一些遗漏的习题:T48、54、60~64、65、67~71

极限求解

数列、函数极限求解

就是一些常规方法:指、对、洛、等价(泰勒展开)

但要注意化简问题,如对于带根号的分式求极限,首先一定要考虑分子/分母有理化

对于数列,有时还有数学归纳法和放缩法的运用

泰勒展开求极限

泰勒展开的本质:通过 +/- 项使多项式逼近原函数

泰勒展开举例:就是对部分项展开,化简多项式,然后正常求极限

1、栗子一,对于下列极限

limx+(1+1x)x2ex=limx+ex2ln(1+1x)ex=limx+ex2ln(1+1x)x \lim_{x\rightarrow+\infty}\frac{(1+\frac{1}{x})^{x^2}}{e^x} = \lim_{x\rightarrow+\infty}\frac{e^{x^2ln(1+\frac{1}{x})}}{e^x} = \lim_{x\rightarrow+\infty}e^{x^2ln(1+\frac{1}{x})-x}
对于指数部分
x2ln(1+1x) x^2ln(1+\frac{1}{x})
有泰勒展开
limx0ln(1+x)=xx22!+... \lim_{x\rightarrow0}ln(1+x) = x-\frac{x^2}{2!}+...
所以有
limx0ln(1+1x)=1x12x2+o(x2) \lim_{x\rightarrow0}ln(1+\frac{1}{x}) = \frac{1}{x}-\frac{1}{2x^2}+o(x^{-2})
进一步有
x2ln(1+1x)x=x12x=12 x^2ln(1+\frac{1}{x}) - x = x - \frac{1}{2} - x = -\frac{1}{2}
故极限为
e12 e^{-\frac{1}{2}}
2、再举一个栗子
limx0ax2+bx+1ex22xx2=2 \lim_{x\rightarrow0}\frac{ax^2+bx+1-e^{x^2-2x}}{x^2} = 2
对于
ex22x1+(x22x)+(x22x)22+o(x2) e^{x^2-2x} \Rightarrow 1+(x^2-2x)+\frac{(x^2-2x)^2}{2}+o(x^2)
只留小于等于 x 平方的项(更高阶的无穷小对于分母 x 方将等于 0),得
ex22x=1+3x22x+o(x2) e^{x^2-2x}= 1+3x^2-2x+o(x^2)
故原式可化为
limx0(a3)x2+(b+2)xx2=2 \lim_{x\rightarrow0}\frac{(a-3)x^2+(b+2)x}{x^2} = 2
所以有a-3 = 2, b = -2(x 前的系数一定要为 0,否则极限将为无穷)

连续、可导和可积

可导条件

T153

可导的两要素:连续(极限)、左右导数(连续不一定可导,可导一定连续)

连续不一定可导:连续指函数值连续,可导指函数导数连续(左右导数相等)

f(x) 连续,一定有 |f(x)| 连续,反之不成立

f(x)连续f(x)连续 f(x) 连续\Rightarrow |f(x)|连续
f(x) 可导,一定有 f(x^2) 可导,反之不成立,后者相当于前者的右导数
f(x)可导f(x2)可导 f(x) 可导\Rightarrow f(x^2)可导
f(x) 可导,|f(x^2)| 不一定可导

可积条件

T176、177、179、180、181

可积的三要素:连续、有界、间断点(可积不一定连续,连续一定可积)

可积的条件

  • 充分但不必要:连续
  • 充要:函数在范围内有界且在范围内间断点有限

如对于无界函数

f(x)={tanx,x(π2,π2)0,x=±π2 f(x) = \begin{cases} tanx, x\in(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2})\\ 0,\,x=\pm\frac{\pi}{2} \end{cases}
显然 tanx 在区间内无界,直接判死刑,不可积

如对于不连续函数

f(x)=sgnx={1,x>00,x=01,x<0 f(x) = sgn\,x = \begin{cases} 1,\,x>0\\ 0,\,x=0\\ -1,\,x<0 \end{cases}
显然可积,所以不连续不一定不可积

还有,不可积的函数线性加上可积函数的复合函数,一定不可积,基于上述性质很容易理解

积分求导

一元积分导数

一元积分求导

0x2f(2u1)du \int_0^{x^2}f(2u-1)du
先进行换元,注意换限
120x2f(2u1)d(2u1)=1212x21f(t)dt \frac{1}{2}\int_0^{x^2}f(2u-1)d(2u-1) = \frac{1}{2}\int_{-1}^{2x^2-1}f(t)dt
最后再进行求导,对于复合限,一定要链式求导,常数限不用管(导为 0,消失了)
[1212x21f(t)dt]=12f(2x21)4x [\,\frac{1}{2}\int_{-1}^{2x^2-1}f(t)dt\,]’ = \frac{1}{2}f(2x^2-1)4x

