑完全平方公式
KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '&' at position 2:
&̲\int \dfrac{1}{…
凑微分
y′dx=dyy^{'}dx=dyy′dx=dy即dydxdx=dy\dfrac{dy}{dx}dx=dydxdydx=dy
将上式看作一个动态的过程,y′y^{'}y′从ddd左边进入到右边需要去掉 ′'′ (即求原函数的过程)。dydydy从ddd右边走到左边需要加上 ′'′ (求导的过程),ddd右边的负号和常数可以直接提到左边
观察式子中有没有一部分是另一部分的导数,导数部分可以以原函数的形式放在ddd右边
eg:∫xex2+1dx //2x是x2的导数=12∫2xex2+1dx //凑2x=12∫ex2+1d(x2+1)//d后面可以自由加常数,这里加1是为了与e指数形式相同=12ex2+1+C
eg:\int x\mathrm e^{x^2+1}dx\ //2x是x^2的导数\\=\dfrac{1}{2}\int 2x\mathrm e^{x^2+1}dx\ //凑2x\\=\dfrac1 2\int \mathrm e^{x^2+1}d(x^2+1)\\//d后面可以自由加常数,这里加1是为了与\mathrm e指数形式相同\\=\dfrac 1 2 e^{x^2+1}+C
eg:∫xex2+1dx //2x是x2的导数=21∫2xex2+1dx //凑2x=21∫ex2+1d(x2+1)//d后面可以自由加常数,这里加1是为了与e指数形式相同=21ex2+1+C
对于含sin cos\mathrm sin\ \mathrm cossin cos的不定积分,如何判断应该将sin\mathrm sinsin还是cos\mathrm coscos放到ddd后?
对所有的sin\mathrm sinsin加负号,如果使整个式子正负改变,就将sin\mathrm sinsin放到ddd后,cos\mathrm coscos同理。
如果确定了是将sin\mathrm sinsin提到ddd后,但ddd前没有sin\mathrm sinsin(所有sin\mathrm sinsin都在分母的情况),先乘再除。
第二类换元法
一般有根号的时候用
根号下x一次型
令ax+b=t\sqrt{ax+b}=tax+b=t
∫y1+2x+1dx=∫t1+tdt(∵dx=tdt)=∫1−11+tdt=t−ln∣1+t∣+C
\int \dfrac{y}{1+\sqrt{2x+1}}dx\\=\int \dfrac{t}{1+t}dt \quad (\because dx=tdt)\\=\int1-\dfrac{1}{1+t}dt\\=t-\ln|1+t|+C
∫1+2x+1ydx=∫1+ttdt(∵dx=tdt)=∫1−1+t1dt=t−ln∣1+t∣+C
换元时如何得到dxdxdx与dtdtdt的关系?
求导。
∵t=2x+1∴x=t2−12∴ΔxΔt=t∴Δx=tΔt
\because t=\sqrt{2x+1}\\
\therefore x=\dfrac{t^2-1}{2}\\
\therefore \dfrac{\Delta x}{\Delta t}=t\\
\therefore \Delta x=t\Delta t
∵t=2x+1∴x=2t2−1∴ΔtΔx=t∴Δx=tΔt
根号下x二次型
a2−x2, x2−a2, a2+x2\sqrt{a^2-x^2},\ \sqrt {x^2-a^2},\ \sqrt{a^2+x^2}a2−x2, x2−a2, a2+x2
利用直角三角形:根号整体作为斜边,找到任何一个锐角设为ttt,一直角边设为xxx,表示出sint cost tant\sin t\ \cos t\ \tan tsint cost tant,并替换掉原式中的xxx(记得换dxdxdx),然后化简消除到最简然后积分
根号下x一次二次都有时
完全平方公式化为一个xxx,然后还是画直角三角形,但是此时的根号整体不是斜边,是直角边,看情况。
分部积分法
如图,有函数f(x)=lnxf(x)=\ln xf(x)=lnx,在函数图像上取两点(e12,12) (e2,2)(\mathrm e^{\frac1 2},\dfrac 1 2)\ (\mathrm e^2,2)(e21,21) (e2,2)如何计算红色区域面积?
