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# Math
考研数学一,包括高等数学、线性代数、概率统计
参考教材:
1. 张宇考研数学基础三十讲。
2. 李永乐数学基础过关660题。
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考研数学一,包括高等数学、线性代数、概率统计
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1. 张宇考研数学基础三十讲。
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\author{Didnelpsun}
\title{连续与间断}
\date{}
\begin{document}
\maketitle
\pagestyle{empty}
\thispagestyle{empty}
\tableofcontents
\thispagestyle{empty}
\newpage
\pagestyle{plain}
\setcounter{page}{1}
\section{连续}
连续则极限值等于函数值。
\subsection{求连续区间}
若要考察一个函数的连续区间,必须要了解函数的所有部分,一般会给出分段函数,所以要了解分段函数的每段函数的性质。
对于函数$f(x)$是个极限表达形式,我们要简化这个极限,最好得到一个$x$的表达式,从而才能判断其连续区间。\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}$,求函数连续区间。\medskip
注意到函数的形式为一个极限值,其极限趋向的变量为$n$$n\to\infty$$n\to+\infty$)。所以在该极限式子中将$x$当作类似$t$的常数。
需要先求出极限形式的$f(x)$,而$x$变量的取值会影响到极限,且求的就是$x$的取值范围。所以将其分为三段:
$x<0$时,$nx\to-\infty$$\therefore e^{nx}\to 0$$x^2$在这个极限式子为一个常数,$\therefore x^2e^{nx}\to 0$$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}=\dfrac{x+0}{1+0}=x$\medskip
$x=0$时,$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}=\dfrac{0}{2}=0$\medskip
$x>0$时,$e^{nx}$$n\to\infty$时为$\infty$,上下都有这个无穷大的因子,所以上下都除以$e^{nx}$$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}=f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{xe^{-nx}+x^2}{1+e^{-nx}}=\dfrac{0+x^2}{1}=x^2$\medskip
从而得到了$f(x)$关于$x$的表达式:\medskip
$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
x, & & x<0 \\
0, & & x=0 \\
x^2, & & x>0
\end{array}
\right.$\medskip
$\lim\limits_{x\to 0^-}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}x=\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}x^2=f(0)=0$
$f(x)$$R$上连续。
\subsection{已知连续区间求参数}
一般会给出带有参数的分段函数,要计算参数就必须了解连续区间与函数之间的关系。
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
6, & & x\leqslant 0 \\
\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}, & & x>0
\end{array}
\right.$$g(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{3\sin(x-1)}{x-1}, & & x<1 \\
e^{bx}+1, & & x\geqslant 1
\end{array}
\right.$\smallskip \\$f(x)+g(x)$$R$上连续,则求$a,b$
解:已知$f(x)+g(x)$$R$上连续,但是不能判断$f(x)$$g(x)$的连续性。
所以分开讨论。
对于$f(x)$因为左侧为常数函数,所以若是$f(x)$连续,则必然:\medskip
$\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}=6$\medskip
$\therefore\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}$\medskip
$=\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{ax^3}{x-\arcsin x}$\medskip
$\text{}t=\arcsin x\Rightarrow=\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{a\sin^3t}{\sin t-t}$
$=a\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{t^3}{\sin t-t}$\medskip
$=a\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{3t^2}{\cos t-1}=-6a=6$\medskip
$\therefore a=-1$$f(x)$$R$上连续。\medskip
对于$g(x)$,当$x<1$时,$\lim\limits_{x\to 1^-}\dfrac{3\sin(x-1)}{x-1}=\lim\limits_{t\to 0^-}\dfrac{3\sin t}{t}=3$\medskip
$\therefore\lim\limits_{x\to 1^+}e^{bx}+1=e^b+1=3$\medskip
$\therefore b=\ln 2$$g(x)$$R$上连续。\medskip
$\therefore a=-1,b=\ln 2$$f(x)+g(x)$$R$上连续。而$a\neq -1$$f(x)+g(x)$$x=0$时不连续,$b\neq\ln 2$$f(x)+g(x)$$x=1$时不连续。
\section{间断}
\subsection{求间断点}
\subsection{已知间断点求参数}
这种题目已知间断点,而未知式子中的参数,只用将间断点代入式子并利用极限计算间断点的类型就可以了。
\textbf{例题:}$f(x)=\dfrac{e^x-b}{(x-a)(x-b)}$有无穷间断点$x=e$,可去间断点$x=1$,求$ab$的值。
已知有两个间断点$x=a,x=b$,其中无穷间断点指极限值为无穷的点,可去间断点表示极限值存在且两侧相等,但是与函数值不相等的点。
已经给出两个间断点的值为$x=1$$x=e$,所以$ab$必然对应其中一个,但是不清楚到底谁是谁。
$a=1,b=e$时,$f(x)=\dfrac{e^x-e}{(x-1)(x-e)}$\medskip
