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更新积分并增加解与证明标识
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@@ -55,7 +55,7 @@
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\textbf{例题:}证明多项式$f(x)=x^3-3x+a$在$[0,1]$上不可能有两个零点。
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假设$f(x)=x^3-3x+a$在$[0,1]$有两个零点$x_1$和$x_2$,其中$x_1<x_2$。
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证明:假设$f(x)=x^3-3x+a$在$[0,1]$有两个零点$x_1$和$x_2$,其中$x_1<x_2$。
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因为$f(x)=x^3-3x+a$在$[0,1]$内连续,所以$f(x)=x^3-3x+a$在$[0,1]$内可导。
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@@ -67,7 +67,7 @@
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\textbf{例题:}设$a_0+\dfrac{a_1}{2}+\cdots+\dfrac{a_n}{n+1}=0$,证明多项式$f(x)=a_0+a_1x+\cdots+a_nx^n$在$(0,1)$中至少有一个零点。
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因为所要证明零点,所以一定使用罗尔定理。所给出的约束参数式子$a_0+\dfrac{a_1}{2}+\cdots+\dfrac{a_n}{n+1}=0$与所求$f(x)$之间存在一个关系。
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证明:因为所要证明零点,所以一定使用罗尔定理。所给出的约束参数式子$a_0+\dfrac{a_1}{2}+\cdots+\dfrac{a_n}{n+1}=0$与所求$f(x)$之间存在一个关系。
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设$F(x)=a_0x+a_1\dfrac{x^2}{2}+\cdots+a_n\dfrac{x^{n+1}}{n+1}$,$F'(x)=a_0+a_1x+\cdots+a_nx^n=f(x)$。
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@@ -85,7 +85,7 @@
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\textbf{例题:}设$a>b>0$,证明:$\dfrac{a-b}{a}<\ln\dfrac{a}{b}<\dfrac{a-b}{b}$。
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因为$\ln\dfrac{a}{b}=\ln a-\ln b$,所以令$f(x)=\ln x$。
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证明:因为$\ln\dfrac{a}{b}=\ln a-\ln b$,所以令$f(x)=\ln x$。
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所以根据拉格朗日中值定理:$\ln a-\ln b=f'(\xi)(a-b)$($\xi\in(b,a)$)。
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@@ -103,7 +103,7 @@
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\textbf{例题:}当$x>1$时,证明$e^x>ex$。
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题目中没有差式,所以需要选择一个函数作为基准函数,里面有一个指数函数和一个幂函数,所以选择$e^x$作为基准函数。
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证明:题目中没有差式,所以需要选择一个函数作为基准函数,里面有一个指数函数和一个幂函数,所以选择$e^x$作为基准函数。
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然后选择一个常数作为$b$值,可以先选一个1作为$b$值:$f(x)-f(1)=f'(\xi)(x-1)$。
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@@ -115,7 +115,7 @@
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\textbf{例题:}设$0<a<b$,函数$f(x)$在$[a,b]$上连续,在$(a,b)$内可导,证明存在一点$\xi\in(a,b)$使得$f(b)-f(a)=\xi f'(\xi)\ln\dfrac{b}{a}$。
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由对数函数的特性可以知道$\dfrac{b}{a}=\ln b-\ln a$,所以可以令$F(x)=\ln x$,所以$F'(x)=\dfrac{1}{x}$。
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证明:由对数函数的特性可以知道$\dfrac{b}{a}=\ln b-\ln a$,所以可以令$F(x)=\ln x$,所以$F'(x)=\dfrac{1}{x}$。
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$f(b)-f(a)=\xi f'(\xi)\ln\dfrac{b}{a}=\dfrac{f(b)-f(a)}{\ln b-\ln a}=\dfrac{f'(\xi)}{\dfrac{1}{\xi}}\dfrac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\dfrac{f'(\xi)}{F'(\xi)}$。
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@@ -137,11 +137,11 @@ $f(b)-f(a)=\xi f'(\xi)\ln\dfrac{b}{a}=\dfrac{f(b)-f(a)}{\ln b-\ln a}=\dfrac{f'(\
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{3+x}{6+x}\right)^{\frac{x-1}{2}}$。\medskip
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$=\lim\limits_{x\to\infty}\left(1-\dfrac{3}{6+3}\right)^{\frac{6+x}{-3}\cdot\frac{-3}{6+x}\cdot\frac{x-1}{2}}=\lim\limits_{x\to\infty}e^{\frac{-3}{6+x}\cdot\frac{x-1}{2}}=\lim\limits_{x\to\infty}e^{-\frac{3}{2}\cdot\frac{x-1}{x+6}}=e^{-\frac{3}{2}}$。\medskip
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解:$=\lim\limits_{x\to\infty}\left(1-\dfrac{3}{6+3}\right)^{\frac{6+x}{-3}\cdot\frac{-3}{6+x}\cdot\frac{x-1}{2}}=\lim\limits_{x\to\infty}e^{\frac{-3}{6+x}\cdot\frac{x-1}{2}}=\lim\limits_{x\to\infty}e^{-\frac{3}{2}\cdot\frac{x-1}{x+6}}=e^{-\frac{3}{2}}$。\medskip
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{2x+3}{2x+1}\right)^{x+1}$。\medskip
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$=\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{2x+3}{2x+1}\right)^x\cdot\dfrac{2x+3}{2x+1}=\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{2x+3}{2x+1}\right)^x$\medskip
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解:$=\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{2x+3}{2x+1}\right)^x\cdot\dfrac{2x+3}{2x+1}=\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{2x+3}{2x+1}\right)^x$\medskip
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$=\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{1+\dfrac{3}{2x}}{1+\dfrac{1}{2x}}\right)^x=\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{\left(1+\dfrac{3}{2x}\right)^x}{\left(1+\dfrac{1}{2x}\right)^x}$
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@@ -165,7 +165,7 @@ $=\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{\left[\left(1+\dfrac{3}{2x}\right)^{\frac{2x}{3
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to 0}x\left[\dfrac{10}{x}\right]$,其中$[\cdot]$为取整符号。
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取整函数公式:$x-1<[x]\leqslant x$,所以$\dfrac{10}{x}-1<\left[\dfrac{10}{x}\right]\leqslant\dfrac{10}{x}$。
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解:取整函数公式:$x-1<[x]\leqslant x$,所以$\dfrac{10}{x}-1<\left[\dfrac{10}{x}\right]\leqslant\dfrac{10}{x}$。
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当$x>0$时,$x\to 0^+$,两边都乘以10,$10-x<x\cdot\left[\dfrac{10}{x}\right]\leqslant x\cdots\dfrac{10}{x}=10$,而左边在$x\to 0^+$时极限也为10,所以夹逼准则,中间$x\cdot\left[\dfrac{10}{x}\right]$极限也为10。\medskip
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@@ -181,7 +181,7 @@ $\therefore \lim\limits_{x\to 0}x\left[\dfrac{10}{x}\right]=10$。
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{n\to\infty}n^2\left(\arctan\dfrac{2}{n}-\arctan\dfrac{2}{n+1}\right)$。\medskip
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因为式子不算非常复杂,其实也可以通过洛必达法则来完成,但是求导会很复杂。而$\arctan x$可以认定为$f(x)$。
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解:因为式子不算非常复杂,其实也可以通过洛必达法则来完成,但是求导会很复杂。而$\arctan x$可以认定为$f(x)$。
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从而$\arctan\dfrac{2}{n}-\arctan\dfrac{2}{n+1}$为$f(\dfrac{2}{n})-f(\dfrac{2}{n+1})=f'(\xi)\left(\dfrac{2}{n}-\dfrac{2}{n+1}\right)$。
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@@ -205,7 +205,7 @@ $\therefore\lim\limits_{n\to\infty}n^2\left(\arctan\dfrac{2}{n}-\arctan\dfrac{2}
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如果使用洛必达法则,则会得到结果为1,这是错误的,因为分子在$x\to 1$时结果为常数1。正确的计算方式:
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$=\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{1}{(x-1)^2}=\infty$。
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解:$=\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{1}{(x-1)^2}=\infty$。
