单变量微积分笔记

根本思想是在趋向极限的过程中,以直代曲

 

无穷小的来源和无穷小与极限的关系

1. \varepsilon在极限里的意思是不断缩小的观察范围。不断缩小观察范围,如果提高放大倍数,时间还在观察范围内,这就是收敛的极限。

2. 无穷小/大的不是数,而是函数如数列和函数。

3. 无穷大意味着没有极限。

4. 在自变量的同一变化过程中,如果f(x)的极限是无穷大,那么\frac{1}{f(x)}的极限是无穷小。如果f(x)的极限是无穷小,并且f(x)\neq 0,那么\frac{1}{f(x)}的极限是无穷大

5. 极限的性质分为:唯一,有界,保号。分别描述的是函数在去心邻域内只存在一个极限,在去心邻域内内有界,正负相同。

6. 极限可表示为无穷小的代数\\ \underset{x\rightarrow x_{0}}{lim}f(x) = L \\ f(x) =L+\alpha, 其中\alpha 为无穷小为无穷小。可以看成差值为无穷小。

7. 无穷小的运算法则:有限个无穷小相加还是无穷小。有界乘于无穷小还是无穷小。

8. 无穷小的分配律:根据6可以推出\\ limf(x)\pm g(x)=lim (A+\alpha) \pm (B+\beta) \\ =A\pm B+lim(\alpha \pm \beta ) =A\pm B=limf(x)\pm limg(x)\\ \\ limf(x)g(x)=lim(A+\alpha )(B+\beta ) \\ =lim(AB+\alpha B+\beta A+\alpha \beta )\\ =AB+lim(\alpha B+\beta A+\alpha \beta ) = AB=limf(x)limg(x)\\ \\ B\neq 0\\ lim\frac{f(x)}{g(x)} = lim\frac{A+\alpha}{B+\beta} = \frac{A}{B}+limxx\\=\frac{limf(x)}{limg(x)}

9.多项式的极限是分母和分子都化成无穷小的函数。

10.复合函数的极限。\\ lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)=u_{0},lim_{u\rightarrow u_{0}}g(u) = L,\\ x\in U^{\circ}(x_{0},\delta ),g(x)\neq u_{0}\\ lim_{x\rightarrow x_{0}}f(g(x))=L?

\frac{0}{0}形势的极限

11.8中上下分母都为无穷小(一般为三角函数),那么这时用夹逼定理求极限。在x_{0}的去心邻域内,\\ h(x)<f(x)<g(x),lim_{x\rightarrow x_{0}}h(x)=L,lim_{x\rightarrowx_{0}}g(x)=L\\ lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)=L

 

12. 无穷小的比较比较的是哪个接近0的速度更快,从而分出高阶,同阶,低阶,等价。从而可以进行计算。\\ \alpha \sim \alpha_{1}\\ \beta \sim \beta_{1}\\ lim\frac{\alpha}{\beta}=lim\frac{\alpha_{1}}{\beta_{1}}

趋于无穷的极限lim_{x\rightarrow \varpi }(1+\frac{1}{x})^{x}

13. 单调有界数列/函数有极限

14. lim_{n\rightarrow \varpi }(1+\frac{1}{n})^{n}单调有界,则有极限,定义其极限为e = 2.74。由夹逼定理可得lim_{x\rightarrow \varpi }(1+\frac{1}{x})^{x}的极限也是e。

解决连续

15. 连续的定义:如果一个函数在某个邻域内有定义,并且lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x) = f(x_{0}),则函数在这一点连续。即:

f(x_{0}+\Delta x)f(x_{0})之间的距离要多小有多小,没有缝隙的黏在一起。

解决间断

16. 间断的情况:f(x)x_{0}的去心邻域内有定义,

                     1)f(x)x_{0}上有定义,即f(x_{0})存在

                     2)f(x)x_{0}上有定义,即f(x_{0})存在,lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)不存在

                     3)f(x)x_{0}上有定义,即f(x_{0})存在,lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)不存在,lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)\neq f(x_{0})

17.间断可分为两类:第一类:可去间断点和跳跃间断点     左右极限存在

                                  第二类:其他间断点                           左右极限不存在

18. 连续的运算:连续函数的四则运算结果也连续。连续函数的初等复合函数也连续。连续函数的反函数也连续。如果运算中有一个函数有间断,则连不连续需要判断。

微分和导数

19. 什么是微分?

微分是对差分的线性近似。差分是把原概念分为无数多份的其中一份。微分和差分都是无穷小。因此可以近似替代。S = \sum lim \Delta S=\sum lim dS

20. 什么是切线,什么是切线的斜率,怎么计算?

切线是割线的极限,切线斜率是割线斜率的极限

f^{'}(x_{0}) = lim_{\Delta x \rightarrow 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}

怎么定义微分?什么是可微?