$x\to 1$时,$\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{e^x-e}{(x-1)(x-e)}$$=\dfrac{1}{1-e}\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{e^x-e}{x-1}$$=\dfrac{e}{1-e}\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{e^{x-1}-1}{x-1}$$=\dfrac{e}{1-e}\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{x-1}{x-1}$$=\dfrac{e}{1-e}$\medskip
$\therefore x=1$为可去间断点。\medskip
$x\to e$时,$\lim\limits_{x\to e}\dfrac{e^x-e}{(x-1)(x-e)}$$=\dfrac{1}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{e^x-e}{x-e}$$=\dfrac{e}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{e^{x-1}-1}{x-e}$\medskip$=\dfrac{e}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{x-1}{x-e}$$=\dfrac{e(e-1)}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{1}{x-e}=\infty$\medskip
$\therefore x=e$为无穷间断点。\medskip
$a=e,b=1$时,$f(x)=\dfrac{e^x-1}{(x-e)(x-1)}$\medskip
而作为分子的$e^x-1$必然为一个常数,当式子趋向$1$$e$的时候分母两个不等式中的一个不等式必然为一个常数,从而另一个不等式则变为了无穷小,所以$\lim\limits_{x\to 1}f(x)=\lim\limits_{x\to e}f(x)=\infty$
$\therefore a=1,b=e$
\end{document}
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\author{Didnelpsun}
\title{连续与间断}
\date{}
\begin{document}
\maketitle
\pagestyle{empty}
\thispagestyle{empty}
\tableofcontents
\thispagestyle{empty}
\newpage
\pagestyle{plain}
\setcounter{page}{1}
\section{连续}
连续则极限值等于函数值。
\subsection{求连续区间}
若要考察一个函数的连续区间,必须要了解函数的所有部分,一般会给出分段函数,所以要了解分段函数的每段函数的性质。
对于函数$f(x)$是个极限表达形式,我们要简化这个极限,最好得到一个$x$的表达式,从而才能判断其连续区间。\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}$,求函数连续区间。\medskip
注意到函数的形式为一个极限值,其极限趋向的变量为$n$$n\to\infty$$n\to+\infty$)。所以在该极限式子中将$x$当作类似$t$的常数。
需要先求出极限形式的$f(x)$,而$x$变量的取值会影响到极限,且求的就是$x$的取值范围。所以将其分为三段:
$x<0$时,$nx\to-\infty$$\therefore e^{nx}\to 0$$x^2$在这个极限式子为一个常数,$\therefore x^2e^{nx}\to 0$$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}=\dfrac{x+0}{1+0}=x$\medskip
$x=0$时,$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}=\dfrac{0}{2}=0$\medskip
$x>0$时,$e^{nx}$$n\to\infty$时为$\infty$,上下都有这个无穷大的因子,所以上下都除以$e^{nx}$$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x+x^2e^{nx}}{1+e^{nx}}=f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{xe^{-nx}+x^2}{1+e^{-nx}}=\dfrac{0+x^2}{1}=x^2$\medskip
从而得到了$f(x)$关于$x$的表达式:\medskip
$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
x, & & x<0 \\
0, & & x=0 \\
x^2, & & x>0
\end{array}
\right.$\medskip
$\lim\limits_{x\to 0^-}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}x=\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}x^2=f(0)=0$
$f(x)$$R$上连续。
\subsection{已知连续区间求参数}
一般会给出带有参数的分段函数,要计算参数就必须了解连续区间与函数之间的关系。
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
6, & & x\leqslant 0 \\
\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}, & & x>0
\end{array}
\right.$$g(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{3\sin(x-1)}{x-1}, & & x<1 \\
e^{bx}+1, & & x\geqslant 1
\end{array}
\right.$\smallskip \\$f(x)+g(x)$$R$上连续,则求$a,b$
解:已知$f(x)+g(x)$$R$上连续,但是不能判断$f(x)$$g(x)$的连续性。
所以分开讨论。
对于$f(x)$因为左侧为常数函数,所以若是$f(x)$连续,则必然:\medskip
$\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}=6$\medskip
$\therefore\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}$\medskip
$=\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{ax^3}{x-\arcsin x}$\medskip
$\text{}t=\arcsin x\Rightarrow=\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{a\sin^3t}{\sin t-t}$
$=a\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{t^3}{\sin t-t}$\medskip
$=a\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{3t^2}{\cos t-1}=-6a=6$\medskip
$\therefore a=-1$$f(x)$$R$上连续。\medskip