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\subsubsection{泰勒公式}
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@@ -215,9 +215,9 @@ $=\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{1}{(x-1)^2}=\infty$。
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\arcsin x-\arctan x}{\sin x-\tan x}$。\medskip
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分析:该题目使用洛必达法则会比较麻烦且难以计算,所以先考虑是否能用泰勒展开:
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分析:该题目使用洛必达法则会比较麻烦且难以计算,所以先考虑是否能用泰勒展开。
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$x\to 0$,$\sin x=x-\dfrac{1}{6}x^3+o(x^3)$,$\tan x=x+\dfrac{1}{3}x^3+o(x^3)$,$\arcsin x=x+\dfrac{1}{6}x^3+o(x^3)$,$\arctan x=x-\dfrac{1}{3}x^3+o(x^3)$。
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解:$x\to 0$,$\sin x=x-\dfrac{1}{6}x^3+o(x^3)$,$\tan x=x+\dfrac{1}{3}x^3+o(x^3)$,$\arcsin x=x+\dfrac{1}{6}x^3+o(x^3)$,$\arctan x=x-\dfrac{1}{3}x^3+o(x^3)$。
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$\therefore \sin x-\tan x=-\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)$,$\arcsin x-\arctan x=\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)$
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@@ -236,7 +236,7 @@ $\therefore \text{原式}=\dfrac{\dfrac{1}{x}x^3+o(x^3)}{-\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)
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注意在积或商的时候不能把对应的部分替换为0,如分母部分的$[\ln(1-x)+\ln(1+x)]$就无法使用$\ln(1+x)\sim x$替换为$-x+x$,这样底就是0了,无法求得最后的极限。
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这时可以尝试变形,如对数函数相加等于对数函数内部式子相乘:$\ln(1-x)+\ln(1+x)=\ln(1-x^2)\sim-x^2$。
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解:这时可以尝试变形,如对数函数相加等于对数函数内部式子相乘:$\ln(1-x)+\ln(1+x)=\ln(1-x^2)\sim-x^2$。
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\subsubsection{指数法则}
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@@ -246,19 +246,19 @@ $\therefore \text{原式}=\dfrac{\dfrac{1}{x}x^3+o(x^3)}{-\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\sqrt{1+x^2})^{\frac{1}{x}}$。
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$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\sqrt{1+x^2})^{\frac{1}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{\ln(x+\sqrt{1+x^2})}{x}} \left(\ln(x+\sqrt{1+x^2})'=\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}\right)$\medskip
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解:$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\sqrt{1+x^2})^{\frac{1}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{\ln(x+\sqrt{1+x^2})}{x}} \left(\ln(x+\sqrt{1+x^2})'=\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}\right)$\medskip
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$=e^{\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{1}{\sqrt{1+x^2}}}=e^0=1$
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{a^x+b^x+c^x}{3}\right)^{\frac{1}{x}}(a>0,b>0,c>0)$。\medskip
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$=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln\left(\frac{a^x+b^x+c^x}{3}\right)}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln(a^x+b^x+c^x)-\ln 3}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{a^x\ln a+b^x\ln b+c^x\ln c}{a^x+b^x+c^x}}$(洛必达法则)
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解:$=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln\left(\frac{a^x+b^x+c^x}{3}\right)}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln(a^x+b^x+c^x)-\ln 3}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{a^x\ln a+b^x\ln b+c^x\ln c}{a^x+b^x+c^x}}$(洛必达法则)
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$=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln a+\ln b+\ln c}{1+1+1}}=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln(abc)}{3}}=\sqrt[3]{abc}$。\medskip
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{n\to\infty}n\left[\left(1+\dfrac{1}{n}\right)^{\frac{n}{2}}-\sqrt{e}\right]$。
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首先对于幂指函数需要取指数,所以$\left(1+\dfrac{1}{n}\right)^{\frac{n}{2}}=e^{\frac{n}{2}\ln(1+\frac{1}{n})}$。\medskip
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解:首先对于幂指函数需要取指数,所以$\left(1+\dfrac{1}{n}\right)^{\frac{n}{2}}=e^{\frac{n}{2}\ln(1+\frac{1}{n})}$。\medskip
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而后面的多一个$\sqrt{e}$导致整个式子变为一个复杂的式子,而与$e^x$相关的是$e^x-1\sim x$。
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@@ -276,7 +276,7 @@ $=\dfrac{e^{\frac{1}{2}}}{2}\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{\dfrac{1}{n}-\dfrac{1
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{\cos^2x}{x^2}\right)$。\medskip
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$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{\cos^2x}{x^2}\right)=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{\sin^2x\cdot x^2} (\sin x\sim x)$ \medskip
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解:$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{\cos^2x}{x^2}\right)=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{\sin^2x\cdot x^2} (\sin x\sim x)$ \medskip
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$=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{x^4} (\sin x\cos x\sim\dfrac{1}{2}\sin 2x)=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^2-\dfrac{1}{4}\sin^22x}{x^4}$ \medskip
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@@ -294,9 +294,7 @@ $=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{2-\dfrac{1}{2}\cos 4x\cdot 4}{12x^2}=\dfrac{1}{6}\l
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{x^2-6x+8}{x^5-5x+4}$。
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需要先提取公因子:
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$=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{(x-2)(x-4)}{(x-1)(x-4)}=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{x-2}{x-1}=\dfrac{2}{3}$。
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解:需要先提取公因子:$=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{(x-2)(x-4)}{(x-1)(x-4)}=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{x-2}{x-1}=\dfrac{2}{3}$。
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(当然可以使用洛必达法则得到极限为$\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{2x-6}{2x-5}=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{8-6}{8-5}$)
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@@ -306,7 +304,7 @@ $=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{(x-2)(x-4)}{(x-1)(x-4)}=\lim\limits_{x\to 4}\dfrac{
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to-\infty}\left[\sqrt{4x^2+x}\ln\left(2+\dfrac{1}{x}\right)+2\ln 2x\right]$。\medskip
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题目的形式为$\infty-\infty$,所以必须使用后面的倒代换转换为商的形式。\medskip
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解:题目的形式为$\infty-\infty$,所以必须使用后面的倒代换转换为商的形式。\medskip
