一、极限

(一)ε-N语言、ε-δ语言

数列极限的定义:对于数列,使得时,有,则是数列的极限。

比如:证明数列的极限是1

,故当时该数列的极限是1(这里的是取整符号),写成定义的形式就是:,有(定义是存在,所以即使是都是满足的),使得时,.

函数极限的定义:若的去心邻域内有定义,且,当时,有,则

左极限:;右极限:

时,极限存在左右极限均存在且相等。

(二)无穷小

  1. 用变上、下限积分表示的函数

    (1),其中连续,则

    (2),其中可导,连续,则

  2. 无穷小的比较

    ,且,则

    (1),称的高阶无穷小,记作,也可以称的低阶无穷小

    (2),称是同阶无穷小

    (3)特别地,若,称是等价无穷小,记作

  3. 常见的等价无穷小(部分可由泰勒公式取前几项直接得出)

时,有:

(三)极限的求法

  1. 利用极限的四则运算和幂指数运算法则

    ,则有:

    1. (设

    这里隐含了一个条件:极限可以四则运算的前提是极限存在。

  2. 两个准则

    (1)准则1:单调有界数列极限一定存在

    对于可以写出递推公式的数列,可以先用单调有界证明极限存在,然后在递推公式两边同时令,用解方程的方式算出极限。

    比如,可以写出,猜出数列的极限为2,用数学归纳法证明:因为,设,那么成立,故,该数列有界。由于,故单调递增。通过“单调有界必有极限”定理可知原式的极限存在。设其极限为,那么两边同时令,则,解出,因此极限为2。

    (2)准则2:(夹逼定理)设,若,且,则

  3. 两个重要极限 (1) (2) ,或写成

    常见错误:(错误),因为趋向性应该是同时的,不能人为规定顺序,先让趋于无穷,再让其余部分的趋于无穷;这题的正确解法是用泰勒展开:

    而像,是正确的,虽然似乎违背的趋向同时性,但实际上是用了极限指数运算法则:设,则

    (可以理解为,对于,若的极限不存在,就不能像前面那样算)

  4. 用无穷小重要性质和等价无穷小代换

    用等价无穷小代换求极限时,乘积项可以直接代换,而和差项不能直接代换,但可以作为整体代换。

    常见错误1:(错误),无穷小代换的本质是约分,正确写法应该是

    有时看似加减法可替换(错误),这种写法是错误的,只是恰好蒙对了结果,正确做法是使用极限的加减法:

    如果拆开后极限不存在,就不能用极限的加减法了:(错误),正确做法应该是

    而乘积项是可以直接替换的:.

    常见错误2:(错误),等价无穷小要求趋于0,但不能等于0,而当有可能是0,所以这里不能用等价无穷小,这题的正确做法是用夹逼定理:.

  5. 用泰勒公式代换

  6. 洛必达法则

    洛必达法则:若同时满足以下三个条件,则(或):

    (1)(即型),或者(即型);

    (2)的去心邻域内可导,且

    (3)(或)(即极限存在或等于)。

    说明:对于型或型的极限,若分子分母导数都存在,且求导后相除再取极限的值是一个常数或等于,才能用洛必达法则。对于的形式,可以改写成的形式再使用洛必达法则。

    比如,由于求导后是振荡的,因此不能用洛必达法则。

    使用洛必达后的式子极限不存在,不代表原式极限不存在。

    洛必达法则可以连续用,若用了一次洛必达法则后,型或型,且满足洛必达的条件,那么可以继续用洛必达法则。

  7. 利用导数定义求极限

    导数公式:(如果导数存在)

  8. 利用积分定义求极限

    积分公式:(如果积分存在)

  9. 变形后再化简

    如指数形式可以化为:(比如

(四)函数的连续性、间断点

函数连续性的定义:假设内有定义,若在一点处函数的左、右极限存在,且在该点处极限值等于函数值,则称处连续。

也就是说函数连续有三个条件:

  1. 函数在的邻域内有定义;
  2. 函数在该点处的极限存在(左右极限存在且相等,即
  3. 在该点处的极限等于函数值,即

函数连续性的ε-δ定义,使得当时,有.

初等函数在其定义区间上都是连续函数。(这里的初等函数指幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数、常数函数)

连续函数的和、差、积、商、有理数次乘方或开方、复合,仍为连续函数。

比如等都是连续函数(一般约定为自然数),而像可以写成,因此它也是连续函数。

是一一满射的严格单调的在上的连续函数,那么其反函数上的连续函数。

假定在某一点处连续,且,那么对于任意一个(可以是,且不需要处连续,甚至不需要处有定义),有,或者可以写成.

函数的间断点分成两类:

(1)第一类间断点:设是函数的间断点,如果在间断点处的左、右极限都存在,但不相等,则称的第一类间断点。(第一类间断点包括可去间断点和跳跃间断点)

(2)第二类间断点:第一类间断点以外的其他间断点统称为第二类间断点。(常见的第二类间断点有无穷间断点和震荡间断点)

(五)闭区间上连续函数的性质

在闭区间上连续的函数,有以下几个基本性质:

  1. 定理1:(有界定理)如果函数在闭区间上连续,则上必有界。

  2. 定理2:(最大值和最小值定理)如果函数在闭区间上连续,则在这个区间上一定存在最大值和最小值

  3. 定理3:(介值定理)如果函数在闭区间上连续,且其最大值和最小值分别为,则对于介于之间的任何实数,在上至少存在一个,使得

二、导数与微分

(一)导数的求法

1. 导数的定义

导数的定义:设在开区间内有定义,对于给定的,考虑一个增量,使得存在,则称这个函数在处可导,并称这个极限值是函数在处的导数或微商,记作或者.

左导数:;右导数:;导数存在左右导数存在且相等。

2. 导数(微分)表

导数 微分

3. 导数四则运算法则

(其中

4. 复合函数求导

,如果处可导,在对应点处可导,则复合函数处可导,且有

对应地,由于公式不管是自变量或中间变量都成立,因此称为一阶微分形式不变性。

5. 参数方程求导

确定的函数,其中存在,且,则

一阶导数:

二阶导数:

6. 反函数求导

的反函数,两者皆可导,且,则

一阶:

二阶:

7. 隐函数求导

是由方程所确定,求的方法如下:把两边各项对求导,把看作中间变量,用复合函数求导公式计算,然后解出的表达式(允许出现变量)。

8. 对数求导

先对所给函数式的两边取对数,然后再用隐函数求导方法得出导数。对数求导法主要用于①幂指函数求导.②多个函数连乘或开方求导。

关于幂指函数常用的一种方法:写成,这样就可以直接用复合函数运算法则进行。

9. 求n阶导数

先求出、总结出规律性,然后写出,最后用归纳法证明。

常用初等函数的阶导数公式

(1)

(2)),

(3)

(4)

(5)

两个函数相乘的阶导数可以通过莱布尼茨公式写出:,其中,且假设阶可导

连续、可微、可导之间的关系总结

连续不一定可导,但可导必连续(连续可导)。

一元函数中可微与可导等价(处可微处可导)。多元函数可微一定可导,可导不一定可微(可微可导)。

连续函数必可积,非连续函数不一定可积(连续可积)。对于黎曼积分,可积一定有界,但有界不一定可积,无界一定不可积。

(即,可微可导连续可积)

(二)微分中值定理

1. 罗尔定理

若函数满足:

则存在,使得

2. 拉格朗日中值定理

若函数满足:

则存在,使得

或写成

有时也写成(其中可正可负)

推论1:若内可导,且,则内为常数。

推论2:若内皆可导,且,则在,其中为一个常数。

证明:设,则上连续,且有:

因此,根据罗尔定理,,使得,故,即.