二元积分偏导

积分偏导

g(xy)=1xyf(t)dt g(xy) = \int_1^{xy}f(t)dt
则有
fx=f(xy)y \frac{∂f}{∂x} = f(xy)\,y

连续积分求导

T193

对于二重积分

0x(0u2ln(1+t2)dt)du \int_0^x(\int_0^{u^2}ln(1+t^2)dt)du

导函数和原函数的联系

定理一:导函数 f(x) 若在 (a, b) 内连续,则原函数 F(x) 一定在 (a, b) 内可导且导数等于 f(x)

这里有点怪,既然已经知道了导函数,为什么还要说原函数有可能不可导呢?主要是由于区间限制,如

f(x)={4+xx>00x=01xx<0 f(x) = \begin{cases} \sqrt{4+x}&x>0\\ 0&x=0\\ \sqrt{1-x}&x<0 \end{cases}
在各自区间内,均可以积分得到原函数 F(x),注意这里大于 0 和小于 0 的区间均开口,也就是说这两个区间内对应的原函数,根本不管 0 这个点的是否可导,而是通过分段的方式令其强行导函数值存在

故实际上 F(x) 在 x = 0 处左右导数并不相等,故该点不可导,只是对他的导函数 f(x) 进行了手动的分段处理,强行使 x = 0 处函数值相等

或者根据定理一也可以做出判断

这里 f(x) 在 x<0 和 x>0 的区间内均连续,所以在各自区间内一定有 F'(x) = f(x),于是

F(x) 有右导数

F+(0)=f+(0)=limx0+f(x)=4+0+=2 F'_+(0) = f_+(0) = \lim_{x\rightarrow0^+}f(x) = \sqrt{4+0^+}=2
左导数
F(0)=f(0)=limx0f(x)=10=1 F'_-(0) = f_-(0) = \lim_{x\rightarrow0^-}f(x) = \sqrt{1-0^-}=1
故 F(x) 在 x = 0 处左右导数不等,不可导

极值点和拐点的判定

极值点和拐点的判定从来不是等于 0,而是导函数正负号的突变,如在间断点 x0 左边导函数 f(x) 小于零,右边 f(x) 大于零,那么 x0 就是一个 F(x) 的极小值点(而这个点根本就没有定义)

从表面来看,拐点的判定有以下特征

  • 从原函数来看,其凹凸性发生突变
  • 从一阶导函数来看,原函数的拐点为一阶导的一个极值点
  • 从二阶导函数来看,在拐点左右其正负值发生突变(根本原因)

一定要抓住:正负值突变是取极值或拐点的本质原因,而间断点和极值点/拐点并没有必然联系,导函数为 0 和极值点/拐点也没有必然联系

不定积分和定积分

积分大小判定和中值定理

T184、185

考虑被积函数的大小,结合中值定理

(ba)f(ξ)=abf(x)dxξ(a,b) (b-a)f(\xi) = \int_a^bf(x)dx\quad \xi\in(a,b)
比如对于函数
f(x)=sinxxx(0,π2) f(x) = \frac{sinx}{x}\quad x\in(0,\frac{\pi}{2})
根据导函数
f(x)=xcosxsinxx2<0 f'(x) = \frac{xcosx-sinx}{x^2} < 0
可知,其最小值取在区间的末尾,即
fmin(x)=f(π2)=2π f_{min}(x) = f(\frac{\pi}{2}) = \frac{2}{\pi}
故积分根据中值定理,一定满足
0π2f(x)dx(π20)fmin=1 \int_0^{\frac{\pi}{2}}f(x)dx \geq (\frac{\pi}{2}-0)f_{min} = 1
对于这种一眼能看出函数值大于 1 的函数
f(x)=xsinx>sinxx f(x) = \frac{x}{sinx} > \frac{sinx}{x}
一定有
0π2xsinxdx>0π2sinxx1 \int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{x}{sinx}dx > \int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{sinx}{x} \geq 1

反常积分的收敛判断

定积分要求

  • 积分区间有界
  • 被积函数有界

而反常积分即为破坏上述任意一个条件的定积分,分为

  • 无穷限积分
  • 瑕积分:被积函数在某点无界,该点称为瑕点,如 lnx 在 x=0 处

就是积分,然后判断瑕点是否积分值是否存在(不存在即为趋于无穷),或判断无穷限时,函数值是否存在

三角积分

sinx 分之一的积分,通过手动对补一个 sinx,分母通过 1 化为 cosx,分子放在微分符号后面,积为 cosx,然后对这个 cosx 进行拆分,并进行对数积分,得到结果

  • cosx 是对 sinx 对数积分,分子为 +,分母为 -
  • sinx 是对 cosx 对数积分,分子为 -,分母为 +

别忘了系数 1/2

等价于

根号下三角函数处理,通过倍角公式消去 1 以及用平方抵消根号

1cosx=1(12sin2x2)=2sinx2 \sqrt{1-cosx} = \sqrt{1-(1-2sin^2\frac{x}{2})} = \sqrt2sin\frac{x}{2}