对于$g(x)$,当$x<1$时,$\lim\limits_{x\to 1^-}\dfrac{3\sin(x-1)}{x-1}=\lim\limits_{t\to 0^-}\dfrac{3\sin t}{t}=3$\medskip
$\therefore\lim\limits_{x\to 1^+}e^{bx}+1=e^b+1=3$\medskip
$\therefore b=\ln 2$$g(x)$$R$上连续。\medskip
$\therefore a=-1,b=\ln 2$$f(x)+g(x)$$R$上连续。而$a\neq -1$$f(x)+g(x)$$x=0$时不连续,$b\neq\ln 2$$f(x)+g(x)$$x=1$时不连续。
\section{间断}
\subsection{求间断点}
\subsection{已知间断点求参数}
这种题目已知间断点,而未知式子中的参数,只用将间断点代入式子并利用极限计算间断点的类型就可以了。
\textbf{例题:}$f(x)=\dfrac{e^x-b}{(x-a)(x-b)}$有无穷间断点$x=e$,可去间断点$x=1$,求$ab$的值。
已知有两个间断点$x=a,x=b$,其中无穷间断点指极限值为无穷的点,可去间断点表示极限值存在且两侧相等,但是与函数值不相等的点。
已经给出两个间断点的值为$x=1$$x=e$,所以$ab$必然对应其中一个,但是不清楚到底谁是谁。
$a=1,b=e$时,$f(x)=\dfrac{e^x-e}{(x-1)(x-e)}$\medskip
$x\to 1$时,$\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{e^x-e}{(x-1)(x-e)}$$=\dfrac{1}{1-e}\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{e^x-e}{x-1}$$=\dfrac{e}{1-e}\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{e^{x-1}-1}{x-1}$$=\dfrac{e}{1-e}\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{x-1}{x-1}$$=\dfrac{e}{1-e}$\medskip
$\therefore x=1$为可去间断点。\medskip
$x\to e$时,$\lim\limits_{x\to e}\dfrac{e^x-e}{(x-1)(x-e)}$$=\dfrac{1}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{e^x-e}{x-e}$$=\dfrac{e}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{e^{x-1}-1}{x-e}$\medskip$=\dfrac{e}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{x-1}{x-e}$$=\dfrac{e(e-1)}{e-1}\lim\limits_{x\to e}\dfrac{1}{x-e}=\infty$\medskip
$\therefore x=e$为无穷间断点。\medskip
$a=e,b=1$时,$f(x)=\dfrac{e^x-1}{(x-e)(x-1)}$\medskip
而作为分子的$e^x-1$必然为一个常数,当式子趋向$1$$e$的时候分母两个不等式中的一个不等式必然为一个常数,从而另一个不等式则变为了无穷小,所以$\lim\limits_{x\to 1}f(x)=\lim\limits_{x\to e}f(x)=\infty$
$\therefore a=1,b=e$
\end{document}

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\author{Didnelpsun}
\title{导数与微分}
\date{}
\begin{document}
\maketitle
\pagestyle{empty}
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\tableofcontents
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\newpage
\pagestyle{plain}
\setcounter{page}{1}
\section{一阶导数}
\subsection{幂指函数求导}
形如$f(x)^{g(x)}$的幂指函数求导也可以类似幂指函数的求极限方法。既可以取$e$为底的指数也可以取对数。
\textbf{例题:}$f(x)=x^{\sin x}(x>0)$的导数。
取对数:
$\therefore\ln y=\sin x\ln x$
求导:
$\dfrac{y'}{y}=\cos\ln x+\dfrac{\sin x}{x}$
$\therefore y'=x^{\sin x}\left(\cos\ln x+\dfrac{\sin x}{x}\right)$
取指数:
$x^{\sin x}=e^{\sin x\cdot\ln x}$
求导:
$e^{\sin x\cdot\ln x}(\sin x\cdot\ln x)'=x^{\sin x}\left(\cos\ln x+\dfrac{\sin x}{x}\right)$
\subsection{分段函数导数}
当给出一个分段函数,要求求出该函数的导数时,最重要的就是分段点是否可导,计算分段点的导数,如果两边的导数不相等,则需要挖去该点。\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\arctan x, & & x\leqslant 1 \\
\dfrac{1}{2}(e^{x^2-1}-x)+\dfrac{\pi}{4}, & & x>1
\end{array}
\right.$,求$f'(x)$
$x\leqslant 1$时,$f'(x)=\dfrac{1}{1+x^2}$,当$x>1$时,$f'(x)=xe^{x^2-1}-\dfrac{1}{2}$
然后需要查看分段点两边的导数是否一样:$f'_-(1)=\dfrac{1}{1+x^2}\,\bigg\vert_{x=1}=\dfrac{1}{1+1}=\dfrac{1}{2}$$f'_+(1)=xe^{x^2-1}-\dfrac{1}{2}\,\bigg\vert_{x=1}=1\cdot e^{1-1}-\dfrac{1}{2}=\dfrac{1}{2}$\medskip
$\therefore f'_-(1)=f'_+(1)$,所以该点可导。\medskip
$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{1}{1+x^2}, & & x\leqslant 1 \\
xe^{x^2-1}-\dfrac{1}{2}, & & x>1
\end{array}
\right.$
\subsection{导数存在性}
导数存在即可导。而该点左右导数都相等该点才可导。
可导必连续,连续不一定可导。
导数的定义:$\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$$\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}$
导数的存在性:若$\lim\limits_{x\to x_0}f'(x)$存在,则$f'(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0}f'(x)$\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{\ln(1+bx)}{x}, & & x\neq 0 \\