红色面积=大矩形-小矩形-黄色面积
那么如何求黄色区域面积?
一般我们微分面积时的方法是将面积竖着切成无数份,但当前的黄色面积显然不能这么操作。因此我们选择另一种微分方式,也就是横着将黄色面积切割成无数份矩形。那么此时每一份小矩形的长就是xxx,宽是Δy\Delta yΔy,
那么黄色总面积即xxx对yyy的积分∫122xdy=∫122eydy=ey∣122=e2−e12\int _{\frac1 2}^2xdy=\int _{\frac1 2}^2\mathrm e^ydy=\mathrm e^y|^2_{\frac1 2}=\mathrm e^2-\mathrm e^{\frac1 2}∫212xdy=∫212eydy=ey∣212=e2−e21
红色面积=大矩形-小矩形-黄色面积
=x2y2−x1y1−∫y1y2xdyx_2y_2-x_1y_1-\int^{y_2}_{y_1}xdyx2y2−x1y1−∫y1y2xdy
分部积分:∫udv=uv−∫vdu\int udv=uv-\int vdu∫udv=uv−∫vdu
分部积分多用于多个初等函数(反对幂指三)相乘时,将次序靠后的函数放在ddd后(求原函数)
eg:∫x2cosxdx=∫x2dsinx=x2sinx+∫2xd(cosx)=x2sinx+2xcosx−2sinx+Ceg:\\\int x^2\cos xdx\\=\int x^2d\sin x\\=x^2\sin x+\int 2xd(\cos x)\\=x^2\sin x+2x\cos x-2\sin x+Ceg:∫x2cosxdx=∫x2dsinx=x2sinx+∫2xd(cosx)=x2sinx+2xcosx−2sinx+C
总结:两个初等函数相乘时,使用分部积分法,一定是次序靠前的函数求导,次序靠后的函数求原函数,根据这个规律,可得列表法:
(求导)x22x20x^2\quad\quad\quad2x\quad\quad\quad2\quad\quad\quad0x22x20
(积分)cosxsinx−cosxsinx\cos x\quad\sin x\quad-\cos x\quad\sin xcosxsinx−cosxsinx
从求导的第一项,积分的第二项开始,对应的项两两相乘。第一个结果前加正号,第二个结果前加负号,第三加正,第四加负,依次。
将最终结果相加即为答案
变上限积分
即上下限存在变量xxx的定积分,本质上时一个关于xxx的函数
例如:∫0xf(t)dt\int^x_0f(t)dt∫0xf(t)dt,它对xxx求导的结果是f(x)f(x)f(x)(直接代入xxx即可,如果xxx是复合函数则再乘x′x^{'}x′)。
原因是这样的:∫0xf(t)dt=F(x)−F(0)\int^x_0f(t)dt = F(x) - F(0)∫0xf(t)dt=F(x)−F(0),把他看作关于xxx的函数,对xxx求导。结果就是对F(x)F(x)F(x)求导,即F(x)‘F(x)^{`}F(x)‘。既然F(x)F(x)F(x)是f(x)f(x)f(x)的原函数,那么F(x)‘=f(x)F(x)^{`} = f(x)F(x)‘=f(x),因此∫0xf(t)dt\int^x_0f(t)dt∫0xf(t)dt*对xxx求导**的结果就是f(x)f(x)f(x)
一般用洛必达解决含有变上限积分的分式
上下限都含xxx时,利用面积加减的原理:
例:求ddx∫sinxxetdt\dfrac d{dx}\int ^x_{sinx}\mathrm e^tdtdxd∫sinxxetdt
ddx∫sinxxetdt=ddx(∫0xetdt−∫0sinxetdt)=ex−(esinx×cosx)
\quad\dfrac d{dx}\int ^x_{sinx}\mathrm e^tdt