21. 微分函数:将坐标系原点移到(x_{0},y_{0})处,该点切线的函数

   h(x)=f^{'}(x_{0})\Delta x

用微分算子完成这一映射

f(x)\rightarrow h(x)

即:dy|_{x=x_{0}}=df(x)|_{x=x_{0}} = f^{'}(x_{0})\Delta x

即可以写成:dy=f^{'}(x_{0})dx

dy是对\Delta y的近似,也是线性映射。

22. 微分定义:函数在魔偶一区间内有定义,x_{0}x_{0}+\Delta x在此区间内,如果函数增量\Delta y=f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})可以表示为\Delta y=A\Delta x+o(\Delta x)(可导),则称f(x)x_{0}是可微的。A\Delta x叫做函数y=f(x)在点x_{0}相应于自变量增量\Delta x的微分(转移坐标系),记作dy(做映射)。即:

dy=A\Delta x

23.由22看出,可导与可微是充分必要关系。

24. 导函数:导函数是定义域各点上的斜率。

25. D算子,表示的是原函数到导函数的映射。算子表示的是函数之间的映射。

     D(f(x)) = f^{'}(x)=\frac{df(x)}{dx}

26. 函数的微分

    在定义域各点上的微分

   dy = h(x,dx) = f^{'}(x)dx

27. 可导一定连续,反过来不一定成立。

28. 反函数的导数是什么?

f^{-1}^{'}(x)=1/f^{'}(x), 证明可以将f(x)代入。也可以根据反函数与原函数关于y=x对称来证明。

29. 什么是隐函数?

隐函数就是不能显示的说y=什么x.

根据函数的定义,x的所有元素都由y 相对应。每一个x对应唯一一个Y.。那么很多在全部定义域内并不符合,只在一个区间内符合函数的定义,我们称作邻域内的隐函数。

30. 最值和极值

在定义区间上大于等于任一点的值称为最值。

在某一去心邻域内大于任意一点称为极值。

如果是极值并且在该点可导,那么这一点的导数为0.

在闭区间的两端的导数如果不相等,在么在这个区间肯定存在一点的导数在这两个点的导数之间。

即,导函数一定满足介值性。

31. 罗尔中值定理

讲的是如果一个函数在开区间可导,闭区间连续,并且在闭区间两端的函数值相等。那么这个区间内一定有一个点的导数为0.

证明分两种情况。第一种情况是这个区间上的函数最大值与最小值相等。则导数在区间上恒为0。第二种情况是最大值和最小值都存在且不相等,那么一定有一个是在两端的。另一个最值则是极值,并且因为在该点可导,根据费尔引理可知,该点导数为0。

32. 微分中值定理(拉格朗日中值定理)

 

讲的是在一段路程中,一定有一点的速度和平均速度相等。或者是一定有一点的切线与两端连线平行。这个定理是罗尔中值定理的旋转。正如同介值定理是零点定理的平移。\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{'}(\xi )

证明时用了一个辅助函数,该函数在两端的值相等且为0,那么根据罗尔中值定理,一定会有一点的导数为0.即可得出拉格朗日中值定理。

可以用这个定理判断函数增减。

33. 柯西中值定理

一个函数的变量x,y都可以用一个函数来表示,那么根据微分中值定理有\frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\frac{f'(\xi )}{F(\xi )}

证明是用辅助函数证明的。

柯西中值定理 ,微分中值定理,罗尔中值定理之间的关系是这样的:

\frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\frac{f'(\xi )}{F(\xi )}        F(\xi )\rightarrow X      \frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{'}(\xi )           f(b)=f(a)\rightarrow      f'(\xi )=0

 

34. 洛必达定理

洛必达定理是求lim_{x \rightarrow x_{0}/\varpi }\frac{0}{0}, 即当\\lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)=0\\lim_{x\rightarrow x_{0}}g(x)=0,求这时的\frac{f(x)}{g(x)}。这里用函数变化率的比值来代替。可以用柯西中值定理来证明。

其他不是零比零形式的可以变换到这种形式求解。

35. 牛顿插值法和泰勒多项式

牛顿插值法和泰勒多项式都是想对一系列数据的映射f(x)的近似。

牛顿插值法是每增加一个数据都会增加一个多项式\\b_{n}\prod_{n}^{i=0}(x-x_i) \\ b_{n}=\frac{f[x_{0},...,x_{n}]-f[x_{0},...,x_{n-1}]}{x_{n}-x_{0}}

泰勒多项式是令这n个点等距,并且间隔lim\Delta{x}=0

p_n=lim_{\Delta x \rightarrow 0} f(x)=f(x_{0})+f^{'}(x_{0})(x-x_{0})+...+\frac{f^{n}(x_{0})}{(n)!}(x-x_{0})^{n}