-1, & & x=0
\end{array}
\right.$,其中$b$为某常数,$f(x)$在定义域上处处可导,求$f'(x)$
首先需要求出参数$b$,而定义域上可导则在分段点$x=0$处也必然可导。
而可导必连续,所以当$x=0$$f(x)$也是连续的,而连续的定义就是两边极限相等,且两边极限等于该点函数值。\medskip
$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1+bx)}{x}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{bx}{x}=b=-1$。从而可以完善函数与定义域。\medskip
$\therefore f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{\ln(1-x)}{x}, & & x<1,x\neq 0 \\
-1, & & x=0
\end{array}
\right.$
这样就能转换为直接求导数问题。
对于定义域的$x<1,x\neq 0$部分:\medskip
$f'(x)=\dfrac{\dfrac{-x}{1-x}-\ln(1-x)}{x^2}=\dfrac{x-(x-1)\ln(1-x)}{x^2(x-1)}\,(x<1,x\neq 0)$
然后需要求分段点$x=0$处的导数。
可以由导数的定义:、
根据导数的定义是某点偏移量的极限值$\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$
$f'(0)=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{f(x)-f(0)}{x-0}$\medskip
$=\dfrac{\dfrac{\ln(1-x)}{x}-(-1)}{x-0}$\medskip
$=\dfrac{\dfrac{\ln(1-x)}{x}+1}{x}$\medskip
$=\dfrac{\ln(1-x)+x}{x^2}$
泰勒公式:$=\dfrac{-x-\dfrac{1}{2}x^2+o(x^2)+x}{x^2}=-\dfrac{1}{2}$\medskip
$\therefore f'(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{x-(x-1)\ln(1-x)}{x^2(x-1)}, & & x<1,x\neq 0 \\
-\dfrac{1}{2}, & & x=0
\end{array}
\right.$\medskip
同样也可以使用导数的存在性:
$\because f(x)$$x=0$处连续,$\therefore x=0$的空心邻域上可导。从而$\lim\limits_{x\to x_0}f'(x)$存在。
$\therefore f'(0)=\lim\limits_{x\to 0}f'(x)$。计算过程类似。
\subsection{导数连续性}
导数具有连续性与之前的函数连续性类似,不过要对函数求导数罢了。
要求导数两侧的极限并让其相等。\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
x^2, & & x\leqslant 0 \\
x^\alpha\sin\dfrac{1}{x}, & & x>0
\end{array}
\right.$,若$f'(x)$连续,则$\alpha$应该满足?
若导数连续,则两侧导数相等。
$\lim\limits_{x\to 0^-}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}2x=0$
$\lim\limits_{x\to 0^+}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^+}\alpha x^{\alpha-1}\sin\dfrac{1}{x}-x^{\alpha-2}\cos\dfrac{1}{x}=\lim\limits_{x\to 0^+}x^{\alpha-2}\left(\alpha x\sin\dfrac{1}{x}-\cos\dfrac{1}{x}\right)$
$\because x\to 0^+$时,$\sin\dfrac{1}{x}\in[-1,1]$$\therefore\alpha x\sin\dfrac{1}{x}=0$$-\cos\dfrac{1}{x}\in[-1,1]$$\therefore \alpha x\sin\dfrac{1}{x}-\cos\dfrac{1}{x}$为一个不为0的常数。
$\lim\limits_{x\to 0^+}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^+}x^{\alpha-2}\left(\alpha x\sin\dfrac{1}{x}-\cos\dfrac{1}{x}\right)=\lim\limits_{x\to 0^-}f'(x)=0$
$\therefore\lim\limits_{x\to 0^+}x^{\alpha-2}=0$
$\therefore\alpha-2>0$,从而$\alpha>2$
\subsection{已知导数求极限}
题目会给出对应的导数以及相关条件,并要求求一个极限,这个极限式子并不是个随机的式子,而一个是与导数定义相关的极限式子,所需要的就是将极限式子转换为导数定义的相关式子。
\subsubsection{导数定义式子}
有时极限式子可以直接转换为导数定义式子,先稍微变换就可以代入导数。
\textbf{例题:}$f(x)$是以3为周期的可导函数且是偶函数$f'(-2)=-1$,求$\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{h}{f(5-2\sin h)-f(5)}$\medskip
根据导数与函数的基本性质,原函数为偶函数,则其导函数为奇函数,所以$f'(5)=f'(2)=-f'(-2)=1$
然后需要转换目标的极限式子,因为目标式子倒过来的式子类似于导数定义的$f'(x)=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}$结构。所以我们可以先求其倒数式子:\medskip
$=\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{f(5-2\sin h)-f(5)}{h}$
$=\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{f(5-2\sin h)-f(5)}{-2\sin h}\cdot\dfrac{-2\sin h}{h}$
$=-2f'(5)=-2\times 1=-2$
$\therefore\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{h}{f(5-2\sin h)-f(5)}=-\dfrac{1}{2}$
\subsubsection{定义近似式子}
有时候极限式子不为导数定义的近似式子,这时候就需要先根据求极限的计算方式简化目标极限式子。
\textbf{例题:}$f(x)$$x=0$处可导且$f(0)=1$$f'(0)=3$,则数列极限$I=\lim\limits_{n\to\infty}\left(f\left(\dfrac{1}{n}\right)\right)^{\frac{\frac{1}{n}}{1-\cos\frac{1}{n}}}$\medskip
$\dfrac{1}{n}=x$,则:
$=\lim\limits_{x\to 0}(f(x))^{\frac{x}{1-\cos x}}$
$=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{x}{1-\cos x}\ln f(x)}$