举个栗子

常见积分技巧

e 的 y 次方的积分次序交换

对于二重积分

01dxx1ey2dy \int_0^1dx\int_x^1e^{y^2}dy
这个 y 方根本分部不掉,考虑积分域,x/y 进行对换,可得
01dy0yey2dx \int_0^1dy\int_0^ye^{y^2}dx
这样就可以啦

巧用分部积分

对一个二重积分使用分部积分

微积分物理应用

参数方程旋转体

旋转体体积求解,其实和普通方程一样,普通方程公式为

πaby2dx \pi\int_a^b y^2dx
其中 (a,b) 为自变量 x 的取值范围

化为参数方程即为

πt1t2y2(t)dx(t) \pi\int_{t_1}^{t_2}y^2(t)\,dx(t)
其中上下限为 t 的取值范围,微分符号后的 x(t) 需要手动导出来,令自变量为单纯的参数 t

旋转体面积求解,首先要明确弧长公式

s=x(t)2+y(t)2dt s = \int\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt
对于旋转体的圆形切片周长(圆柱的底面周长)在弧上积分可得其表面积
2πy(t)x(t)2+y(t)2dt 2\pi\int|y(t)|\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt
注意这里的表面积,在实际求解中,是将内外表面积相加,若两个函数分别为上下限,则要分别求其表面积(内外),再相加

梯度和方向导数

对于一个多元函数,其梯度为各偏导组成的一维向量,如

f(x,y)=x2+2x+y2+y+1 f(x,y) = x^2+2x+y^2+y+1
其有偏导
fx=2x+2fy=2y+1 \frac{∂f}{∂x} = 2x+2\quad \frac{∂f}{∂y} = 2y+1
故其梯度为
grad(f)=[2x+2,2y+1] grad(f) = [2x+2,\,2y+1]
代入具体点位,可得
grad(f)(1,1)=[4,3] grad(f)_{|(1,1)} = [4, 3]
对于方向(一个一维向量)
l=[1,7] l = [1,7]
则有方向导数
grad(f)lT=2x+2+14y+7=2x+14y+9 grad(f) \cdot l^T = 2x+2+14y+7 = 2x+14y+9
代入任意点位,如 (1,2),其有关于 l 的方向导数为 39

质心

在二维坐标系下,一个图形的质心的横坐标为

x=x(t)x(t)2+y(t)2dtx(t)2+y(t)2dt \overline{x} = \frac{\int x(t)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt}{\int\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt}
纵坐标为
y=y(t)x(t)2+y(t)2dtx(t)2+y(t)2dt \overline{y} = \frac{\int y(t)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt}{\int\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt}

空间解析几何

内积和叉积

当两向量垂直(其夹角为 90°),二者的叉积的模长等于两向量模长之积

c=absin<a,b> |c| = |a|\,|b|\,sin<a,b>

举个栗子

此时已知 a、b、c 两两垂直,且

a=bcc=aba=ab2b=1 |a| = |b|\,|c|\quad |c|=|a|\,|b|\longrightarrow |a|=|a|\,|b|^2 \Rightarrow |b| = 1
|a|+|b|+|c| = 1+1+1 = 3

用内积可以求两直线夹角

ab=abcos<a,b> ab=|a|\,|b|\,cos<a,b>
点积结果等于两向量模长乘积乘以夹角的cos值

求解投影

对于平面来说,其法向量就是各未知数前系数所组成的向量,如

axby+cz+d=0n=(a,b,c) ax-by+cz+d = 0\Rightarrow \mathop{n}^{\rightarrow}=(a,-b,c)
对于用两个平面方程表示的直线(直线的交线形式),其有方向向量
{2y+3z5=0x2yz+7=0s=ijk023121=(4,3,1) \begin{cases} 2y+3z-5=0\\ x-2y-z+7=0 \end{cases} \Rightarrow \mathop{s}^{\rightarrow}= \left | \begin{matrix} i&j&k\\ 0&2&3\\ 1&-2&-1 \end{matrix} \right | = (4,3,-1)
对于直线的点斜式,其方向向量自然等于其系数向量,如
L:x+11=y31=z2s=(1,1,2) L:\frac{x+1}{1}=\frac{y-3}{1}=\frac{z}{2}\Rightarrow\mathop{s}^{\rightarrow}=(1,1,2)
注意当直线的方向向量和平面的法向量垂直(内积为 0),有直线平行于平面