=\dfrac d {dx}(\int _0^x\mathrm e^tdt-\int ^{sinx}_0\mathrm e^tdt)
=\mathrm e^x-(e^{\sin x}\times\cos x)
dxd∫sinxxetdt=dxd(∫0xetdt−∫0sinxetdt)=ex−(esinx×cosx)
反常积分
无穷限的反常积分
上下限中含有无穷的积分称作反常积分。
- ∫a+∞f(x)dx=limt→+∞∫atf(x)dx\int ^{+\infty}_af(x)dx=\lim \limits_{t\rightarrow+\infty}\int^t_af(x)dx\qquad∫a+∞f(x)dx=t→+∞lim∫atf(x)dx极限存在则原函数收敛,否则发散。
- ∫−∞bf(x)dx=limt→−∞∫tbf(x)dx\int ^{b}_{-\infty}f(x)dx=\lim \limits_{t\rightarrow-\infty}\int^b_tf(x)dx\qquad∫−∞bf(x)dx=t→−∞lim∫tbf(x)dx极限存在则原函数收敛,否则发散。
- ∫−∞+∞f(x)dx=∫−∞0f(x)dx+∫0+∞f(x)dx\int ^{+\infty}_{-\infty}f(x)dx=\int ^0_{-\infty}f(x)dx+\int ^{+\infty}_0f(x)dx\qquad∫−∞+∞f(x)dx=∫−∞0f(x)dx+∫0+∞f(x)dx后两个极限都存在则原函数收敛,否则原函数发散。
例如:∫a+∞f(x)dx=limt→+∞∫atf(x)dx=limt→+∞F(x)∣at=limt→∞[F(t)−F(a)]=F(∞)−F(a)\int ^{+\infty}_af(x)dx=\lim \limits_{t\rightarrow+\infty}\int ^t_af(x)dx=\lim \limits_{t\rightarrow{+\infty}}F(x)|^t_a=\lim \limits_{t\rightarrow{\infty}}\left[F(t)-F(a)\right]=F(\infty)-F(a)∫a+∞f(x)dx=t→+∞lim∫atf(x)dx=t→+∞limF(x)∣at=t→∞lim[F(t)−F(a)]=F(∞)−F(a)
对于形如∫a+∞1xPdx(a>0)\int ^{+\infty}_a\dfrac1 {x^P}dx\quad(a>0)∫a+∞xP1dx(a>0)的函数
- p>1p>1\quadp>1原函数收敛
- p≤1p\leq1\quadp≤1原函数发散
无界函数的反常积分
被积函数在积分范围中有无定义的点的反常积分,称作“瑕积分”,无定义的点称作“瑕点”
积分应用
定积分求面积
边缘垂直于x轴的图形为x型
边缘垂直于y轴的图形为y型
对于复合图形,拿笔比划一下。
x型从左到右(y型从下到上),当上下(左右)函数发生变换时,为一个定积分式子,当扫过全部图形时,得到一个定积分多项式,即为复合图形面积:
极坐标面积
S=12∫ab(ρ(θ))2dθS=\dfrac1 2\int ^b_a(\rho(\theta))^2d\thetaS=21∫ab(ρ(θ))2dθ
定积分求体积
对于一段函数构成的封闭图形,将其绕x轴旋转一周即得到一个立体,如何求他的体积?
将图形微分,对于每一个足够小的Δx\Delta xΔx,它是立体中一份圆盘的中心线,这个圆盘的厚度为Δx\Delta xΔx,半径为f(x)f(x)f(x),那么圆盘的体积为πr2=πf(x)2dx\pi r^2=\pi f(x)^2dxπr2=πf(x)2dx,对圆盘的体积求定积分(求和)即立体的总体积∫abπf(x)2dx\int ^b_a\pi f(x)^2dx∫abπf(x)2dx
如何求这个函数图像的长度?