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$=\lim\limits_{x\to-\infty}-x\left[\sqrt{4+\dfrac{1}{x}}\ln\left(2+\dfrac{1}{x}\right)-2\ln 2\right]$。 \medskip
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@@ -328,7 +326,7 @@ $=\lim\limits_{t\to 0^-}\left(\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\ln(2+t)}{\sqrt{t+4}}+\dfr
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to-\infty}x(\sqrt{x^2+100}+x)$。
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首先定性分析:$\lim\limits_{x\to-\infty}x\cdot(\sqrt{x^2+100}+x)$。
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解:首先定性分析:$\lim\limits_{x\to-\infty}x\cdot(\sqrt{x^2+100}+x)$。
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在$x\to-\infty$趋向时,$x$就趋向无穷大。
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@@ -342,7 +340,7 @@ $\xRightarrow{\text{令}x=-t}\lim\limits_{t\to+\infty}\dfrac{-100t}{\sqrt{t^2+10
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sqrt{1+\tan x}-\sqrt{1+\sin x}}{x\sqrt{1+\sin^2x}-x}$。
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$=\lim\limits_{x\to 0}\sqrt{1+\tan x}-\sqrt{1+\sin x}\cdot\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1}{x\sqrt{1+\sin^2x}-x}$\medskip
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解:$=\lim\limits_{x\to 0}\sqrt{1+\tan x}-\sqrt{1+\sin x}\cdot\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1}{x\sqrt{1+\sin^2x}-x}$\medskip
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$=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\tan x-\sin x}{\sqrt{1+\tan x}+\sqrt{1+\sin x}}\cdot\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x\sqrt{1+\sin^2x}+x}{x^2(1+\sin^2x)-x^2}$\medskip
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@@ -358,7 +356,7 @@ $=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\tan x-\sin x}{x\sin^2x}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to 1^-}\ln x\ln(1-x)$。
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当$x\to 1^-$时,$\ln x$趋向0,$\ln(1-x)$趋向$-\infty$。
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解:当$x\to 1^-$时,$\ln x$趋向0,$\ln(1-x)$趋向$-\infty$。
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又$x\to 0$,$\ln(1+x)\sim x$,所以$x\to 1$,$\ln x\sim x-1$:
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@@ -374,7 +372,7 @@ $=-\lim\limits_{t\to 0^+}\dfrac{\ln t}{\dfrac{1}{t}}=-\lim\limits_{t\to 0^+}\dfr
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{100}}$ \medskip
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$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{100}}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}\cdot 2x^{-3}}{100x^{99}}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1}{50}\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{102}}$
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解:$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{100}}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}\cdot 2x^{-3}}{100x^{99}}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1}{50}\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{102}}$
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@@ -390,7 +388,7 @@ $=\lim\limits_{t\to+\infty}\dfrac{50!}{e^t}=0$
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to+\infty}[x^2(e^{\frac{1}{x}}-1)-x]$。
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该式子含有分数,所以尝试使用倒数代换:\medskip
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解:该式子含有分数,所以尝试使用倒数代换:\medskip
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$\lim\limits_{x\to+\infty}[x^2(e^{\frac{1}{x}}-1)-x]\xRightarrow{\text{令}x=\frac{1}{t}}\lim\limits_{t\to 0^+}\left(\dfrac{e^t-1}{t^2}-\dfrac{1}{t}\right)=\lim\limits_{t\to 0^+}\dfrac{e^t-1-t}{t^2}$
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@@ -408,7 +406,7 @@ $\xRightarrow{\text{泰勒展开}e^t}\lim\limits_{t\to 0^+}\dfrac{\dfrac{1}{2}t^
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{(n+1)(n+2)(n+3)\cdots(n+6)}{6n^6}$。
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需要将分子和分母都拆为6项:
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解:需要将分子和分母都拆为6项:
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$=\dfrac{1}{6}\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{n+1}{n}\times\dfrac{n+2}{n}\times\cdots\dfrac{n+6}{n}=\dfrac{1}{6}\lim\limits_{n\to\infty}(1+\dfrac{1}{n})(1+\dfrac{2}{n})\cdots(1+\dfrac{6}{n})=\dfrac{1}{6}$。
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@@ -420,7 +418,7 @@ $=\dfrac{1}{6}\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{n+1}{n}\times\dfrac{n+2}{n}\times\c
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}\right)^{\frac{e}{x}}$。($n\in N^+$)
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这里可以使用等价无穷小$e^x-1\sim x$。
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解:这里可以使用等价无穷小$e^x-1\sim x$。
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$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}\right)^{\frac{e}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{e}{x}\ln\left(\frac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}\right)}$
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@@ -430,7 +428,7 @@ $=e^{\frac{e}{n}\lim\limits_{x\to 0}\left(\frac{e^x-1}{x}+\frac{e^{2x}-1}{x}+\cd
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1-\cos x\sqrt{\cos 2x}\sqrt[3]{\cos 3x}}{\ln\cos x}$\medskip
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可以使用$\cos x-1\sim\dfrac{x^2}{2}$。\medskip
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解:可以使用$\cos x-1\sim\dfrac{x^2}{2}$。\medskip
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$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1-\cos x\sqrt{\cos 2x}\sqrt[3]{\cos 3x}}{\ln\cos x}$
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@@ -500,7 +498,7 @@ $\therefore \lim u^v=e^{\lim v\cdot\ln u}=e^{\lim v(u-1)}$
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\textbf{例题:}已知$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1-x)+xf(x)}{x^2}=0$,求$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{f(x)-1}{x}$。\medskip
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令目标$\dfrac{f(x)-1}{x}=t$,$\therefore f(x)=tx+1$。\medskip
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解:令目标$\dfrac{f(x)-1}{x}=t$,$\therefore f(x)=tx+1$。\medskip
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$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1-x)+xf(x)}{x^2}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1-x)+tx^2+x}{x^2} (\text{泰勒展开})$\medskip
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@@ -512,7 +510,7 @@ $\therefore\lim\limits_{x\to 0}t=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{f(x)-1}{x}=\dfrac{1}
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\textbf{例题:}如果$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x-\sin x+f(x)}{x^4}$存在,则$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^3}{f(x)}$为常数多少?