3. 柯西中值定理

若函数满足:

则存在使得

柯西中值定理是拉格朗日中值定理的推广,若,柯西中值定理就是拉格朗日中值定理。

证明:由拉格朗日中值定理知,存在,使得,由于,故

,则上满足罗尔中值定理的条件,故至少存在一点,使得,即

由于,故.

(三)泰勒公式

  1. 定理1:(皮亚诺余项阶泰勒公式)设处有阶导数,则有公式(其中

    其中(其中),称为皮亚诺余项()。

  2. 定理2:(拉格朗日余项阶泰勒公式)设在包含的区间内有阶导数,在上有阶连续导数,则对,有公式

    其中(其中之间),称为拉格朗日余项。

上面展开式称为以为中心的阶泰勒公式,当时,也称为麦克劳林公式

一些常用的在处的泰勒公式(皮亚诺余项)

时,一些常用的泰勒公式如下

的泰勒级数和伯努利数有关,其中是伯努利数的第项,一般用前几项即可

,那么泰勒公式就转化为泰勒级数。

(四)导数的应用

1. 用微分求近似值

2. 求解函数最大/最小值

极值、极值点的定义:设函数内有定义,内的某一点,则

函数的极大值与极小值统称为极值,极大值点和极小值点统称为极值点。

驻点的定义:满足称为的驻点。

必要条件(可导情形):设函数处可导,且的一个极值点,则

极值点只能是驻点或不可导点,所以只要从这两种点中进一步去判断。

第一充分条件:设处连续,在内可导,不存在,或

(1)如果在内的任一点处,有,而在内的任一点处,有,则为极大值,为极大值点。

(2)如果在内的任一点处,有,而在内的任一点处,有,则为极小值,为极小值点。

(3)如果在内与内的任一点处,的符号相同,那么不是极值,不是极值点。

第二充分条件:设函数处有二阶导数,且,则

(1)当时,为极大值,为极大值点。

(2)当时,为极小值,为极小值点。

极值求解步骤:求函数上的最大值和最小值的方法:首先找出内所有驻点和不可导点,然后计算,最大的就是上的最大值,最小的就是上的最小值

3. 求解凹凸性与拐点

凹凸的定义:设在区间上连续,若对任意不同的两点,恒有,则称上是凸的。(若则是凹的)

在几何上,曲线上任意两点的割线在曲线下(上)面,则是凸(凹)的。

若曲线有切线的话,每一点的切线都在曲线上(下),则是凸(凹)的。

拐点的定义:曲线上凹与凸的分界点,成为曲线的拐点。

凹凸性的判别:设函数内有二阶导数。则

(1)如果在内的每一点,恒有,则曲线内是凹的。

(2)如果在内的每一点,恒有,则曲线内是凸的。

拐点求解步骤:先求出二阶导数,然后找出使等于零或二阶导数不存在的点,对于以上的连续点,检查各点两边二阶导数的符号,如果符号不同,该点就是拐点的横坐标,再求出拐点的纵坐标即可。

4. 求渐近线

(1)垂直渐近线:若,则为曲线的一条垂直渐近线。

(2)水平渐近线:若,或,则是曲线的一条水平渐近线。

(3)斜渐近线:

是曲线的一条斜渐近线。

5. 曲率

设曲线在点处的曲率,若,则称为点处的曲率半径,在点的法线上,凹向这一边取一点,使,则称为曲率中心,以为圆心,为半径的圆周称为曲率圆。

三、积分

(一)不定积分求法

1. 基本积分公式

(1),且为实常数)

(2)(记得取绝对值)

(3)),特别地,

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

2. 第一类换元积分法(凑微分)

,又可导,则

比如,常用的几种凑微分形式:

(1)).

(2)).

(3).

(4).

(5).

(6),(),特别地.

(7).

(8).

(9).

(10).

(11).

(12).

(13).

(14).

(15).

(16).

(17).

(18),().

(19),().

(20),().

技巧:对于型,可令,解出,再回代,原式可化简为

比如可令,则.

技巧:对于分母是偶数次幂(比如2、4等),有时可以利用分式求导法则试出来,思路类似待定系数法。

比如,求

考虑函数,求导为,分子与原式对比,有,故可令,代入发现刚好就是原式的被积函数,因此可以写出如下过程:

对于分母是4次方,常规做法是:

3. 第二类换元积分法

可导,且,若,则,其中的反函数

第二类换元积分主要用于根式的被积函数,通过换元把根式去掉,其常见的变量替换有:

(1)被积函数是或由构成的代数式的根式,例如等。这时只要令整个根式等于,即,若用表示不含根式,那么说明这种换元可行。

(2)被积函数含有),如果仍令,解出含有根号,那么这样变换不可行,要作特殊处理,若,将根式化作,若,将根式化作,再作下列三种三角替换之一:

根式的形式 所作替换 三角示意图(求反函数用)
三角替换-01
三角替换-02
三角替换-03

代入后,利用,消掉根号。

(3)欧拉代换:被积函数含有的积分,可以考虑

欧拉代换的好处在于,可以将和根式同时用有理地表示出来。

(4)万能替换:对于三角函数有理式,可以令,这时.

(5)若不能使用万能公式,则:

4. 分部积分法

均有连续的导数,则,或

使用分部积分要求函数连续。

使用分部积分法时被积函数中谁看作谁看作有一定规律:

(1)的情形(其中次多项式,为常数):要使用次分部积分法,每次均取,多项式部分为

(2)等情形(其中次多项式):取,取,用一次分部积分法,被积函数形式发生改变,再考虑其他方法。

(3)等情形:取,进行两次分部积分法后会出现原来的积分。

(4)比较复杂的被积函数使用分部积分法,要用凑微分法,使尽量多的因子和凑成。

速记口诀:反对幂指三。口诀中任意两种函数相乘的积分,按口诀顺序靠前的选为;如果是其中一种与多项式相乘的积分,反三角函数和对数函数的情形要取;而幂函数、指数函数、三角函数与多项式相乘的积分,则把自身视作,把视作

一些常见的递推积分:

如果连续使用多次分部积分,可以使用列表积分法,它是分部积分法的推广,或者说是总结出来的规律:

列表积分法

连续使用两次分部积分就会发现,第一次使用分部积分时求导的函数,如果它在第二次使用分部积分时变成求积分,会变回原来的式子。即,其中进行了一次求导,如果换成放进后面,变成.