$=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln f(x)}{x}}$
$=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{f(x)-1}{x}}$
$=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}}$
$=e^{2f'(0)}=e^6$
\section{高阶导数}
\subsection{导数存在性}
\subsection{携带未知数的多项式求高阶导}
当所需要的求导的式子为一个多项式的时候,这个求导必然是有规律的。
当所求高阶导数的$x$值为一个常数时,那么这个常数值代入求导的式子必然是会消去一部分的,最常用的常数为$x=0$
\textbf{例题:}已知$f(x)=x^2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$,求$f''(0)$
因为式子中带有未知数$n$,所以结果很可能会带有$n$
而这个式子项数为$n+1$项,所以求导结果必然很大,所以一定会消去一部分。
又求导的自变量$x=0$而0代入很多式子都会被消去所以这就是个突破口。
因为求导是求二阶导数,所以很可能这种求导是消去一部分而不是得到一个规律,因为阶数太低很难看出规律。
首先对$f(x)$求一阶导数(需要记住乘积的导数为各项求导的和):
$f'(x)=2x(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$
$\quad\quad\quad+x^22(x+1)(x+2)^2\cdots(x+n)^2$
$\quad\quad\quad+x^2(x+1)^22(x+2)\cdots(x+n)^2$
$\quad\quad\quad\cdots$
$\quad\quad\quad+x^2(x+1)^2(x+2)^2\cdots 2(x+n)$
原式子一共1项一阶导数后变为$n+1$项和,然后求二阶导数,会变为$(n+1)^2$项和。这时候我们应该回头看目标求的式子为$f''(0)$,而根据式子,只要乘积项中含有$x$那么这一整个项就都为0。
一阶导数中除一项每个项都含有$x^2$,所以求二阶导数的时候,$x^2$会变为$2x$$x=0$处二阶导数为0所以求二阶导数的时候一次导数的第一项后面$n$项在$x=0$处都是0可以不用考虑。
而一阶导数的第一项只有对第一个$x$求导时会消去这个$x$变为$2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$,其他的$n$项二阶导数仍然含有$x$的项所以结果也为0。
所以求$f''(0)$时,只有对一阶导数的第一项的第一个$x$求导所得到的导数项不为0其他都是0所以最后$f''(0)=2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2=2(n!)^2$
\subsection{反函数高阶导数}
已知一阶导数的时候,反函数的导数为原函数导数的倒数($g'(x)=\dfrac{1}{f'(x)}$)。
因为原函数的一阶导数是$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,而反函数就是对原函数的$xy$对调,所以其反函数的一阶导数为$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}$
\textbf{例题:}已知$y=x+e^x$,求其反函数的二阶导数。
$y=x+e^x$的反函数的一阶导数为$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\dfrac{1}{1+e^x}$
所以二阶导数为$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}y^2}=\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{1}{1+e^{x}}\right)}{\textrm{d}y}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{1}{1+e^{x}}\right)}{\textrm{d}x}}{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}}=-\dfrac{e^x}{(1+e^x)^3}$
\section{微分}
\section{隐函数与参数方程}
隐函数与参数方程求导基本上只用记住:\medskip
$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}t}}{\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}}$
\textbf{例题:}已知$y=y(x)$由参数方程$\left\{\begin{array}{lcl}
x=\dfrac{1}{2}\ln(1+t^2) \\
y=\arctan t
\end{array}
\right.$确定,求其一阶导数与二阶导数。
$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}t}}{\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}}=\dfrac{\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{2t}{1+t^2}}{\dfrac{1}{1+t^2}}=\dfrac{1}{t}$
$\dfrac{\textrm{d}^2y}{\textrm{d}x^2}=\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\right)}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\right)}{\textrm{d}t}}{\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}}=\dfrac{-\dfrac{1}{t^2}}{\dfrac{t}{1+t^2}}=-\dfrac{1+t^2}{t^3}$
\section{导数应用}
\subsection{单调性与凹凸性}
\subsection{极值与最值}
\subsection{函数图像}
\subsection{曲率}
曲率公式:$k=\left\lvert\dfrac{\textrm{d}\alpha}{\textrm{d}s}\right\rvert=\dfrac{\vert y''\vert}{(1+y'^2)^{\frac{3}{2}}}$
\subsubsection{一般计算}
\textbf{例题:}$y=\sin x$$x=\dfrac{\pi}{4}$对应的曲率
$y'=\cos x$$y'(\dfrac{\pi}{4})=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$
$y''=-\sin x$$y''(\dfrac{\pi}{4})=-\dfrac{\sqrt{2}}{2}$
$\therefore k=\dfrac{\dfrac{\sqrt{2}}{2}}{\dfrac{3}{2}\cdot\sqrt{\dfrac{3}{2}}}=\dfrac{2\sqrt{3}}{9}$
所以$y=\sin x$$x=\dfrac{\pi}{4}$的点$(\dfrac{\pi}{4},\dfrac{\sqrt{2}}{2})$的曲率为$\dfrac{2\sqrt{3}}{9}$
\subsubsection{最值}