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由$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$,而目标是$x^3$,所以需要变形:
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解:由$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$,而目标是$x^3$,所以需要变形:
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$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$
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@@ -532,7 +530,7 @@ $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)\Leftrightarrow f(x)=A+\alpha(x),\lim\limits_{x\to x_
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\textbf{例题:}如果$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x-\sin x+f(x)}{x^4}$存在,则$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^3}{f(x)}$为常数多少?
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由$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$脱帽:$\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A+\alpha$。
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解:由$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$脱帽:$\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A+\alpha$。
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得到:$f(x)=Ax^4+\alpha\cdot x^4-(x-\sin x)$。
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@@ -552,7 +550,7 @@ $\therefore \lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^3}{f(x)}=-6$。
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\textbf{例题:}设$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1+x)-(ax+bx^2)}{x^2}=2$,求常数a,b。
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根据泰勒展开式:$x\to 0,\ln(1+x)=x-\dfrac{x^2}{x}+o(x^2)$,$x-\ln(1+x)\sim\dfrac{1}{2}x^2\sim 1-\cos x$。
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解:根据泰勒展开式:$x\to 0,\ln(1+x)=x-\dfrac{x^2}{x}+o(x^2)$,$x-\ln(1+x)\sim\dfrac{1}{2}x^2\sim 1-\cos x$。
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$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\ln(1+x)-(ax+bx^2)}{x^2}=2$
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@@ -568,7 +566,7 @@ $\therefore a=1;b=-\dfrac{5}{2}$。
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\textbf{例题:}确定常数$a$和$b$,使得$f(x)=x-(a+b\cos x)\sin x$当$x\to 0$时关于$x$的5阶等价无穷小。
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使用泰勒展开展开到五阶:
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解:使用泰勒展开展开到五阶:
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$f(x)=x-(a+b\cos x)\sin x$
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@@ -618,7 +616,7 @@ $\therefore a=-1,b=\dfrac{4}{3}$。
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\textbf{例题:}设$a$为常数,$\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{e^{\frac{1}{x}}-\pi}{e^{\frac{2}{x}}+1}+a\cdot\arctan\dfrac{1}{x}\right)$存在,求出极限值。
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因为求$x\to 0$,所以需要分两种情况讨论:
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解:因为求$x\to 0$,所以需要分两种情况讨论:
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\medskip
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@@ -647,7 +645,7 @@ $\lim\limits_{x\to 0^-}\left(\dfrac{e^{\frac{1}{x}}-\pi}{e^{\frac{2}{x}}+1}+a\cd
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e^{-\frac{1}{2}}, & & x\leqslant 0
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\end{array}\right.$在$x=0$处的连续性。
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因为$\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^+}\left[\dfrac{(1+x)^{\frac{1}{x}}}{e}\right]^{\frac{1}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0^+}\frac{1}{x}\ln[\frac{(1+x)^{\frac{1}{x}}}{e}]}$。
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解:因为$\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^+}\left[\dfrac{(1+x)^{\frac{1}{x}}}{e}\right]^{\frac{1}{x}}=e^{\lim\limits_{x\to 0^+}\frac{1}{x}\ln[\frac{(1+x)^{\frac{1}{x}}}{e}]}$。
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又$\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{1}{x}\ln\left[\dfrac{(1+x)^{\frac{1}{x}}}{e}\right]=\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{1}{x}\left[\dfrac{1}{x}\ln(1+x)-1\right]=\lim\limits_{x\to 0^+}\dfrac{\ln(1+x)-x}{x^2}$
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@@ -663,7 +661,7 @@ $\therefore\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=e^{-\frac{1}{2}}$。
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\textbf{例题:}函数在$f(x)$在$x=1$处连续,且$f(1)=1$,求$\lim\limits_{x\to+\infty}\ln\left[2+f\left(x^{\frac{1}{x}}\right)\right]$。
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根据题目,所求的$\lim\limits_{x\to+\infty}\ln\left[2+f\left(x^{\frac{1}{x}}\right)\right]$中,唯一未知的且会随着$x\to+\infty$而变换就是$f\left(x^{\frac{1}{x}}\right)$。如果我们可以求出这个值就可以了。
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解:根据题目,所求的$\lim\limits_{x\to+\infty}\ln\left[2+f\left(x^{\frac{1}{x}}\right)\right]$中,唯一未知的且会随着$x\to+\infty$而变换就是$f\left(x^{\frac{1}{x}}\right)$。如果我们可以求出这个值就可以了。
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而我们对于$f(x)$的具体的关系是未知的,只知道$f(1)=1$。那么先需要考察$\lim\limits_{x\to+\infty}x^{\frac{1}{x}}$的整数最大值。
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@@ -679,7 +677,7 @@ $\therefore\lim\limits_{x\to+\infty}f(x^{\frac{1}{x}})=f(1)=1$。
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\textbf{例题:}数列$\{a_n\}$满足$a_0=0,a_1=1,2a_{n+1}=a_n+a_{n-1},n=1,2,\cdots$。计算$\lim\limits_{n\to\infty}a_n$。
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首先看题目,给出的递推式设计到二阶递推,即存在三个数列变量,所以我们必须先求出对应的数列表达式。因为这个表达式涉及三个变量,所以尝试对其进行变型:
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解:首先看题目,给出的递推式设计到二阶递推,即存在三个数列变量,所以我们必须先求出对应的数列表达式。因为这个表达式涉及三个变量,所以尝试对其进行变型:
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$a_{n+1}-a_n=\dfrac{a_{n-1}-a_n}{2}=\left(-\dfrac{1}{2}\right)(a_n-a_{n-1})=\left(-\dfrac{1}{2}\right)^2(a_{n-1}-a_{n-2})$
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@@ -705,7 +703,7 @@ $\therefore\lim\limits_{n\to\infty}a_n=\dfrac{2}{3}$
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\textbf{例题:}$x_0=0$,$x_n=\dfrac{1+2x_{n-1}}{1+x_{n-1}}(n\in N*)$,求$\lim\limits_{n\to\infty}x_n$。\medskip
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首先应该知道数列的趋向都是趋向正无穷。
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解:首先应该知道数列的趋向都是趋向正无穷。
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然后对关系式进行变形:$x_n=\dfrac{1+2x_{n-1}}{1+x_{n-1}}=1+\dfrac{x_{n-1}}{1+x_{n-1}}=2-\dfrac{1}{1+x_{n-1}}$。
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@@ -733,7 +731,7 @@ $\therefore\lim\limits_{n\to\infty}x_n=\dfrac{1+\sqrt{5}}{2}$。
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\textbf{例题:}求出数列$\sqrt{2}$,$\sqrt{2+\sqrt{2}}$,$\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}$$\cdots$的极限。
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根据数列样式,无法通过普通的通项公式来表达,所以需要考虑使用递推式来表示:$x_{n+1}=\sqrt{2+x_n}$。
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解:根据数列样式,无法通过普通的通项公式来表达,所以需要考虑使用递推式来表示:$x_{n+1}=\sqrt{2+x_n}$。
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首先证明有界性:
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Binary file not shown.