将函数图像(曲线)微分,对足够小的一段函数图像而言,它不总是水平线(是斜线),因此它的长度可以表示为(dy)2+(dx)2\sqrt{(dy)^2+(dx)^2}(dy)2+(dx)2,然后定积分求和即可∫ab(dy)2+(dx)2=∫ab(dydx)2+1 dx=∫ab(y′)2+1 dx\int^b_a\sqrt{(dy)^2+(dx)^2}=\int ^b_a\sqrt{(\dfrac{dy}{dx})^2+1}\ dx=\int ^b_a\sqrt{(y{'})^2+1}\ dx∫ab(dy)2+(dx)2=∫ab(dxdy)2+1 dx=∫ab(y′)2+1 dx
微分方程
基本概念
微分方程:含导数的方程
阶:微分方程中求导的阶数
解:满足微分方程的一族函数的统称
通解:当微分方程的解中包含的独立的常数的个数与该方程的阶数相等时,这样的解称作通解。
特解:方程的解满足某些特定条件时,这种解成为特解,这些特定条件成为定解条件。
初始条件:若定解条件由自变量取某确定的值来决定,则称这定解条件为初始条件。
可分离变量的微分方程
将微分方程中的y′y{'}y′写作dydx\dfrac{dy}{dx}dxdy后,若可以整理为g(y)dy=f(x)dxg(y)dy=f(x)dxg(y)dy=f(x)dx的形式,则称作可分离变量。
此时等号左右同时求积分即可解方程
在微分方程这一章,∫1xdx=lnx+C\int\dfrac1 xdx=\ln x+C∫x1dx=lnx+C,不用加绝对值,因为常数可以吸收正负号
齐次方程
什么是齐次方程?
例如:dydx=1+(yx)21−2(yx)2\dfrac {dy}{dx}=\dfrac{1+(\dfrac{y}{x})^2}{1-2(\dfrac{y}{x})^2}dxdy=1−2(xy)21+(xy)2就是一个齐次方程
简单的说,就是在方程中yx\dfrac y xxy整体出现,即dydx=f(yx)\dfrac{dy}{dx}=f(\dfrac y x)dxdy=f(xy)
解题步骤:
- t=yxt=\dfrac y xt=xy
- y=xty=xty=xt
- dydx=t+xdtdx\dfrac {dy}{dx}=t+x\dfrac{dt}{dx}dxdy=t+xdxdt
- 结合dydx=f(yx)\dfrac{dy}{dx}=f(\dfrac y x)dxdy=f(xy)可得t+xdtdx=f(t)t+x\dfrac{dt}{dx}=f(t)t+xdxdt=f(t)
- xdtdx=f(t)−tx\dfrac {dt}{dx}=f(t)-txdxdt=f(t)−t
- dtf(t)−t=dxx\dfrac{dt}{f(t)-t}=\dfrac{dx}{x}f(t)−tdt=xdx化为可分离变量
一般题目中的齐次方程不明显,但当x yx\; yxy的次数“对称”(我觉得是次数相等)时,这 很可能是一个齐次方程
可化为齐次方程的微分方程
例如:dydx=a1x+b1y+c1a2x+b2y+c2\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{a_1x+b_1y+c_1}{a_2x+b_2y+c_2}dxdy=a2x+b2y+c2a1x+b1y+c1,因为分式中有两个常数ccc,所以我们不能让分式上下同除xxx来得到yx\dfrac y xxy整体,所以我们要想办法把常数处理掉。
令x=X+h, y=Y+kx=X+h,\;y=Y+kx=X+h,y=Y+k,那么有dYdX=a1X+b1Y+a1h+b1k+c1a2X+b2Y+a2h+b2k+c1\dfrac{dY}{dX}=\dfrac{a_1X+b_1Y+a_1h+b_1k+c_1}{a_2X+b_2Y+a_2h+b_2k+c_1}dXdY=a2X+b2Y+a2h+b2k+c1a1X+b1Y+a1h+b1k+c1
只要让
f(x)={a1h+b1k+c1=0a2h+b2l+c2=0 f(x)=\left\{
\begin{aligned}
a_1h+b_1k+c_1=0\\a_2h+b_2l+c_2=0
\end{aligned}
\right.