\textbf{例题:}$y=x^2-4x+11$曲率最大值所在的点。
简单得$y'=2x-4$$y''=2$
曲率为$\dfrac{2}{[1+(2x-4)^2]^{\frac{3}{2}}}$
$2x-4=0$时即在$(2,7)$时曲率最大为2。
\end{document}
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% 因为所以
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\author{Didnelpsun}
\title{导数与微分}
\date{}
\begin{document}
\maketitle
\pagestyle{empty}
\thispagestyle{empty}
\tableofcontents
\thispagestyle{empty}
\newpage
\pagestyle{plain}
\setcounter{page}{1}
\section{一阶导数}
\subsection{幂指函数求导}
形如$f(x)^{g(x)}$的幂指函数求导也可以类似幂指函数的求极限方法。既可以取$e$为底的指数也可以取对数。
\textbf{例题:}$f(x)=x^{\sin x}(x>0)$的导数。
取对数:
$\therefore\ln y=\sin x\ln x$
求导:
$\dfrac{y'}{y}=\cos\ln x+\dfrac{\sin x}{x}$
$\therefore y'=x^{\sin x}\left(\cos\ln x+\dfrac{\sin x}{x}\right)$
取指数:
$x^{\sin x}=e^{\sin x\cdot\ln x}$
求导:
$e^{\sin x\cdot\ln x}(\sin x\cdot\ln x)'=x^{\sin x}\left(\cos\ln x+\dfrac{\sin x}{x}\right)$
\subsection{分段函数导数}
当给出一个分段函数,要求求出该函数的导数时,最重要的就是分段点是否可导,计算分段点的导数,如果两边的导数不相等,则需要挖去该点。\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\arctan x, & & x\leqslant 1 \\
\dfrac{1}{2}(e^{x^2-1}-x)+\dfrac{\pi}{4}, & & x>1
\end{array}
\right.$,求$f'(x)$
$x\leqslant 1$时,$f'(x)=\dfrac{1}{1+x^2}$,当$x>1$时,$f'(x)=xe^{x^2-1}-\dfrac{1}{2}$
然后需要查看分段点两边的导数是否一样:$f'_-(1)=\dfrac{1}{1+x^2}\,\bigg\vert_{x=1}=\dfrac{1}{1+1}=\dfrac{1}{2}$$f'_+(1)=xe^{x^2-1}-\dfrac{1}{2}\,\bigg\vert_{x=1}=1\cdot e^{1-1}-\dfrac{1}{2}=\dfrac{1}{2}$\medskip
$\therefore f'_-(1)=f'_+(1)$,所以该点可导。\medskip
$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{1}{1+x^2}, & & x\leqslant 1 \\
xe^{x^2-1}-\dfrac{1}{2}, & & x>1
\end{array}
\right.$
\subsection{导数存在性}
导数存在即可导。而该点左右导数都相等该点才可导。
可导必连续,连续不一定可导。
导数的定义:$\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$$\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}$
导数的存在性:若$\lim\limits_{x\to x_0}f'(x)$存在,则$f'(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0}f'(x)$\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{\ln(1+bx)}{x}, & & x\neq 0 \\
-1, & & x=0
\end{array}
\right.$,其中$b$为某常数,$f(x)$在定义域上处处可导,求$f'(x)$
首先需要求出参数$b$,而定义域上可导则在分段点$x=0$处也必然可导。
而可导必连续,所以当$x=0$$f(x)$也是连续的,而连续的定义就是两边极限相等,且两边极限等于该点函数值。\medskip
$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1+bx)}{x}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{bx}{x}=b=-1$。从而可以完善函数与定义域。\medskip
$\therefore f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{\ln(1-x)}{x}, & & x<1,x\neq 0 \\
-1, & & x=0
\end{array}
\right.$
这样就能转换为直接求导数问题。
对于定义域的$x<1,x\neq 0$部分:\medskip
$f'(x)=\dfrac{\dfrac{-x}{1-x}-\ln(1-x)}{x^2}=\dfrac{x-(x-1)\ln(1-x)}{x^2(x-1)}\,(x<1,x\neq 0)$
然后需要求分段点$x=0$处的导数。
可以由导数的定义:、
根据导数的定义是某点偏移量的极限值$\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$
$f'(0)=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{f(x)-f(0)}{x-0}$\medskip
$=\dfrac{\dfrac{\ln(1-x)}{x}-(-1)}{x-0}$\medskip
$=\dfrac{\dfrac{\ln(1-x)}{x}+1}{x}$\medskip
$=\dfrac{\ln(1-x)+x}{x^2}$
泰勒公式:$=\dfrac{-x-\dfrac{1}{2}x^2+o(x^2)+x}{x^2}=-\dfrac{1}{2}$\medskip
$\therefore f'(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
\dfrac{x-(x-1)\ln(1-x)}{x^2(x-1)}, & & x<1,x\neq 0 \\
-\dfrac{1}{2}, & & x=0
\end{array}
\right.$\medskip
同样也可以使用导数的存在性:
$\because f(x)$$x=0$处连续,$\therefore x=0$的空心邻域上可导。从而$\lim\limits_{x\to x_0}f'(x)$存在。
$\therefore f'(0)=\lim\limits_{x\to 0}f'(x)$。计算过程类似。
\subsection{导数连续性}
导数具有连续性与之前的函数连续性类似,不过要对函数求导数罢了。
要求导数两侧的极限并让其相等。\medskip
\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
x^2, & & x\leqslant 0 \\
x^\alpha\sin\dfrac{1}{x}, & & x>0
\end{array}
\right.$,若$f'(x)$连续,则$\alpha$应该满足?