因此在连续使用分部积分时求导的函数会继续求导,而积分的函数会继续积分,而且由于积分的部分有减号,因此积分项的符号会正负正负来回变换,可以用上图表示出这个规律。

比如,,因此连续使用两次分部积分可以简写成,其中最后一项为了用图中的列表表示出来,需要特殊处理。

如果一个函数求导到一个常数,就不用继续往下算了:

列表积分法-例题1

根据列表积分法,可以快速判断出什么时候可以使用连续多次的分部积分:某一个函数能求导到一个常数,且另一个函数能比较简单地连续积分求导的次数那么多次;或者求导以及积分若干次后会出现循环;比如等都是常见的情况。注意,每次计算后,积分的形式应该是越来越简单的,如果发现越来越复杂,那么可能求导和积分的函数选错了,可以互换试试。

5. 技巧:多项式分式的部分分式法

对于的分式,总能拆解成的形式;

对于分母次数大于1的多项式分式,总能拆解成

比如:

要求出,两边同乘,然后令,于是;求就是两边同乘再令,于是;剩下的,可以让以外的任意值,比如,再代入求出来的,解出

比如:

通过比较系数法得,解方程得

比如:,分母有实根0和复根,可设,通分后得,通过比较系数法得

比如:,解出

(二)定积分

定积分的性质

(1).

(2).

(3).

(4)是任意数,可以在之外)

(5)设),则.

(6)设),则.

(7)设,则.

(8)积分形式的柯西-施瓦茨不等式:.

(9)积分形式的闵可夫斯基不等式:.

(三)定积分中值定理

1. 积分平均值定理

上连续,不变号,并且在闭区间是可积的,则在上存在一点,使得

证明:因为不变号,不妨设,由函数在区间上连续可知,存在最大值和最小值,即

两边同乘,得,其中

再两边同时取积分,得,分情况讨论:

(1)若,那么上式成立;

(2)若,那么

因为在区间连续,由介值定理可知,,使得,即.

2. 积分第一中值定理

上连续,则存在,使得

我们称上的积分平均值。

当积分平均值定理中的,就得到了积分第一中值定理。

3. 定积分第二中值定理

上可积,上单调,则,使得

证明:由于在区间上可积,因此可设,则

因为上不变号,则由积分第一中值定理可知,在上至少存在一点,使得

于是有

(其实这个证明有问题,可积不能保证连续(应该是除去有限间断点外连续),而有原函数的条件是在区间上绝对连续;还有就是单调不能保证可导。所以这个证明是在连续、可导的特殊情况下的证明)

(四)变上限积分、定积分求法

1. 变上限积分的导数

定义:设上可积。则称为变上限积分的函数。

性质:

(1)若上可积,则上连续。

(2)若上连续,则上可导,且

先积再导等于不积不导。

(3)若上/下限是关于的函数,,如果可导,且连续,则.

先积再导,上/下限函数直接代入积分变量,再乘以上/下限的导数,然后上限减下限。

2. 牛顿-莱布尼兹公式

设函数上可积,上任意一个原函数,则.

(注:若上有瑕点,要分段再用反常积分求,不能用该公式)

3. 定积分的换元积分法

上连续,若变量替换满足

(1)(或)上连续;

(2),且当时,

.

换元一定要同时改变积分上下限。

4. 定积分的分部积分法

上连续,则.

5. 换元技巧:区间再现

区间再现公式:

推广:

证明:

.

对于三角函数等,可以利用函数的对称性,通过区间再现公式进行积分

6. 技巧:利用周期性质、函数奇偶性

奇、偶函数的积分性质

(1)若为奇函数

(2)若为偶函数,.

注意:有瑕点的时候以上性质不成立,比如,虽然是奇函数,但是由于0是瑕点,因此该定积分不等于零,实际上该积分是没有定义的。

一些三角函数在其周期、半周期上的积分:

周期函数的积分性质:设为周期,则

(1)

(2).

华理士(Wallis)公式

其中是正整数,表示不超过的“二进阶乘”,比如.

结合区间再现,可以在如下的情况使用以上公式:

,注意,

其中由于,因此可以看作是,但是由于这两条公式的证明使用了区间再现公式,必需要满足才能用,而不满足,所以的函数不能看作是的函数。

由于这里没有给出证明,下面用一个例题来说明证明过程是如何使用的:

为消去,使用区间再现公式,令,则

出现了原来的积分,因此

(五)定积分的应用

1. 求平面图形的面积

(1)直角坐标系

定积分应用-平面图形面积-01

模型Ⅰ:,其中

模型②:,其中

(2)构坐标系

定积分应用-平面图形面积-02

模型Ⅰ:

模型Ⅱ:

(3)参数形式表示的曲线所围成的面积

定积分应用-平面图形面积-03

设曲线的参数方程(或)上有连续导数,且不变号,且连续,则曲边梯形面积(曲线与直线轴所围成).

2. 平面曲线的弧长

(1)直角坐标系

设光滑曲线,()(也即有连续的导数),其弧长,而也称为弧长微分

(2)构坐标系

设光滑曲线,()(也即上有连续导数),弧长

(3)参数方程所表示的曲线的弧长

设光滑曲线,()(光滑即上有连续的导数),曲线的弧长

证明:弧长用直线拟合,根据勾股定理,,复合函数求导,代入得,对每一段弧长求和再加极限,根据导数定义就可以写成上述形式。

3. 特殊的空间图形的体积

(一般图形的体积要用二重积分)

(1)已知平行截面面积的立体体积

设空间一个立体图形由一个曲面和垂直于轴的两个平面所围成,轴每一点)垂直于轴的立体截面的面积为已知的连续函数,则立体体积

(2)绕坐标轴旋转的旋转体的体积

①平面图形由曲线)与直线轴围成。

定积分应用-特殊的空间图形的体积-01

②平面图形由曲线)与直线轴围成。

定积分应用-特殊的空间图形的体积-01

4. 求旋转曲面表面积

设平面曲线位于轴上方,它绕轴一周所得旋转曲面的表面积为

定积分应用-特殊的空间图形的体积-03

该平面图形绕轴旋转一周的表面积

Ⅰ. 设的方程为),则

Ⅱ. 设的极坐标方程为),则

Ⅲ. 设的参数方程为),则

旋转体用垂直于轴的线切成很多块小圆台,要求表面积,将每一块剪开,然后近似成矩形,此时每一个矩形的长是以的值为半径沿轴旋转的圆的周长,宽度是弧长用前面定积分求弧长的公式代入就行了。

(六)广义积分

广义积分包括无穷积分和瑕积分。

无穷积分:在无穷区间上的积分,形如,其中,当极限存在时无穷积分收敛,否则称其发散。

类似地,可以定义在上的无穷积分;在上的无穷积分,其中为任一实数,当右边这两个无穷积分同时收敛,则称收敛,否则称其发散。

绝对收敛:指收敛。

条件收敛:指收敛,但发散。

无穷积分的审敛法:

瑕积分:,其中是瑕点,函数在该点附近无界。当极限存在时瑕积分收敛,否则称其发散。

瑕积分指被积函数在积分区间内某一点附近是无界的,比如

无穷积分的审敛法也可以用到瑕积分上。

四、常微分方程

(一)一阶常微分方程

1. 变量可分离的方程

(1)方程形式:),通解.

(2)方程形式:,通解).