@@ -46,7 +46,7 @@
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\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
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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$指$n\to+\infty$)。所以在该极限式子中将$x$当作类似$t$的常数。
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解: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$指$n\to+\infty$)。所以在该极限式子中将$x$当作类似$t$的常数。
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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:
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@@ -75,7 +75,7 @@ $f(x)$在$R$上连续。
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\textbf{例题:}$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
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6, & & x\leqslant 0 \\
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\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}, & & x>0
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\dfrac{e^{ax^3}-1}{x-\arcsin x}, & & x>0
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\end{array}
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\right.$,$g(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
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\dfrac{3\sin(x-1)}{x-1}, & & x<1 \\
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@@ -115,7 +115,7 @@ $\therefore a=-1,b=\ln 2$时$f(x)+g(x)$在$R$上连续。而$a\neq -1$时$f(x)+g
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\textbf{例题:}设$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+x}{1+x^{2n}}$,求其间断点并分析其类型。
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根据函数形式,我们需要首先回顾一下幂函数的性质,幂函数的变化趋势取决于底数。
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解:根据函数形式,我们需要首先回顾一下幂函数的性质,幂函数的变化趋势取决于底数。
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当$x=1$时,$x^n\equiv 1$,当$x\in(-\infty,-1)\cup(1,+\infty)$时,当$n\to\infty$时,$x^n\to\infty$,而$x\in(-1,1)$时,当$n\to\infty$时,$x^n\to 0$。
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@@ -138,7 +138,7 @@ $\therefore\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+x}{1+x^{2n}}=\left\{\begin{array}{lc
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\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。
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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。
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解: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。
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已经给出两个间断点的值为$x=1$和$x=e$,所以$ab$必然对应其中一个,但是不清楚到底谁是谁。
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Binary file not shown.
@@ -41,7 +41,7 @@
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\textbf{例题:}求$f(x)=x^{\sin x}(x>0)$的导数。
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取对数:
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解:取对数:
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$\therefore\ln y=\sin x\ln x$
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@@ -65,7 +65,7 @@ $e^{\sin x\cdot\ln x}(\sin x\cdot\ln x)'=x^{\sin x}\left(\cos\ln x+\dfrac{\sin x
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\textbf{例题:}设$f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
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\arctan x, & & x\leqslant 1 \\
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\dfrac{1}{2}(e^{x^2-1}-x)+\dfrac{\pi}{4}, & & x>1
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解: \dfrac{1}{2}(e^{x^2-1}-x)+\dfrac{\pi}{4}, & & x>1
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\end{array}
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\right.$,求$f'(x)$。
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@@ -97,7 +97,7 @@ $f(x)=\left\{\begin{array}{lcl}
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\end{array}
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\right.$,其中$b$为某常数,$f(x)$在定义域上处处可导,求$f'(x)$。
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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。
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解: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。
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而可导必连续,所以当$x=0$时$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
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@@ -151,7 +151,7 @@ $\therefore f'(0)=\lim\limits_{x\to 0}f'(x)$。计算过程类似。
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\end{array}
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\right.$,若$f'(x)$连续,则$\alpha$应该满足?
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若导数连续,则两侧导数相等。
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解:若导数连续,则两侧导数相等。
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$\lim\limits_{x\to 0^-}f'(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}2x=0$。
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@@ -175,7 +175,7 @@ $\therefore\alpha-2>0$,从而$\alpha>2$。
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\textbf{例题:}已知$f(x)$是周期为5的连续函数,它在$x=0$的某个邻域内满足关系式:$f(1+\sin x)-3f(1-\sin x)= 8x+o(x)$,且$f(x)$在$x=1$处可导,求曲线$y=f(x)$在点$(6,f(6))$处的切线方程。
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因为这是个函数等式,而我们最后要求的是一个导数,所以先尝试对其直接求极限,令$x\to0$:
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解:因为这是个函数等式,而我们最后要求的是一个导数,所以先尝试对其直接求极限,令$x\to0$:
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$f(1)-3f(1)=0$,从而得到了一个函数值$f(1)=0$。
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@@ -217,7 +217,7 @@ L01
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\textbf{例题:}设$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
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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$。
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解: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$。
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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
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@@ -233,7 +233,7 @@ $\therefore\lim\limits_{h\to 0}\dfrac{h}{f(5-2\sin h)-f(5)}=-\dfrac{1}{2}$。
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\textbf{例题:}设$f(x)$在$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
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设$\dfrac{1}{n}=x$,则:
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解:设$\dfrac{1}{n}=x$,则:
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$=\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}}$
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@@ -251,7 +251,7 @@ $=e^{2\lim\limits_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}}=e^{2f'(0)}=e^6$。
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\textbf{例题:}已知$f(x)=x^2(x+1)^2(x+2)^2\cdots(x+n)^2$,求$f''(0)$。
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因为式子中带有未知数$n$,所以结果很可能会带有$n$。
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解:因为式子中带有未知数$n$,所以结果很可能会带有$n$。
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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。
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@@ -289,13 +289,13 @@ $\quad\quad\quad+x^2(x+1)^2(x+2)^2\cdots 2(x+n)$
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\textbf{例题:}已知$y=x+e^x$,求其反函数的二阶导数。
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$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}$。\medskip
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解:$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}$。\medskip
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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}$。
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\textbf{例题:}已知$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\dfrac{1}{y'}$,求$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}y^2}$和$\dfrac{\textrm{d}^3x}{\textrm{d}y^3}$。
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其实就是求$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}y^2}$和$\dfrac{\textrm{d}^3x}{\textrm{d}y^3}$,$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\dfrac{1}{y'}$这个条件只是让我们用$y'$来表示结果而已。
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解:其实就是求$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}y^2}$和$\dfrac{\textrm{d}^3x}{\textrm{d}y^3}$,$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\dfrac{1}{y'}$这个条件只是让我们用$y'$来表示结果而已。
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$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}y^2}=\dfrac{\textrm{d}\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}}{\textrm{d}y}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}}{\textrm{d}x}}{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}}=\dfrac{-\dfrac{y''}{(y')^2}}{y'}=-\dfrac{y''}{(y')^3}$。\medskip
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@@ -315,7 +315,7 @@ $\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}t}}{\dfra
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\textbf{例题:}落在平静水面上的石头,产生同心波纹。若最外一圈波半径的增大速率总是6m/s,问在2s末扰动水面面积增大的速率为多少?