若导数连续,则两侧导数相等。
$\lim\limits_{x\to 0^-}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}2x=0$
$\lim\limits_{x\to 0^+}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^+}\alpha x^{\alpha-1}\sin\dfrac{1}{x}-x^{\alpha-2}\cos\dfrac{1}{x}=\lim\limits_{x\to 0^+}x^{\alpha-2}\left(\alpha x\sin\dfrac{1}{x}-\cos\dfrac{1}{x}\right)$
$\because x\to 0^+$时,$\sin\dfrac{1}{x}\in[-1,1]$$\therefore\alpha x\sin\dfrac{1}{x}=0$$-\cos\dfrac{1}{x}\in[-1,1]$$\therefore \alpha x\sin\dfrac{1}{x}-\cos\dfrac{1}{x}$为一个不为0的常数。
$\lim\limits_{x\to 0^+}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^+}x^{\alpha-2}\left(\alpha x\sin\dfrac{1}{x}-\cos\dfrac{1}{x}\right)=\lim\limits_{x\to 0^-}f'(x)=0$
$\therefore\lim\limits_{x\to 0^+}x^{\alpha-2}=0$
$\therefore\alpha-2>0$,从而$\alpha>2$
\subsection{已知导数求极限}
题目会给出对应的导数以及相关条件,并要求求一个极限,这个极限式子并不是个随机的式子,而一个是与导数定义相关的极限式子,所需要的就是将极限式子转换为导数定义的相关式子。
\subsubsection{导数定义式子}
有时极限式子可以直接转换为导数定义式子,先稍微变换就可以代入导数。
\textbf{例题:}$f(x)$是以3为周期的可导函数且是偶函数$f'(-2)=-1$,求$\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{h}{f(5-2\sin h)-f(5)}$\medskip
根据导数与函数的基本性质,原函数为偶函数,则其导函数为奇函数,所以$f'(5)=f'(2)=-f'(-2)=1$
然后需要转换目标的极限式子,因为目标式子倒过来的式子类似于导数定义的$f'(x)=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}$结构。所以我们可以先求其倒数式子:\medskip
$=\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{f(5-2\sin h)-f(5)}{h}$
$=\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{f(5-2\sin h)-f(5)}{-2\sin h}\cdot\dfrac{-2\sin h}{h}$
$=-2f'(5)=-2\times 1=-2$
$\therefore\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{h}{f(5-2\sin h)-f(5)}=-\dfrac{1}{2}$
\subsubsection{定义近似式子}
有时候极限式子不为导数定义的近似式子,这时候就需要先根据求极限的计算方式简化目标极限式子。
\textbf{例题:}$f(x)$$x=0$处可导且$f(0)=1$$f'(0)=3$,则数列极限$I=\lim\limits_{n\to\infty}\left(f\left(\dfrac{1}{n}\right)\right)^{\frac{\frac{1}{n}}{1-\cos\frac{1}{n}}}$\medskip
$\dfrac{1}{n}=x$,则:
$=\lim\limits_{x\to 0}(f(x))^{\frac{x}{1-\cos x}}$
$=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{x}{1-\cos x}\ln f(x)}$
$=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln f(x)}{x}}$
$=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{f(x)-1}{x}}$
$=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}}$
$=e^{2f'(0)}=e^6$
\section{高阶导数}
\subsection{导数存在性}
\subsection{携带未知数的多项式求高阶导}
当所需要的求导的式子为一个多项式的时候,这个求导必然是有规律的。
当所求高阶导数的$x$值为一个常数时,那么这个常数值代入求导的式子必然是会消去一部分的,最常用的常数为$x=0$
\textbf{例题:}已知$f(x)=x^2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$,求$f''(0)$
因为式子中带有未知数$n$,所以结果很可能会带有$n$
而这个式子项数为$n+1$项,所以求导结果必然很大,所以一定会消去一部分。
又求导的自变量$x=0$而0代入很多式子都会被消去所以这就是个突破口。
因为求导是求二阶导数,所以很可能这种求导是消去一部分而不是得到一个规律,因为阶数太低很难看出规律。
首先对$f(x)$求一阶导数(需要记住乘积的导数为各项求导的和):
$f'(x)=2x(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$
$\quad\quad\quad+x^22(x+1)(x+2)^2\cdots(x+n)^2$
$\quad\quad\quad+x^2(x+1)^22(x+2)\cdots(x+n)^2$
$\quad\quad\quad\cdots$
$\quad\quad\quad+x^2(x+1)^2(x+2)^2\cdots 2(x+n)$
原式子一共1项一阶导数后变为$n+1$项和,然后求二阶导数,会变为$(n+1)^2$项和。这时候我们应该回头看目标求的式子为$f''(0)$,而根据式子,只要乘积项中含有$x$那么这一整个项就都为0。