2. 变量可分离方程的推广形式

(1)齐次方程,令,则.

(2)),令,则

(3)

3. 一阶线性齐次方程

对于的情形,有通解公式,其中为任意常数。

4. 一阶线性非齐次方程

对于的情形,用常数变易法可求出通解公式。令,代入方程求出,得到

5. 贝努利方程

对于)的情形,令,把原方程化为,再按照一阶线性非齐次方程求解。

方程两边同除,其中,再换元即可。

6. 特殊的分式

对于,可化为,以为自变量,为未知函数,再按照一阶线性非齐次方程求解。

(二)高阶常微分方程

1. 可降阶的高阶微分方程

①. 对于的情形,积次分即可,通解形式为.

②. 对于的情形,令,则,原方程变为,按一阶微分方程解出,则原方程的通解为.

③. 对于的情形,令,把看作是的函数,则,把代入原方程,得,按一阶微分方程解出,则原方程的通解为.

2. 线性微分方程解的性质与结构

这里讨论二阶线性微分方程解的性质与结构,然后推广到更高阶的线性微分方程。

二阶齐次线性方程:

二阶非齐次线性方程:

解的性质

(1). 若为二阶齐次线性方程的两个特解,则它们的线性组合均为任意常数)仍为方程的解。特别地,当为常数),也即线性无关时,方程的通解为

(2). 若为二阶非齐次线性方程的两个特解,则为对应的二阶齐次线性方程的一个特解。

(3)若为二阶非齐次线性方程的一个特解,而为对应的二阶齐次线性方程的任意特解,则为此二阶非齐次线性方程的一个特解。

(4)若为二阶非其次线性方程的一个特解,而为对应的二阶齐次线性方程的通解(为独立的任意常数),则是此二阶非齐次线性方程的通解。

(5)设分别是的特解,则的特解。

3. 二阶和某些高阶常系数齐次线性方程

(1)二阶常系数齐次线性方程,其中为常数

其特征方程,特征方程根的三种不同情形对应方程通解的三种形式:

(2)阶常系数齐次线性方程,其中)为常数。

相应的特征方程

特征根与方程通解的关系同二阶情形很类似:

由此可见,常系数齐次线性方程的通解完全被其特征方程的根所决定,但是三次及三次以上代数方程的根不一定容易求得,因此只能讨论某些容易求特征方程的根所对应的高阶常系数齐次线性方程的通解。

4. 二阶常系数非齐次线性方程

方程:,其中为常数

通解:

其中为对应二阶常系数其次线性方程的通解(前面已经讨论过)。所以关键要讨论二阶常系数非齐次线性方程的一个特解如何求。

根据的形式,先确定特解的形式,其中包含一些待定的系数,然后代入方程确定这些系数就得到特解,常见的的形式和相对应的的形式如下:

(1),其中次多项式

(2)其中次多项式,为实常数

(3),其中次多项式,皆为实常数

5. 欧拉方程

阶欧拉方程:,其中)为常数。

代入方程,变为是自变量,是未知函数的微分方程,一定是常系数其次线性微分方程。

此时,于是

同样

(三)全微分方程

1. 全微分方程定义

,若满足,定义其通解,其中满足

的常用方法:

2. 凑全微分法

常用公式:

(1).

(2).

(3).

(4).

(5).

(6).

(7).

(8).

(9).

(10).

(11).

(12).

(13).

(14).

(15).

(16).

3. 特殊路径积分法

全微分方程-特殊路径积分法-01

因为积分与路径无关

4. 不定积分法

,得

求导,得,求出后积分可得

5. 约当因子法

不是全微分方程,不满足,但是存在,使得为全微分方程,也就是说满足,则称为约当因子。

按全微分方程的解法仍可求出,通解

这种情形,求约当因子是关键。

(四)差分方程

1. 差分的定义与性质

差分就是数列的后一项减前一项,用数学语言描述就是,设函数中的自变量为自然数,并记,则差称为函数的一阶差分,记作;而二阶差分就是一阶差分的差分,即,三阶甚至阶依此类推。

差分的性质:

(1)

(2)

(3)

2. 一阶常系数线性差分方程

形如就是一阶常系数线性差分方程,其中

一阶常系数线性齐次差分方程(齐次即的时候):对于,其通解为,这里的为任意常数。其实这种情况就是等比数列,公比为.

一阶常系数线性非齐次差分方程:解的结构是对应的齐次的通解加上非齐次特解,的形式不同,特解的形式也不同,具体如下:

3. 二阶常系数齐次线性差分方程

形如就是二阶常系数齐次线性差分方程,其中。解法和二阶常系数线性齐次微分方程类似,也有特征方程,设两个特征根为,根据特征根的不同情况,通解也有三种类型:

(1)两个不相等的特征根,则通解为

(2)两个相等的特征根,则通解为

(3)一对共轭复根,则通解为,其中为任意常数

例:设是方程的通解,求的值

解:将通解代入方程,化简后可得,由的任意性可得,解出(舍去,否则通解会变为)、

五、向量代数与空间解析几何

(一)向量的运算

运算法则:

(1)加法:,图像上可以通过平行四边形法则画出。

(2)减法:,图像上是从指向的向量。

(3)数乘:是常数)。

向量的加、减、数乘统称线性运算。

(3)数量积:,其中是向量之间的夹角,数量积是一个常数。

也称作点乘。

表示向量在向量上的投影,记作

(4)向量积:,也称为叉乘,。叉乘的结果是一个向量等于以为邻边的平行四边形的面积。在图像上的方向按右手法则垂直于所在平面,

向量代数与空间析几何-向量的运算-01

(5)混合积:定义,坐标公式,几何意义表示以为棱的平行六面体的体积。

(二)两向量的关系

,则

关系 向量表示 向量坐标表示
间夹角
垂直
平行

(三)平面及其方程

1. 法向量(法线)

与平面垂直的非零向量,称为平面的法向量,通常记成。法向量的坐标称为法方向数。对于给定的平面,它的法向量有无穷多个,但它所指的方向只有两个。

2. 平面的方程

3.两平面的关系

设两平面为,则

关系 表达式
间的夹角
垂直
平行
重合

4. 点到平面的距离

设平面的方程为,而点为平面外的一点,则到平面的距离.

(四)直线及其方程

1. 方向向量

与直线平行的非零向量, 称为直线的方向向量,方向向量的坐标称为方向数

2. 直线的方程

3. 两直线的关系

设两直线为,则

关系 表达式
间夹角
垂直
平行

(五)平面与直线的关系

设平面的方程为,直线的方程为

关系 表达式
间的夹角
垂直
平行
重合 上有一点在

对于空间曲线,是切向量(用参数方程表示时)

对于空间曲面,是法向量

六、多元函数微分

(一)方向导数与梯度

在平面上过点沿单位向量方向方向导数,若在点处可微,那么函数在该点沿任一方向的方向导数都存在,且方向导数可进一步写成

对于平面的情形,上述公式可以写成,因为互余。

如果是,则为.