通过直线的方向向量和平面的法向量,可以做出一个垂直于平面的新平面

  • 通过方向向量和原平面法向量叉积求出新平面的法向量
  • 再通过直线上一点列出平面方程

这里新平面和原平面的交线,也就是直线在原平面上的一个投影,当然可以用新旧两平面交线形式表达出来

通过 L 方程可求其方向向量

s=ijk023121=(4,3,1) \mathop{s}^{\rightarrow}= \left | \begin{matrix} i&j&k\\ 0&2&3\\ 1&-2&-1 \end{matrix} \right | = (4,3,-1)
过这个方向向量和平面 Ⅱ 的法向量,可以确定一个过直线 L 的垂直于平面 Ⅱ 的平面,记为平面 Ⅰ,平面 Ⅰ 的法向量一定满足
s=ijk431113=(1,2,1) \mathop{s}^{\rightarrow}= \left | \begin{matrix} i&j&k\\ 4&3&-1\\ 1&-1&3 \end{matrix} \right | = (1,-2,-1)
过 L 上一点 P(0,4,-1),可得平面 Ⅰ 方程
x2(y4)(z+1)=0x2yz+7=0 x-2(y-4)-(z+1)=0\Longrightarrow x-2y-z+7=0
已知 L 在平面 Ⅱ 的投影即为平面 Ⅰ 和平面 Ⅱ 的交线,故投影 L' 为
L={x2yz+7=0xy+3z+8=0 L'=\begin{cases} x-2y-z+7=0\\ x-y+3z+8=0 \end{cases}

法向量、方向向量和平行平面

求解与某平面平行且与某直线相交且过某点的直线方程

求解步骤如下

  • 过点 P 做平面 Ⅰ 的平行平面 Ⅱ,易知 Ⅱ 上任何直线均平行于 Ⅰ
  • 只要在 Ⅱ 上找到一条过 P 和 L 的直线,即为题目所求
    • 先要找到直线 L 和平面 Ⅱ 的交点 Q
    • 通过直线上两点,即 P 和 Q,写出直线方程

Ⅱ 方程可以直接写出

3(x+1)4y+(z4)=03x4y+z+1=0 3(x+1)-4y+(z-4) = 0\Longrightarrow 3x-4y+z+1=0
联立 Ⅱ 方程和直线 L 方程可得交点 Q(15,19,32),通过两点作直线方程
k=(15+1,190,324)=(16,19,28) k=(15+1,19-0,32-4)=(16,19,28)
故通过方向向量和经过的点 P,可以写出所求直线方程 L'
L:x+116=y19=z428 L':\frac{x+1}{16}=\frac{y}{19}=\frac{z-4}{28}

空间中两点直线方程

已知 P Q 两点为

P(a1,b1,c1)Q(a2,b2,c2) P(a_1,b_1,c_1)\quad Q(a_2,b_2,c_2)
则直线 PQ 可表示为
xa1a2a1=yb1b2b1=zc1c2c1 \frac{x-a_1}{a_2-a_1}=\frac{y-b_1}{b_2-b_1}=\frac{z-c_1}{c_2-c_1}
直线平行于平面,其斜率一定相等,若还已知一点,则可通过点斜式写出直线方程

求解旋转体方程

总体来说,是一个设原点,根据旋转特性列方程,消除原点未知数的过程

设 L 上任意一点P(x0,y0,z0),经旋转后到达点Q(x,y,z),二者坐标一定满足

{z0=z(x02)2+(y03)2=(x2)2+(y3)2 \begin{cases} z_0=z\\ (x_0-2)^2+(y_0-3)^2=(x-2)^2+(y-3)^2 \end{cases}
另外因为 P 在直线 L 上,所以必有
x332=y013=z0+1 \frac{x_3-3}{2}=\frac{y_0-1}{3}=z_0+1
联立两个方程组消去(x0,y0,z0)即得关于(x,y,z)坐标满足的方程,即为所求曲面方程
x2+y213z24x6y18z+3=0 x^2+y^2-13z^2-4x-6y-18z+3=0

点到平面距离

对于平面ax + by + cz + d = 0和点(x,y,z),其距离为

d=ax+by+cz+dnn=a2+b2+c2 d=\frac{|ax+by+cz+d|}{|n|}\quad |n|=\sqrt{a^2+b^2+c^2}
空间中球的方程,圆心为(a,b,c),半径为r
(xa)2+(yb)2+(zc)2=r2 (x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2=r^2
和平面上相类似

求解标准平面上的柱面

就是把曲线的某一个自变量消掉,如把 z 消掉,即为在 xOy 平面上的柱面方程

直接通过第二个平面方程

z=x+32 z = \frac{x+3}{2}
把第一个平面中 z 消掉,得
x216+y24(x+3)222×5=1 \frac{x^2}{16}+\frac{y^2}{4}-\frac{(x+3)^2}{2^2\times5}=1
化简得
x2+20y224x=116 x^2+20y^2-24x=116
故选 A

共面、平行和重合