那么f(x)可以用泰勒多项式和余项来表示。

f(x)=p_{n}(x)+R_{n}(x)

 

证:R_{n}(x)=o((x-x_{0})^{n})\\ R_{n}(x_{0})=R_{n}^{'}(x_{0})=..=R_{n}^{(n)}(x_{0})=0\\ lim_{x\rightarrow x_{0}}\frac{R_{n}}{(x-x_{0})^n}=lim_{x\rightarrow x_{0}}\frac{R_{n}^{(n)}(x)}{n!}=\frac{R_{n}^{(n)}(x_{0})}{n!}=0

R_{n}(x)=\frac{f^{n+1}\left ( \xi \right )}{\left ( n+1 \right )!}(x-x_{0})^{n+1}\\ \frac{R_{n}(x)-R_{n}(x_{0})}{(x-x_{0})^{n+1}-(x_{0}-x_{0})^{n+1}}=\frac{R_{n}^{n}(x)}{(n+1)!}

余项可以用来判断函数值的范围

泰勒公式的用途:更容易处理\frac{0}{0}类型极限或找到一些函数的范围

36. 用导数判断极值点

极值的定义是该点的值大于(小于)去心邻域内所有点的值。

第一种判断方法:根据导数定义,可以证明,极大值点去心邻域内左边的导数大于0,右边点的导数小于0。

第二种判断方法:如果一点导数为0,根据泰勒展开,可以证明,如果该点二阶导数大于0,那么邻域内所有点的值大于该点的值,该点位极小值。同理可证极大值。如果二阶导数为0或不存在,则既不是极小也不是极大值。

37. 用导数判断凹凸性和拐点

 

弦的方程:g(x)=f(x_{1})+\frac{f(x_{2})-f(x_{1})}{x_{2}-x_{1}}(x-x_{1})

曲线方程:f(x)

凹的地方是弦在曲线上面。f(x)<g(x)

凸的地方是弦在曲线下面。f(x)>g(x)

如果函数为凹函数,

x_{1}<x<x_{2},\frac{x_{2}-x}{x_{2}-x_{1}}=\lambda ,\lambda \in (0,1)\\ x=\lambda x_{1}+(1-\lambda)x_{2},可以得到f(\lambda x_{1}+(1-\lambda)x_{2})<\lambda f(x_{1})+(1-\lambda)f(x_{2})

\lambda =\frac{1}{2}, 则f(\frac{x_{1}+x_{2}}{2})<\frac{1}{2} f(x_{1})+\frac{1}{2}f(x_{2})

同理可说明凸函数的情况。

另一种判断凹凸的方式是二阶导数。证明是通过拉格朗日中值定理来证明的。总的来说是二阶导数大于零,曲线在弦的下面,是凹函数。二阶导数小于0,那么弦在曲线下面,是凸函数。

拐点是两边凹凸不一致的点。数学上来讲,就是该点二阶导数为0,左边右边二阶导数都不为0并且正负号不同。

 

积分是什么?

38. 积分就是以直代曲的另一个应用。不过微分我们近似的是函数值,用导数(切线的斜率)和自变量的增量乘积来近似。积分近似的是函数曲线下的面积,用函数值和自变量的增量乘积的和来近似。

定义就是,把某段区间划分为n份,\lambda为最大的划分间隔。如果lim_{\lambda \rightarrow 0}\sum _{i=1}^{n}f(\xi _{i})\Delta x_{i}这个极限存在,那么函数曲线与横轴构成的面积可以用该极限来近似。\int_{a}^{b}f(x)d(x)=S_{a}^{b}f(x)dx=lim_{\lambda \rightarrow 0}\sum _{i=1}^{n}f(\xi _{i})\Delta x_{i}。这里的间隔划分可以随意,但为了方便或者怎样,一般都是等间隔划分。这里的关键是该极限存在。

39. 积分的性质有哪些可以推出来?

因为积分是乘积和的极限,如38所示。很容易可以推出齐次性,可加性,面积有正负,面积的大小和函数有关,积分可以分解为在两个区间上的积分。

由极限又可以推出,积分面积大于最小面积m(b-a),小于最大面积M(b-a),那么一定存在一个\varepsilon \in (a,b).f(\xi )(b-a)=S

40. 积分函数是什么,积分函数的导数是什么?

积分函数是积分区间上限是一个自变量。

那么根据导数定义可以证明,积分函数的导数是用来积分的函数,称为导函数,积分函数称为原函数。

牛顿-莱布尼兹公式讲的就是积分可以用原函数来计算。

41. 原函数与积分上限函数的关系是什么?什么是不定积分?不定积分和原函数的关系是什么?