注意,方向导数仅要求极限存在,只要求能沿指定的一个方向(即单位向量所指向的方向)逼近,而偏导要求沿各方向都能逼近于同一个值(即使是的情形,也要求左右极限都存在,是两个方向),因此,即使不能写成偏导的形式,方向导数仍有可能存在。(即方向导数存在偏导不一定存在 )

在点处的梯度

方向导数与梯度的关系:,即方向导数等于梯度点乘

方向导数意味着沿某方向的变化量,因此要使得变化量最大,应该取梯度的同方向或反方向(因为点乘等于两者的模乘以夹角,梯度的模是固定的,而是单位向量,模永远为1,剩下的就是让取得最大,当夹角为0或,即同方向或反方向时,最大或最小),换句话说,即梯度是函数的方向导数取最大值的方向

(二)复合函数微分法

全微分的全微分为,若含有中间变量,则应使用链式法则,下面根据不同情形进行讨论。

(1)模型1:

可以用图形说明函数的关系

多元函数微分-复合函数微分法-01

然后代入,可得全微分(这里省略不写)

(2)模型2:

多元函数微分-复合函数微分法-02

写成是为了和区分,左边的是把看作是(最终变量)的函数,求的是全微分(如果把的函数代入,使不含中间变量,就可以求偏导);而右边的(或写成)是把看作是(中间变量)的函数,求的是偏导数(对求偏导就把看作是常数)

(3)模型3:

多元函数微分-复合函数微分法-03

(4)模型4:

多元函数微分-复合函数微分法-04

(三)隐函数微分法

已知方程

(1)若确定,则

(2)若确定,则

(3)若确定,则

实际解题只需要方程两边同时对(或)求偏导,解方程即可。

比如在二元的情形,已知,且是关于的函数,画出全微分图像,有,整理得,就是上面的公式。

若已知,且,要求偏导,需使用雅可比行列式

雅可比行列式:

,此时

实际解题不需要那么复杂,比如

已知,且都是关于的函数

解:同时对求偏导得,然后解方程即可(解出来会含有

其实这里可以直接算,式1整理得,把代入式2,整理得,再将代入,这样就把都求出来了,然后求偏导即可(这样算出来的结果只有,实际上将的表达式代入之前的结果中,算出来的是一样的)

(四)多元函数的极值和最值

1. 求的极值

第一步:找出驻点,即解方程组,得到

第二步:判别式

2. 拉格朗日乘子法

对多元函数),且有约束条件

然后求解

得出),是有可能的条件极值点,一般再由实际问题的含义确定其充分性。

七、多元函数积分

(一) 二重积分

1. 直角坐标系

二重积分直角坐标系上一般要先化为累次积分再计算,根据积分区域的不同,分为两种类型:

模型Ⅰ型). 设有界闭区域,其中上连续,上连续,则

多元函数积分-二重积分-01

对于型的二重积分,化为累次积分如何确定积分上下限:

的线(即轴的一系列垂线),此时边界位置一般是直线或点,由此确定的上下限(这时的上下限是一个常数,放到后面再积分);然后根据垂线与区域的交点,最上面的交点对应的函数就是积分上限(该函数应该写成关于的函数),最下面的交点对应的函数就是积分下限(也是关于的函数),如果交点对应的函数有分段(分段函数),那么就要利用积分的可加性分开求。

多元函数积分-二重积分-02

化累次积分的思路是,作平行于的平面,与曲顶棱体相交得到一个个截面,每个截面由多个矩形拼合而成,先求,求和再求极限后变成积分的形式,得到每一个截面的面积,再用每个截面的面积乘以高,求和再求极限变成积分的形式,得到的是曲顶柱体的体积,即二重积分。

模型Ⅱ型). 设有界闭区域,其中上连续,上连续,则

多元函数积分-二重积分-03

对于比较复杂的区域。既不满足模型Ⅰ,也不满足模型Ⅱ,那么就要把区域分解为一些小区域,使得每个小区域能够符合模型Ⅰ或模型Ⅱ,再根据可加性,大区域上二重积分等于这些小区域上二重积分之和。

对于已经化为累次积分的二重积分,要更改积分次序,可以先画出区域,再根据区域写出另一种次序的积分。

2. 极坐标系

在极坐标系中一般只考虑一种顺序的累次积分,也即先固定,进行积分,然后对进行积分,根据区域的不同也有几种常用的模型。

设有界闭区域,其中上连续,上连续,则.

积分上下限的确定:对于,可以从原点画一系列的射线,确定最大和最小的角度,此时的下限是离原点最近的点或函数(如果区域包含原点,则下限为0),上限是离原点最远的点或函数,如果射线与函数相交多于两个交点,则需要分段求。

关于为什么要多乘一个

多元函数积分-二重积分-04

(即蓝色部分)可以通过大扇形面积减小扇形面积得出:,其中表示每个网格中相邻两圆弧半径的平均值,当分段足够小,可以用近似,即上面的

实际上要乘的可以通过雅可比行列式直接得出。

模型Ⅰ. 设有界闭区域,其中上连续,上连续,则.

多元函数积分-二重积分-05

模型Ⅱ. 设有界闭区域,其中上连续,上连续,则.

多元函数积分-二重积分-06

模型Ⅲ. 设有界闭区域,其中上连续,上连续,则.

多元函数积分-二重积分-07

补充:关于只有图像的情况下,如何写出

多元函数积分-二重积分-08
多元函数积分-二重积分-09
多元函数积分-二重积分-10

3. 二重积分换元

换元后要乘以雅可比行列式的绝对值:.

其中

注意换元后积分区域要变,需要在平面上重新画出图像,确定新的累次积分上下限。

(二)二重积分在几何上的应用

1. 空间物体的体积

,其中为闭曲面平面上投影区域,为上半曲面,为下半曲面。

2.空间曲面的面积

,其中为曲面平面上的投影,曲面的方程.

证明:

多元函数积分-空间曲面的面积-01

如图,把曲面面积近似成一个个小矩形面积相加,若小矩形的面积为,则其投影面的面积为,其中为两平面夹角

而投影面的面积可以写成,即曲面面积与投影面的关系是

两平面夹角可以用它们的法向量得到,曲面的法向量为平面的法向量取

,两边再同时积分就是上面的公式。

(三) 三重积分

1. 直角坐标系

三重积分在直角坐标系上要先化为累次积分再计算,根据积分区域的不同,分为两种类型:

(1)设空间的有界闭区域,,其中平面上的有界闭区域,上连续,函数上连续,则.

投影面如果是固定的可以用这种方法,画图,先积z,就从xoy平面上作垂线,观察z的上下限(如果垂线与函数交点多于两个,就换方向),再画xoy平面上的投影,求二重积分。

(2)设,其中为纵坐标为的平面上的有界闭区域,则.