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首先根据题目最后的要求的是面积,所以肯定要设一个面积变量,随时间变动而改变,所以也一定会设一个时间变量,同时还给出一个条件是半径增大速度,所以也会有一个半径的变量。同时要求的是面积增大速率,正好跟另外两个变量相关,时间跟半径和面积都相关,所以时间就是中间变量。
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解:首先根据题目最后的要求的是面积,所以肯定要设一个面积变量,随时间变动而改变,所以也一定会设一个时间变量,同时还给出一个条件是半径增大速度,所以也会有一个半径的变量。同时要求的是面积增大速率,正好跟另外两个变量相关,时间跟半径和面积都相关,所以时间就是中间变量。
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从而设最外一圈波的半径为$r=r(t)$,圆的面积$S=S(t)$。根据$S$和$r$的公式$S=\pi r^2$,因为求的是随时间变化的速率,所以其两端分别对$t$求导,得:
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@@ -331,7 +331,7 @@ $\dfrac{\textrm{d}S}{\textrm{d}t}\bigg|_{t=2}=2\pi\cdot12\cdot6=144\pi$。
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\end{array}
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\right.$确定,求其一阶导数与二阶导数。
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$\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}$。
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解:$\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}$。
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$\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}$。
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@@ -341,7 +341,7 @@ $\dfrac{\textrm{d}^2y}{\textrm{d}x^2}=\dfrac{\textrm{d}\left(\dfrac{\textrm{d}y}
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\textbf{例题:}求$y=x+\vert\sin 2x\vert$的单调区间。
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因为函数的定义域为$R$。
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解:因为函数的定义域为$R$。
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又$y=\left\{\begin{array}{lcl}
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x+\sin 2x, & & n\pi\leqslant x\leqslant n\pi+\dfrac{\pi}{2} \\
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@@ -375,7 +375,7 @@ $\left[x=n\pi+\dfrac{5\pi}{6},(n+1)\pi\right]$($n=0,\pm 1,\pm2,\cdots$)。
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\textbf{例题:}决定曲线$y=ax^3+bx^2+cx+d$中参数,使得$x=-2$处曲线有水平切线,$(1,-10)$为拐点,且点$(-2,44)$在曲线上。
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$y'=3ax^2+2bx+c$,$y''=6ax+2b$。
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解:$y'=3ax^2+2bx+c$,$y''=6ax+2b$。
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因为$x=-2$处曲线有水平切线,即$y'\vert_{x=-2}=12a-4b+c=0$。
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@@ -401,7 +401,7 @@ $(1,-10)$为拐点,代入:$y''\vert_{x=1}=6a+2b=0$,$y\vert_{x=1}=a+b+c+d=-
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\textbf{例题:}求$y=\sin x$在$x=\dfrac{\pi}{4}$对应的曲率
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$y'=\cos x$,$y'(\dfrac{\pi}{4})=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$。
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解:$y'=\cos x$,$y'(\dfrac{\pi}{4})=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$。
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$y''=-\sin x$,$y''(\dfrac{\pi}{4})=-\dfrac{\sqrt{2}}{2}$。
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@@ -413,7 +413,7 @@ $\therefore k=\dfrac{\dfrac{\sqrt{2}}{2}}{\dfrac{3}{2}\cdot\sqrt{\dfrac{3}{2}}}=
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\textbf{例题:}求$y=x^2-4x+11$曲率最大值所在的点。
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简单得$y'=2x-4$,$y''=2$。
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解:简单得$y'=2x-4$,$y''=2$。
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曲率为$\dfrac{2}{[1+(2x-4)^2]^{\frac{3}{2}}}$。
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Binary file not shown.
@@ -41,7 +41,7 @@
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\textbf{例题:}汽车以20m/s的速度行驶,刹车后匀减速行驶了50m停止,求刹车加速度。
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已知题目含有两个变量:距离和时间,设距离为$s$,时间为$t$。
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解:已知题目含有两个变量:距离和时间,设距离为$s$,时间为$t$。
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因为汽车首先按20m/s匀速运动,所以$\dfrac{\textrm{d}s}{\textrm{d}t}\bigg\vert_{t=0}=20$,最开始距离为0,所以$s\vert_{t=0}=0$。
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@@ -69,11 +69,13 @@
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}x}{x\ln x\ln\ln x}}$。 \medskip
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$=\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}(\ln x)}{\ln x\ln\ln x}}=\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}(\ln\ln x)}{\ln\ln x}}=\ln\vert\ln\ln x\vert+C$。\medskip
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解:$=\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}(\ln x)}{\ln x\ln\ln x}}=\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}(\ln\ln x)}{\ln\ln x}}=\ln\vert\ln\ln x\vert+C$。\medskip
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{10^{2\arccos x}}{\sqrt{1-x^2}}\,\textrm{d}x}$。
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$=-\displaystyle{\int10^{2\arccos x}\,\textrm{d}(\arccos x)}=-\dfrac{1}{2}\displaystyle{\int10^{2\arccos x}\,\textrm{d}(2\arccos x)}=-\dfrac{10^{2\arccos x}}{2\ln10}+C$。
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解:$=-\displaystyle{\int10^{2\arccos x}\,\textrm{d}(\arccos x)}=-\dfrac{1}{2}\displaystyle{\int10^{2\arccos x}\,\textrm{d}(2\arccos x)}$
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$=-\dfrac{10^{2\arccos x}}{2\ln10}+C$。
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\paragraph{积化和差} \leavevmode \medskip
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@@ -81,7 +83,7 @@ $=-\displaystyle{\int10^{2\arccos x}\,\textrm{d}(\arccos x)}=-\dfrac{1}{2}\displ
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\sin2x\cos3x\,\textrm{d}x}$。
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$=\displaystyle{\int\cos3x\sin2x\,\textrm{d}x=\dfrac{1}{2}\int(\sin5x-\sin x)\,\textrm{d}x}$
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解:$=\displaystyle{\int\cos3x\sin2x\,\textrm{d}x=\dfrac{1}{2}\int(\sin5x-\sin x)\,\textrm{d}x}$
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$=\dfrac{1}{2}\int\sin5x\,\textrm{d}x-\dfrac{1}{2}\int\sin x\,\textrm{d}x=-\dfrac{1}{10}\cos5x+\dfrac{1}{2}\cos x+C$。
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@@ -91,7 +93,9 @@ $=\dfrac{1}{2}\int\sin5x\,\textrm{d}x-\dfrac{1}{2}\int\sin x\,\textrm{d}x=-\dfra