当函数连续时,原函数就是积分上限函数。不连续时,这两个之间不能划等号。

不定积分就是下限不确定的积分,即\int f(x)=\int_{a}^{x}f(x)=\int_{0}^{x}f(x)-\int_{0}^{a}f(x)=F(x)+C

 

42. 积分的一些技术以及其证明

第一类换元法和第二类换元法的证明都是单变量微积分笔记_第1张图片

分部积分法则证明是\\(uv)^{'}=u^{'}v+uv^{'}\\ \int uv^{'}dx=\int ((uv)^{'}-u^{'}v)dx=uv-\int u^{'}vdx

43. 判断反常积分是不是收敛?

反常积分是积分区间包含无穷的函数的积分。要么自变量趋向无穷,要么函数值趋向无穷。

即:\\ lim_{x\rightarrow \varpi }\int_{a}^{x} f(x)=lim_{x\rightarrow \varpi }F(x) - F(a) \\ lim_{x->a}f(x)=\varpi ,\int_{a}^{b} f(x)= F(b)-lim_{x\rightarrow a }F(a)

因此证的关键是lim_{x\rightarrow \varpi }F(x) , lim_{x\rightarrow a }F(x)存不存在。f(x)>0。

证明极限是否存在,第一种是看其是否单调有界。第二种看她如果大于一个函数,那个函数是发散的,那么这个F(x)也是发散的。如果小于某个函数且收敛,那么该函数极限也是存在的。

第三种是f(x)与x^{-p}比较。p>1,该函数积分收敛。p\leqslant 1,该函数积分发散。这里用lim\frac{f(x)}{x^{-p}}=c?

 

44. 微分方程是什么?微分方程的通解和特解是个啥?

微分方程是含有导函数和未知变量的方程,想要求解到的是该导函数的原函数。导数的原函数是一系列的函数\int f(x)=F(x)+C,可以看成一个线素场。这一系列的原函数称为该方程的通解。如果原函数经过特定点,那么可以得到特解F(x)+C_{1}。此外,通解也不一定代表该微分方程的所有解。

45. 什么是线性方程?

变量次方数为一次的是线性。分为齐次方程和非齐次方程。这样来看,矩阵也是线性方程。D算子可以用矩阵来表示。列向量分别表示x的不同阶数。那么三阶的D算子应为\\0 1 0\\ 002\\ 000\\


\iota =a_{0}+a_{1}D+a_{2}D^{2}+...+a_{n}D^{n}称为微分算子,是矩阵,也是线性函数。

46. 微分方程的解得结构是什么?

由于可以把D当做矩阵,那么就是求线性方程组的解。如果是齐次微分方程,通解可以直接的出;如果是非齐次微分方程,解由通解和特解构成。

46. 怎么求解常系数微分方程?

D的特征向量是e^{rx}(如果把D当做举阵的话),特征值为r. 因为De^{rx}=re^{rx}

常系数齐次微分方程的求解就是:\left ( a_{0}+a_{1}D+a_{2}D^{2}+...+a_{n}D^{n} \right )e^{rx}=(a_{0}+a_{1}r+a_{2}r^{2}+...+a_{n}r^{n})e^{rx}=0*e^{rx}

即求通解。找出r的值,找到特征向量。通解即是特征向量的线性组合。

怎么求非齐次变系数微分方程?

\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)

先求出齐次方程的通解。再令解为u(x)*通解(常数变易),代入方程,求出u(x)。

如果是这种形式:\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^{n},则变换为正常形式:\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^{n}\\ \rightarrow y^{-n}\frac{dy}{dx}+P(x)y^{1-n}=Q(x)\\ \rightarrow\frac{1}{1-n} \frac{dy^{1-n}}{dx}+P(x)y^{1-n}=Q(x)\\ \rightarrow \frac{dy^{1-n}}{dx}+(1-n)P(x)y^{1-n}=(1-n)Q(x)\\ \rightarrow z=y^{1-n} \rightarrow \frac{dz}{dx}+(1-n)P(x)z=(1-n)Q(x),即可以正常求解。

如果是这种形式:x^{n}D^{n}(y)+x^{n-1}D^{n-1}(y)+...+xD(y)+y=Q(x), 则变为正常形式:x=e^{t},t=ln(x)\\ D^{n}(y)=\frac{dy^{n}}{dx^{n}}=\frac{1}{x^{n}}(D)(D-1)...(D-n+1)\left \langle D=dy/dt \right \rangle

x^{n}D^{n}(y)+x^{n-1}D^{n-1}(y)+...+xD(y)+y=Q(x)\\ \rightarrow D^{n}(y)+D^{n-1}(y)+...+D(y)+y=Q(t),既可以正常求解

 

 

 

 

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