比如椭球形可以用这种方法,此时投影面会随z的变化而变化,可以理解成画z=z0的一系列平面,把图形切成很多片,求每一片面积作为底面积,乘以高dz,再求和(此时积分区域就变成关于z的函数了)。

比如球体积分区域就变成

2. 柱坐标

,相当于把化为极坐标保持不变。

3. 球坐标

多元函数积分-三重积分-球坐标-01

换元:

,然后根据把三重积分化为关于的累次积分。

(四)曲线积分

1. 第一类曲线积分

空间情形:空间一条逐段光滑曲线上定义函数,把曲线任意分割为段,,在)上任取一点,如果对任意分割,任意取点,极限皆存在并且相等(这里又表示第段曲线的弧长,),则称此极限值为在曲线上的第一类曲线积分,也称为对弧长的曲线积分,记作

如果曲线是封闭曲线,也可以记作

参数计算公式

这里只讨论空间情形(平面情形类似)

设空间曲线的参数方程,(),则

(假设皆连续),这样就把曲线积分化为定积分来进行计算。

的由来可以参考定积分的应用。

2. 第二类曲线积分

空间情形:设空间一条逐段光滑有定向的曲线,函数上皆有定义,把任意分成段,,在)上起点坐标为,终点坐标为(按的定向决定起点和终点),令,(),再在上任意一点考虑极限,其中仍是段弧长中最大值,如果对任意分割,任意取点,上述极限皆存在并且相等,则称此极限值为对空间曲线的第二类曲线积分,也称对坐标的曲线积分,记作,它的向量形式为,其中。如果是空间封闭曲线,也要说明的定向,在空间不能简单地说逆时针方向或顺时针方向,必须用其他方式加以说明。

参数计算公式

这里只讨论空间情形(平面情形类似)

设空间有向曲线的参数方程,起点对应参数为,终点对应参数为(注意:现在的大小不一定),如果皆连续,又也都连续,则

这样就把曲线积分化为定积分来计算,值得注意的是,如果曲线积分的定向相反,则第二类曲线积分的值差一个负号,而第一类曲线积分的值与定向无关,故曲线不考虑定向。

简单地说就是利用参数方程进行换元,然后统一上下限再积分。

3. 两类曲线积分的关系

(1)平面情形:设是平面上一条逐段光滑有定向的曲线,上连续,则

其中为曲线在点曲线弧在点处沿定向方向的切线的方向余弦。

(2)空间情形:设是空间上一条逐段光滑有定向的曲线,上连续,则

其中为曲线弧上点处沿定向方向的切线的方向余弦。

4. 格林公式

规定正方向(正定向)为,沿着曲线走,区域在左手边。对于单连通区域为逆时针,复连通区域内部的孔为顺时针。

(1)定理1. (单连通区域情形)

曲线积分-格林公式-01

平面上有界闭区域由一条逐段光滑闭曲线所围成的单连通区域。当沿正定向移动时,区域的左边,函数上有连续的一阶偏导数,则有:

(2)定理2. (多连通区域情形)

曲线积分-格林公式-02

平面上有界闭区域连通区域(也即有个“洞”),它的边界,其中的定向为逆时针方向,定向皆为顺时针方向,仍符合沿的正定向移动时区域在它的左边这个原则。函数上有连续的一阶偏导数,则

用格林公式求面积:令,得到等式,整理得到面积公式

5. 平面上第二类曲线积分与路径无关的几个等价条件

的分量在单连通区域内有一阶连续偏导数,则下面几条彼此等价:

(1)对内任意一条逐段光滑闭曲线,都有

(2)任意内,则只依赖于起点和终点,与曲线的取法无关,称为曲线积分与路径无关。

(3)成立。

(4)内处处有

(5)向量场是有势场,即存在二元函数,具有称为有势函数,具有

(五)曲面积分

1. 第一类曲面积分

定义:设为分块光滑曲面,上有定义,把曲面任意分成块小曲面,在)上任取一点,把小曲面的面积也记作,而表示各小块曲面直径的最大值。如果对任意分割和任意取点,下列极限皆存在且相等,则称该极限值为在曲面上的第一类曲面积分,也称对面积的曲面积分,记作

基本计算公式

设曲面的方程上有连续偏导数。上连续,则

这样就把第一类曲面积分化为二重积分进行计算。

2. 第二类曲面积分

定义:设为分块光滑有向曲面(一指定一侧为定向),皆在上有定义,把曲面任意分成个小曲面,而)在平面上的投影面积记作,在平面上投影面积记作,在平面上的投影面积记作,又在)上任取一点,令是各小块曲面直径的最大值,考虑极限,如果对任意分割,任意取点,极限值都存在且相等,则这个极限称为在有向曲面上的第二类曲面积分,也称为对面积的曲面积分,记作,如果令,则向量形式为

基本计算公式

如果曲面的方程上连续,上连续,则

若曲面指定一侧的法向量与轴正向成锐角取正号,成钝角取负号。

这样就把这部分曲面积分化为平面上的二重积分。

类似地,若曲面的方程表示为,则

曲面指定一侧的法向量与轴正向成锐角取正号,成钝角取负号。

若曲面的方程表示为,则

曲面指定一侧的法向量与轴正向成锐角取正号,成钝角取负号。

3. 两类曲面积分的关系

其中为曲面在点处根据定向指定一侧的法向量的三个方向余弦。

若令,则

4. 高斯公式

定理1. (单连通区域)

是由分块光滑曲面围成的单连通有界闭区域,上有连续的一阶偏导数,则

其中在点处的法向量的方向余弦。

定理2. (多连通区域)

连通区域,外面边界曲面为外侧,每一个“洞”的边界曲面)为内侧,彼此不重叠,都在的内部。这些曲面都是分块光滑的,是有界闭区域,上有连续的一阶偏导数,则

5. 斯托克斯公式

定理:设是逐段光滑的有向闭曲线,是以为边界的分块光滑有向曲面,的正向与的侧(即法向量的指向)符合右手法则,函数在包含的一个空间区域内有连续的一阶偏导数,则有

也可以用第一类曲线积分表示

6. 散度与旋度

Del算符:设,则梯度可以写成.

(1)散度

散度:

观察散度的表达式,其实就是高斯公式的被积函数,因此高斯公式可以写成

,其中

(2)旋度

旋度:

斯托克斯公式可以写成,其中

八、级数

(一)常数项级数

1. 无穷级数的基本性质

(1)如果皆收敛,为常数,则收敛,且等于.

(2)在级数中增加或减少或变更有限项则级数的收敛性不变.

(3)收敛级数具有结合律,也即对级数的项任意加括号所得到的新级数仍收敛,而且其和不变。 发散级数不具有结合律,所以加不同括号后得到级数的情形就不同。

(4)级数收敛的必要条件。(收敛则,但反过来不一定成立,即使通项趋于0,级数也有可能是发散的,比如就是发散的)

2. 几类重要的级数

(1)等比级数

等比级数:

回顾数列的知识:

等差数列求和公式:

等比数列求和公式:

这里用的就是等比数列求和公式,如果收敛的话,通项趋于0,也即,就可以写成上面的公式

注意:如果公式要反过来用,的前提条件是级数收敛,也即

(2)p-级数

p-级数:

如果,级数变成,叫做调和级数,它是发散的。

调和级数发散的证明:

如果收敛的话一定是等于0的,但是现在,所以发散。

注:时,的和一般不作要求,但是后面用特殊的方法可知,.