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\textbf{例题:}$\displaystyle{\int\tan^3x\sec x\,\textrm{d}x}$。
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$=\displaystyle{\int(\sec^2x-1)}\tan x\sec x\,\textrm{d}x=\displaystyle{\int(\sec^2x-1)}\,\textrm{d}(\sec x)=\dfrac{1}{3}\sec^3x-\sec x+C$。
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解:$=\displaystyle{\int(\sec^2x-1)}\tan x\sec x\,\textrm{d}x=\displaystyle{\int(\sec^2x-1)}\,\textrm{d}(\sec x)$
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$=\dfrac{1}{3}\sec^3x-\sec x+C$。
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需要利用到有理积分的高阶多项式分配与低阶多项式因式分解。
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@@ -101,7 +105,7 @@ $=\displaystyle{\int(\sec^2x-1)}\tan x\sec x\,\textrm{d}x=\displaystyle{\int(\se
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\textbf{例题:}求$\int(\arcsin x)^2\,\textrm{d}x$。
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令$\arcsin x=t$,$\therefore x=\sin t$,$\textrm{d}x=\cos t\,\textrm{d}t$。
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解:令$\arcsin x=t$,$\therefore x=\sin t$,$\textrm{d}x=\cos t\,\textrm{d}t$。
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$=\int t^2\cos t\,\textrm{d}t$。除了换元法还需要使用分部积分法,可以直接进行分部积分也可以使用下面讲到的分部积分拓展公式的表格法来计算,$\cos t$更难求导,所以对其积分,放在下面,$t^2$容易求导,所以对其求导,放在上面:\medskip
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@@ -130,7 +134,7 @@ $\therefore=t^2\sin t-2t\cos t-\sin t+C=(\arcsin x)^2x+2\arcsin x\sqrt{1-x^2}-2x
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}x}{1+\sqrt[3]{x+1}}}$。
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令$u=\sqrt[3]{x+1}$,从而$x=u^3-1$,$\textrm{d}x=3u^2\,\textrm{d}u$。
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解:令$u=\sqrt[3]{x+1}$,从而$x=u^3-1$,$\textrm{d}x=3u^2\,\textrm{d}u$。
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$=\displaystyle{\int\dfrac{3u^2}{1+u}\textrm{d}u=\int\dfrac{3u^2+3u-3u-3+3}{1+u}\textrm{d}u=\int\left(3u-3+\dfrac{3}{1+u}\right)\textrm{d}u}$
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@@ -138,7 +142,9 @@ $=\dfrac{3}{2}u^2-3u+3\ln\vert1+u\vert+C=\dfrac{3}{2}\sqrt[3]{(x+1)^2}-3\sqrt[3]
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\sqrt{\dfrac{1-x}{1+x}}\dfrac{\textrm{d}x}{x}}$。\medskip
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令$u=\sqrt{\dfrac{1-x}{1+x}}$,$x=\dfrac{1-u^2}{1+u^2}$,$\textrm{d}x=\textrm{d}\left(\dfrac{1-u^2}{1+u^2}\right)=\dfrac{-2u(1+u^2)-2u(1-u^2)}{(1+u^2)^2}$
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解:令$u=\sqrt{\dfrac{1-x}{1+x}}$,$x=\dfrac{1-u^2}{1+u^2}$。
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$\therefore\textrm{d}x=\textrm{d}\left(\dfrac{1-u^2}{1+u^2}\right)=\dfrac{-2u(1+u^2)-2u(1-u^2)}{(1+u^2)^2}$
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$=\displaystyle{\int u\cdot\dfrac{1+u^2}{1-u^2}\cdot\dfrac{-4u}{(1+u^2)^2}\textrm{d}u=\int\dfrac{-4u^2}{(1-u)(1+u)(1+u^2)}\textrm{d}u}$
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@@ -166,7 +172,7 @@ $=2\arctan\sqrt{\dfrac{1-x}{1+x}}+\ln\left\vert\dfrac{\sqrt{1+x}-\sqrt{1-x}}{\sq
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}x}{3+\cos x}}$。
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令$u=\tan\dfrac{x}{2}$,从而$\cos x=\dfrac{1-u^2}{1+u^2}$:
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解:令$u=\tan\dfrac{x}{2}$,从而$\cos x=\dfrac{1-u^2}{1+u^2}$:
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$=\displaystyle{\int\dfrac{1}{3+\dfrac{1-u^2}{1+u^2}}\cdot\dfrac{2}{1+u^2}\textrm{d}u=\dfrac{1}{2+u^2}\textrm{d}u=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\arctan\dfrac{u}{\sqrt{2}}+C}$
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@@ -184,7 +190,7 @@ $=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\arctan\dfrac{\tan\dfrac{x}{2}}{\sqrt{2}}+C$。
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}x}{1+\sqrt{1-x^2}}}$。\medskip
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令$x=\sin t$($t\in\left(-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right)$),所以$\sqrt{1-x^2}=\cos t$,$\textrm{d}x=\cos t\,\textrm{d}t$,$t=\arcsin x$。
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解:令$x=\sin t$($t\in\left(-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right)$),所以$\sqrt{1-x^2}=\cos t$,$\textrm{d}x=\cos t\,\textrm{d}t$,$t=\arcsin x$。
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因为式子$\dfrac{1}{1+\sqrt{1-x^2}}>0$,单调递减,所以不用讨论正负号。
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@@ -200,7 +206,7 @@ $=\arcsin x-\dfrac{x}{1+\sqrt{1-x^2}}+C$。
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{x^3+1}{(x^2+1)^2}\textrm{d}x}$。\medskip
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虽然本题目看着可以从分母解开平方,然后低阶分配,但是这分母是平方的式子很难分配,所以需要使用换元法。
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解:虽然本题目看着可以从分母解开平方,然后低阶分配,但是这分母是平方的式子很难分配,所以需要使用换元法。
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令$x=\tan t$,$t\in\left(-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right)$,$x^2+1=\sec^2t$,$\textrm{d}x=\sec^2t\,\textrm{d}t$。
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@@ -224,7 +230,7 @@ $=\dfrac{1+x}{2(1+x^2)}+\dfrac{1}{2}\ln(1+x^2)+\dfrac{1}{2}\textrm{arctan}\,x+C$
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{\sqrt{x^2-9}}{x}\textrm{d}x}$。
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令$x=3\sec t$。$\therefore\sqrt{x^2-9}=3\tan t$,$\textrm{d}x=3\sec t\tan t\,\textrm{d}t$。\medskip
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解:令$x=3\sec t$。$\therefore\sqrt{x^2-9}=3\tan t$,$\textrm{d}x=3\sec t\tan t\,\textrm{d}t$。\medskip
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因为式子$\dfrac{\sqrt{x^2-9}}{x}$的分子必然为为正,而对于分子在0两边的单调性不同,所以需要对$x$进行正负区分,又$x\in(-\infty,-3]\cup[3,+\infty)$,所以:
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@@ -252,7 +258,7 @@ $=\sqrt{x^2-9}-3\arccos\dfrac{3}{-x}+C$。
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}x}{x+\sqrt{1-x^2}}}$。\medskip
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令$x=\sin t$,所以$\sqrt{1-x^2}=\cos t$,$\textrm{d}x=\cos t\,\textrm{d}t$。