f(x)={a1h+b1k+c1=0a2h+b2l+c2=0
即可消去常数,那么求解h kh\;khk即可。
一阶线性微分方程
dydx+p(x)y=Q(x)\dfrac{dy}{dx}+p(x)y=Q(x)dxdy+p(x)y=Q(x)
- 若Q(x)Q(x)Q(x)恒为000,称为一阶齐线性微分方程,化为可分离变量求解
- 若Q(x)Q(x)Q(x)不恒为000,称为一阶非齐线性微分方程,通用方法,代公式:y=e−∫P(x)dx(∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C)y=e^{-\int P(x)dx}(\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dx+C)y=e−∫P(x)dx(∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C)
伯努利方程
dydx+p(x)y=Q(x)yn\dfrac{dy}{dx}+p(x)y=Q(x)y^ndxdy+p(x)y=Q(x)yn
等号两边同除yny^nyn得:
y−ndydx+P(x)y1−n=Q(x)y^{-n}\dfrac{dy}{dx}+P(x)y^{1-n}=Q(x)y−ndxdy+P(x)y1−n=Q(x)
令Z=y(1−n)Z=y^{(1-n)}Z=y(1−n),
那么有:dZdx=(1−n)y−ny−n=11−ndZdx\dfrac{dZ}{dx}=(1-n)y^{-n}\\y^{-n}=\dfrac{1}{1-n}\dfrac{dZ}{dx}dxdZ=(1−n)y−ny−n=1−n1dxdZ
代入y−ny^{-n}y−n得:11−ndZdx+P(x)Z=Q(x)dZdx+P(x)Z=(1−n)Q(x)\dfrac{1}{1-n}\dfrac{dZ}{dx}+P(x)Z=Q(x)\\\dfrac{dZ}{dx}+P(x)Z=(1-n)Q(x)1−n1dxdZ+P(x)Z=Q(x)dxdZ+P(x)Z=(1−n)Q(x)
此时满足通用公式的形式,代入公式得ZZZ
反解出yyy即可
可降阶得高阶微分方程
y(n)=f(x)y^{(n)}=f(x)y(n)=f(x)型
等号两边同时求n次积分,将y(n)y^{(n)}y(n)积回yyy即可
y′′=f(x,y′)y^{''}=f(x,y^{'})y′′=f(x,y′)型
有y′′ y′ xy^{''}\;y^{'}\;xy′′y′x(无yyy),则令y′=py′′=p′p′=f(x,p)y^{'}=p\quad y^{''}=p^{'}\quad p^{'}=f(x,p)y′=py′′=p′p′=f(x,p),求出ppp后反解出yyy即可
y"=f(y,y′)y^{"}=f(y,y^{'})y"=f(y,y′)型
有y" y′ yy^{"}\;y^{'}\;yy"y′y(无xxx),令y′=py^{'}=py′=p,那么有y′′=dy′dx=dpdx=dpdydydx=dpdypy^{''}=\dfrac{dy^{'}}{dx}=\dfrac{dp}{dx}=\dfrac{dp}{dy}\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{dp}{dy}py′′=dxdy′=dxdp=dydpdxdy=dydpp,原式=pdpdy=f(y,p)=p\dfrac{dp}{dy}=f(y,p)\quad=pdydp=f(y,p)利用可分离变量求解ppp,然后反解yyy
常系数齐次线性微分方程
y′′+py′+qy=0y^{''}+py^{'}+qy=0y′′+py′+qy=0
找出特征方程:将y′′y^{''}y′′写为r2r^2r2,将y′y^{'}y′写作rrr,将yyy写作qqq,得r2+pr+q=0r^2+pr+q=0r2+pr+q=0
-
Δ=p2−4q>0\Delta=p^2-4q>0Δ=p2−4q>0时,r1=−p+p2−4q2r_1=\dfrac{-p+\sqrt{p^2-4q}}{2}r1=2−p+p2−4q,r2=−p−p2−4q2r_2=\dfrac{-p-\sqrt{p^2-4q}}{2}r2=2−p−p2−4q
解得y=C1er1x+C2er2x\quad y=C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}y=C1er1x+C2er2x
-
Δ=p2−4q=0\Delta=p^2-4q=0Δ=p2−4q=0时,r1=r2=−p2r_1=r_2=\dfrac{-p}{2}r1=r2=2−p
解得y=(C1+C2x)er1x\quad y=(C_1+C_2x)e^{r_1x}y=(C1+C2x)er1x
-
Δ=p2−4q=0\Delta=p^2-4q=0Δ=p2−4q=0时,r1=a+btr_1=a+btr1=a+bt,r2=a−btr_2=a-btr2=a−bt(没有实根,有一对共轭复根)
解得y=eax(C1cosbx+C2sinbx)\quad y=e^{ax}(C_1\cos bx+C_2\sin bx)y=eax(C1cosbx+C2sinbx)