(3)p-级数的交错形式

关于绝对收敛的定义在后面。

(二)级数审敛法

1. 正项级数

),则称为正项级数,这时),所以是单调增加数列,它是否收敛只取决于是否有上界

因此收敛有上界,这是正项级数各种判别法的基础。

(1)比较判别法

,当时,皆成立,这时,

使用时要构造另一个级数和它比较,最常用的就是前面提到的等比级数和p-级数。

(2)比较判别法的极限形式

),若

(3)比值判别法(达朗倍尔)

,而

(4)根植判别法(柯西)

,而

2. 交错级数

称为交错级数。

莱布尼兹判别法

若交错级数满足

(1)

(2)

收敛,且.

3. 绝对收敛与条件收敛

定理

对于任意级数,若收敛,则一定收敛(但反过来不一定成立)。

定义

如果收敛,则称绝对收敛。

如果收敛,但发散,则称条件收敛。

性质

(1)绝对收敛级数具有交换律,也即级数中无穷多项任意交换顺序,得到的级数仍是绝对收敛的,且其和不变。

(2)条件收敛级数的正项或负项构成的级数,即一定是发散的。

(三)幂级数

1. 函数项级数

函数项级数:设)皆定义在区间上,则称为区间上的函数项级数。

收敛域:设,如果常数项级数收敛,则称是函数项级数的收敛点。类似地,如果发散,则称的发散点。

函数项级数的所有收敛点构成的集合称为收敛域。所有发散点构成的集合称为发散域。

和函数:在的收敛域的每一点都有和,它与有关,收敛域。称为函数项级数的和函数,它的定义域就是函数项级数的收敛域。

2. 幂级数及其收敛域

幂级数称为的幂级数,)称为幂级数的系数,是常数。

时,称为的幂级数。

一般讨论有关问题,作平移替换就可以得出关于的结论。

幂级数的收敛域

幂级数的收敛域分三种情形

(1)收敛域为,亦即对每一个皆收敛,我们称它的收敛半径.

(2)收敛域仅为原点,除原点外幂级数皆发散,我们称它的收敛半径.

(3)收敛域为中的一种,我们称它的收敛半径为).

所以求幂级数的收敛半径非常重要。其中第1、2种情形收敛域是确定的,但是第3种情形,还需讨论两点上的敛散性。

如果(包括)或(包括),则收敛半径(若,则;若,则),

如果上述两极限不存在,那么就要用其它方法来求收敛半径。

注意这里的比值或根值,用的只是系数,而之前的比值判别法和根植判别法,用的是整个

这两种方法求出的是的收敛半径,如果是的形式,要先作平移,求出收敛半径后再平移回去。

3. 幂级数的性质

四则运算

,则

分析性质

设幂级数的收敛半径为和函数,则有下列重要性质

(1)逐项求导

内可导,且有逐项求导公式,且求导后幂级数的收敛半径不变(但是在处是否收敛要重新考虑),因此得出内有任意阶导数,公式为:

(2)逐项积分

内有逐项积分公式

且这个幂级数的收敛半径也不变(但是在处是否收敛要重新考虑)

(3)在端点处:

(或)处成立,则有下列性质:

4. 幂级数求和函数的方法

方法一:把已知函数的幂级数展开式反过来用。常用的公式有:

(1).

(2).

(3).

(4).

(5).

(6)为实常数.

方法二:用逐项求导和逐项积分方法以及等比级数的求和公式。

例如:,由知收敛半径为1,且时发散,故收敛域为

方法三:用逐项求导和逐项积分方法化为和函数的微分方程,从而求微分方程的解。

5.泰勒级数

设函数在点的某一邻域内具有任意阶导数,则级数称为函数处的泰勒级数。

特别地,当,则级数称为的麦克劳林级数。

函数展成幂级数的条件

内有任意阶导数,它的泰勒公式,其中阶余项,它的拉格朗日型为

,的充要条件为,而且处幂级数展开式是唯一的。特别地,时可得到函数展成麦克劳林级数的充要条件。

函数展成幂级数的方法

(1)套公式,

例如:

.

.

为实常数.

(2)逐项求导

例如:

.

.

(3)变量替换法

例如:

.

.

(4)逐项积分法

例如:

.

,(

附录

常用公式(三角、双曲等)

常用三角公式

三角函数:

反三角函数:

正弦定理:,其中是角对着的边的长度,其他的同理,外接圆的半径

余弦定理:

三角形面积公式:

诱导公式(根据函数图像可得,也可由和差公式推导得到):

两角和差公式:

推导:

,则同理

三角和公式:

半角公式(符号由所在象限决定)(由倍角公式推导得到):

倍角公式:

推导:

三倍角公式:

推导:

四倍角公式:

五倍角公式:

棣莫弗公式:,其中.

余弦反余弦复合的关系公式:,其中

和差化积:

(记忆方法:

积化和差:

(记忆方法:只能由形式产生;只能由形式产生)

三角平方差公式:

三角函数之间的转换关系:

注意:这个表格没有考虑正负号,涉及到开根号的公式要根据的象限来判断符号。

常用双曲函数公式

定义:

反三角函数用arc,这是因为反三角函数可以用弧长定义,arc在英文中有弧长的意思;而反双曲函数用ar,是因为反双曲函数用面积定义,表示对应双曲扇形面积的二倍,ar表示area,在英文中有面积的意思。

双曲函数与反双曲函数的导数:

不定积分:

基本性质:

奇偶性:

两角和差公式:

倍角公式:

半角公式:

三倍角公式:

棣莫弗公式:,其中.

和差化积公式:

积化和差公式:

根据欧拉公式,用替换掉,得到,因此,因此可以得到正弦余弦和双曲正弦双曲余弦的关系式:.

级数展开:

积分时的万能公式:

一元二次方程/函数公式

对于,根判别式

韦达定理:对于,有

对于,顶点坐标为

对数运算法则

平方、立方、N次方公式

N方差公式的特殊形式可以通过等比数列求和推导出来,,而且可以看作是,代入前面的公式即可得到N方差公式。

常用等价无穷小的推导

作图可知

证明重要极限

第一步:先证极限存在(用单调有界证):

写出的二项展开式:

记作,把记作,显然,所以,其中,故单调。

显然),由上述的展开式,有

有界。

综上,因为单调有界,故存在。我们把它的极限记作为,它是一个无理实数。

第二步:前面已经求出了是自然数时的极限,下面再求出是任意数时的极限:

利用取整函数及其性质,则当时,有

由夹逼定理得

时,令,则有,令,得.

总结:的定义就是。我们并不知道这个极限具体是什么数字,但可以证明出这个极限是存在的,并用表示。

常用导数的推导

常数函数

幂函数

指数函数

对数函数

正弦函数

余弦函数

正切函数

余切函数

正割函数

余割函数

反正弦函数:则,由反函数求导公式得

反余弦函数:则

反正切函数:则

反余切函数:则

一个特殊的导数:

也可以通过复合函数求导计算:.

常用积分公式的推导

(其中,设),若画出三角形,可看出当时,,代入得,其中最后一步把合并到了常数中。

,分为两种情况:

(1)当时,令,此时,画出三角形可知,当时,,代入得

(2)当时,令,同理可得

出现了重复项,因此,故,画出三角形可得,其中最后一步把合并到了常数中。

,则

用到了证时的一些中间结果。

,求

,其中

解:,由分部积分得

于是可以得到递推公式,因此,其中

上式可简写为,其中表示不超过的“二进阶乘”,比如.