一阶导数中除一项每个项都含有$x^2$,所以求二阶导数的时候,$x^2$会变为$2x$$x=0$处二阶导数为0所以求二阶导数的时候一次导数的第一项后面$n$项在$x=0$处都是0可以不用考虑。
而一阶导数的第一项只有对第一个$x$求导时会消去这个$x$变为$2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$,其他的$n$项二阶导数仍然含有$x$的项所以结果也为0。
所以求$f''(0)$时,只有对一阶导数的第一项的第一个$x$求导所得到的导数项不为0其他都是0所以最后$f''(0)=2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2=2(n!)^2$
\subsection{反函数高阶导数}
已知一阶导数的时候,反函数的导数为原函数导数的倒数($g'(x)=\dfrac{1}{f'(x)}$)。
因为原函数的一阶导数是$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,而反函数就是对原函数的$xy$对调,所以其反函数的一阶导数为$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}$
\textbf{例题:}已知$y=x+e^x$,求其反函数的二阶导数。
$y=x+e^x$的反函数的一阶导数为$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\dfrac{1}{1+e^x}$
所以二阶导数为$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}y^2}=\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{1}{1+e^{x}}\right)}{\textrm{d}y}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{1}{1+e^{x}}\right)}{\textrm{d}x}}{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}}=-\dfrac{e^x}{(1+e^x)^3}$
\section{微分}
\section{隐函数与参数方程}
隐函数与参数方程求导基本上只用记住:\medskip
$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}t}}{\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}}$
\textbf{例题:}已知$y=y(x)$由参数方程$\left\{\begin{array}{lcl}
x=\dfrac{1}{2}\ln(1+t^2) \\
y=\arctan t
\end{array}
\right.$确定,求其一阶导数与二阶导数。
$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}t}}{\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}}=\dfrac{\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{2t}{1+t^2}}{\dfrac{1}{1+t^2}}=\dfrac{1}{t}$
$\dfrac{\textrm{d}^2y}{\textrm{d}x^2}=\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\right)}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\right)}{\textrm{d}t}}{\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}}=\dfrac{-\dfrac{1}{t^2}}{\dfrac{t}{1+t^2}}=-\dfrac{1+t^2}{t^3}$
\section{导数应用}
\subsection{单调性与凹凸性}
\subsection{极值与最值}
\subsection{函数图像}
\subsection{曲率}
曲率公式:$k=\left\lvert\dfrac{\textrm{d}\alpha}{\textrm{d}s}\right\rvert=\dfrac{\vert y''\vert}{(1+y'^2)^{\frac{3}{2}}}$
\subsubsection{一般计算}
\textbf{例题:}$y=\sin x$$x=\dfrac{\pi}{4}$对应的曲率
$y'=\cos x$$y'(\dfrac{\pi}{4})=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$
$y''=-\sin x$$y''(\dfrac{\pi}{4})=-\dfrac{\sqrt{2}}{2}$
$\therefore k=\dfrac{\dfrac{\sqrt{2}}{2}}{\dfrac{3}{2}\cdot\sqrt{\dfrac{3}{2}}}=\dfrac{2\sqrt{3}}{9}$
所以$y=\sin x$$x=\dfrac{\pi}{4}$的点$(\dfrac{\pi}{4},\dfrac{\sqrt{2}}{2})$的曲率为$\dfrac{2\sqrt{3}}{9}$
\subsubsection{最值}
\textbf{例题:}$y=x^2-4x+11$曲率最大值所在的点。
简单得$y'=2x-4$$y''=2$
曲率为$\dfrac{2}{[1+(2x-4)^2]^{\frac{3}{2}}}$
$2x-4=0$时即在$(2,7)$时曲率最大为2。
\end{document}

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\author{Didnelpsun}
\title{向量代数与空间解析几何}
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\author{Didnelpsun}
\title{多元函数微分学}
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% 使用颜色
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