证明:

解:令,其中,则.

因此的计算公式也可以用在.

例题:求极限的方法总结

1、直接代入法

2、概念判断法

有界函数乘以无穷小等于零:

有界函数除以无穷大等于零:

非零常数乘以无穷大等于无穷大:

绝对值小于1的数的无穷大次幂等于零:

绝对值大于1的数的无穷大次幂等于

绝对值大于0小于1的数开无穷大次幂等于1:

3、因式分解法

4、化无穷大为无穷小

(其中

5、有理化

(1)有理化——分子有理化:

(2)有理化——分母有理化:

(3)有理化——分子、分母同时有理化:

6、变量代换

7、三角函数恒等变换

8、单调有界函数的解方程法

单调有界必有极限,然后写出递推公式,解方程。

,由于,故单调递增;凭借直觉可知,下面用数学归纳法证明:因为,设,那么成立,故,该数列有界。通过“单调有界必有极限”定理可知原式的极限存在,设其极限为,那么两边同时取极限,得,解出,因此极限为2。

,易知单调递减且有界,设极限为,则,解出,由于是正数,取

,易知单调递减且有界,设极限为,则,因此极限为.

,可解出.

9、重要极限

(1)重要极限——

,其中

(2)重要极限——

,其中

10、等价无穷小代换

,或者也可以直接用

11、洛必达法则

(1)洛必达法则

(2)变限积分符号下的求导

12、用级数求极限

(1)麦克劳林级数展开

(2)泰勒级数展开

(3)傅里叶级数展开

由于,因此可以转换为求级数的和函数。设是周期为的周期函数,它在上的表达式为,因为满足迪利克雷定理的条件,且在整个数轴上连续,故其傅里叶级数在整个数轴上都收敛于,将展开成傅里叶级数,得,其中,因为,代入傅里叶级数得

,移项可得

(4)利用级数审敛法

:令,则,由比值判别法可知级数收敛,由级数收敛的必要条件可知

(5)利用级数和函数

,则,根据

假设,故当.

问题可以转化为求级数的和函数,先求的和函数:是一个幂级数,它的收敛半径为,收敛区间为,设,对逐项求导得,再从积分得,当时,,而当时,代入原式得。显然,

13、夹逼定理

14、定积分法

这种题的特点是,能够提出来一个,剩下的部分能找出规律。通常可以化为分子分母都齐次,且分母比分子多一次的形式。

:注意到,对原式做缩放得,由夹逼定理得原式

15、用导数定义求极限

导数的定义是,这种题的特点是括号内的两个式子相减巧好是分母。

,问。解:

,问。解:设,那么,于是

16、用微分中值定理求极限

常用的是拉格朗日中值定理,其中,注意构造的函数要满足在区间上连续,在内可导。

,其中

构造,则,令,由于,由夹逼定理知,根据拉格朗日中值定理,有,故.

解法一:构造函数,则,令,根据拉格朗日中值定理得,显然,为求出,构造,则,令,由拉格朗日中值定理以及等价无穷小代换,得,(因为,所以在应用了等价无穷小后,是一样的),故由夹逼定理知

解法二:构造,则,原式,令,则,由拉格朗日中值定理得,显然,其中,故

构造,则,令,则,由拉格朗日中值定理得

构造,则,令,则,由拉格朗日中值定理得

,其中

原式可变形为,下面计算

构造,则,令,则,根据拉格朗日中值定理得,再构造,则,令,则,根据拉格朗日中值定理得,故.

原式变形为,其中第一部分的极限可以直接算;对于第二部分,构造,则,,令,则,由拉格朗日中值定理得,故

分别构造,则,令,则

构造,则,令,则,再构造,则,令,则,使用两次拉格朗日定理得(也可以用一次柯西中值定理得出).

17、用积分中值定理求极限

:令,显然上连续且不变号,由积分平均值定理知,存在使得,于是有,因此

,其中,其中

例题:求积分方法总结

不定积分积完不要忘记加常数.

1、第一类换元积分法——凑微分:配项然后裂项是很常见的一个技巧;假分式可以用长除法分解成若干项;真分式可以用部分分式法进行裂项。

(1)直接凑微分

(2)分子有理化

(3)配项

(4)用长除法裂项

(5)用部分分式法裂项:通常和因式分解、配项一起用。

通分后令各项系数和原式相等,解方程得

,令各项系数相等,解得

,则

等于,令各项系数相等,解得,故

同理可得

(6)型,令,解出,回代后原式可化简为.

可以令,解出,故

其实如果把代回原来的式子,会发现和上式是一样的。

(7)对于分母是偶数次幂(比如2、4等),有时可以试出来。

考虑函数,求导为,与原式对比,有,故可令,代入发现刚好就是原式的被积函数,因此可以写成如下过程:

2、第二类换元积分法

(1)整体代换:通常用于替换整个根式。

幂数的最小公倍数,令,则

,令,则

,令,则,故原式

(2)倒代换:在分母次幂明显高于分子次幂时可以考虑令.

(3)欧拉代换:主要用来处理类似形式的根式,用来消去或根号内方程的一个实根。

这里三种代换的条件都满足,这里用欧拉第一代换,令,则,原式

,则

由于根号内的表达式的根是实数,这里使用欧拉第三代换,令,这里,且,则

其中最后一步用了化简。

(4)三角函数代换:用来处理形如等情况,用于消去根号。有时平方也可以这样换。

(5)双曲函数代换

(6)区间再现

为消去,使用区间再现公式,令,则

出现了原来的积分,因此

3、分部积分法

口诀是“反对幂指三”,当然,其他情况也可以用分部积分。如果出现重复项的化,可以移项,然后通过解方程解出积分的值。

根据口诀“反对幂指三”,优先尝试把指数放进后面,

由于分母有平方,可以试着用分式求导公式计算:由于,故

,积分分成两部分

其中

其中

4、利用函数周期性、奇偶性

的半周期为,由于,即余弦函数在其半周期上的积分等于零,故.

由于,故

由于,再根据华理士(Wallis)公式,有

由于,以及,故

由于是奇函数,故

由于周期是对称的,考虑能否用奇偶性,因为,所以被积函数是奇函数,故积分为零,即

由于是奇函数,且积分区域对称,故此项积分为0;

由于是偶函数,故

其实恰好就是半径为2的、圆心在原点的圆在第一象限的面积,可以不用换元直接计算。

5、三角函数恒等变换

  1. 凑微分常见的技巧有:

    同理,其他情况下也可以尝试用平方差公式让分母升幂,比如分母是,可以分子分母同乘以,变成,然后把变成,再分子分母同除以,变成关于的函数。

  2. 没有思路时可以尝试用万能公式,令,则

  3. 如果万能公式也不能用,①若被积函数是关于的奇函数,则令;②若被积函数是关于的奇函数,则令;③若被积函数关于都是偶函数,令,则

可以使用和差化积公式,得

可以使用万能公式,令,则

,使用万能公式不好做,不难发现被积函数关于都是偶函数,可以尝试令,则