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解:令$x=\sin t$,所以$\sqrt{1-x^2}=\cos t$,$\textrm{d}x=\cos t\,\textrm{d}t$。
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$\because x+\sqrt{1-x^2}$可能为正可能为负,正负时单调性不同,所以令$ x+\sqrt{1-x^2}=0$,即$\sin t=-\dfrac{\sqrt{2}}{2}$,从而$t\in(-\dfrac{\pi}{2},-\dfrac{\pi}{4})\cup(-\dfrac{\pi}{4},\dfrac{\pi}{2})$。
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@@ -292,7 +298,7 @@ $I_1-I_2=\displaystyle{\int\dfrac{\cos t-\sin t}{\sin t+\cos t}\textrm{d}t=\int\
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\textbf{例题:}求$\int x^2\arctan x\,\textrm{d}x$。
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$=\dfrac{1}{3}\int\arctan x\,\textrm{d}(x^3)=\dfrac{1}{3}x^3\arctan x-\dfrac{1}{3}\int x^3\,\textrm{d}(\arctan x)$
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解:$=\dfrac{1}{3}\int\arctan x\,\textrm{d}(x^3)=\dfrac{1}{3}x^3\arctan x-\dfrac{1}{3}\int x^3\,\textrm{d}(\arctan x)$
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$=\dfrac{1}{3}x^3\arctan x-\dfrac{1}{3}\displaystyle{\int\dfrac{x^3}{1+x^2}\textrm{d}x}=\dfrac{1}{3}x^3\arctan x-\dfrac{1}{3}\displaystyle{\int\dfrac{x+x^3-x}{1+x^2}\textrm{d}x}$
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@@ -308,7 +314,7 @@ $=\dfrac{1}{3}x^3\arctan x-\dfrac{1}{6}x^2+\dfrac{1}{6}\ln(1+x^2)+C$。
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\textbf{例题:}求$\int x\tan^2x\,\textrm{d}x$。
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$=\int x(\sec^2-1)\,\textrm{d}x=\int x\,\textrm{d}(\tan x)-\dfrac{x^2}{2}=x\tan x+\ln\vert\cos x\vert-\dfrac{x^2}{2}+C$。
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解:$=\int x(\sec^2-1)\,\textrm{d}x=\int x\,\textrm{d}(\tan x)-\dfrac{x^2}{2}=x\tan x+\ln\vert\cos x\vert-\dfrac{x^2}{2}+C$。
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\subsubsection{多次分部}
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@@ -320,7 +326,7 @@ $=\int x(\sec^2-1)\,\textrm{d}x=\int x\,\textrm{d}(\tan x)-\dfrac{x^2}{2}=x\tan
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\textbf{例题:}求$\int e^x\sin^2x\,\textrm{d}x$。
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$=\sin^2x\cdot e^x-\int e^x\,\textrm{d}(\sin^2x)=\sin^2x\cdot e^x-\int e^x\cdot\sin 2x\,\textrm{d}x$
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解:$=\sin^2x\cdot e^x-\int e^x\,\textrm{d}(\sin^2x)=\sin^2x\cdot e^x-\int e^x\cdot\sin 2x\,\textrm{d}x$
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$=\sin^2x\cdot e^x-\int\sin2x\,\textrm{d}(e^x)=\sin^2x\cdot e^x-\sin2x\cdot e^x+\int e^x\,\textrm{d}(\sin2x)$
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@@ -346,7 +352,9 @@ $=\dfrac{e^x(5\sin^2x-\sin2x+2\cos2x)}{5}+C=e^x\left(\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{5}\s
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\subsubsection{分部积分推广公式}
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分部积分法可以直接利用表格简便计算,以三次导数的积分为例:
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分部积分法可以直接利用表格简便计算,特别是积分式子中含有$f(x)$这种不定的因子。
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如何得到分部积分推广公式?以三次导数的积分为例:
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$\int uv'''\,\textrm{d}x=\int u\,\textrm{d}(v'')=uv''-\int v''u'\,\textrm{d}x$
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@@ -370,7 +378,9 @@ $\therefore\int uv'''\,\textrm{d}x=uv''-u'v'+u''v-\int u'''v\,\textrm{d}x$。
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\textbf{例题:}求$\int(x^3+2x+6)e^{2x}\,\textrm{d}x$。
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如果要一般求,则需要拆分:$\int(x^3+2x+6)e^{2x}\,\textrm{d}x=\int x^3e^{2x}\,\textrm{d}x+2\int xe^{2x}\,\textrm{d}x+6\int e^2x\,\textrm{d}x$。
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解:如果要一般求,则需要拆分:
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$\int(x^3+2x+6)e^{2x}\,\textrm{d}x=\int x^3e^{2x}\,\textrm{d}x+2\int xe^{2x}\,\textrm{d}x+6\int e^2x\,\textrm{d}x$。
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而如果使用分部积分的推广公式,令$u=x^3+2x+6$,$v=e^{2x}$。\medskip
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@@ -385,6 +395,8 @@ $\therefore=(x^3+2x+6)\left(\dfrac{1}{2}e^{2x}\right)-(3x^2+2)\left(\dfrac{1}{4}
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\textbf{例题:}求$\int x^2\ln x\,\textrm{d}x$。\medskip
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解:
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\begin{tabular}{|c|c|}
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\hline
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$\ln x$ & $\dfrac{1}{x}$ \\ \hline
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@@ -400,7 +412,7 @@ $\therefore=\dfrac{1}{3}x^3\ln x-\displaystyle{\int\dfrac{1}{x}\dfrac{1}{3}x^3\,
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\textbf{例题:}求$\int e^{\sqrt[3]{x}}\,\textrm{d}x$。
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令$\sqrt[3]{x}=u$,从而$x=u^3$,$\textrm{d}x=3u^2\,\textrm{d}u$。
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解:令$\sqrt[3]{x}=u$,从而$x=u^3$,$\textrm{d}x=3u^2\,\textrm{d}u$。
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$=3\int e^uu^2\,\textrm{d}u=3\int u^2\,\textrm{d}(e^u)=3u^2e^u-3\int e^u\,\textrm{d}(u^2)=3u^2e^u-6\int e^uu\,\textrm{d}u$
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@@ -410,7 +422,7 @@ $=3e^u(u^2-2u+2)+C=3e^{\sqrt[3]{x}}(x^{\frac{2}{3}}-2x^{\frac{1}{3}}+2)+C$。
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\textbf{例题:}求$\int e^{\sqrt{3x+9}}\,\textrm{d}x$。
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令$\sqrt{3x+9}=u$,从而$x=\dfrac{1}{3}(u^2-9)$,$\textrm{d}x=\dfrac{2}{3}u\,\textrm{d}u$:
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解:令$\sqrt{3x+9}=u$,从而$x=\dfrac{1}{3}(u^2-9)$,$\textrm{d}x=\dfrac{2}{3}u\,\textrm{d}u$:
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$=\displaystyle{\dfrac{2}{3}\int ue^u\,\textrm{d}u=\dfrac{2}{3}\int u\,\textrm{d}(e^u)=\dfrac{2}{3}ue^u-\int\dfrac{2}{3}e^u\,\textrm{d}u=\dfrac{2}{3}ue^u-\dfrac{2}{3}e^u+C}$
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@@ -426,7 +438,7 @@ $=\dfrac{2}{3}e^{\sqrt{3x+9}}(\sqrt{3x+9}-1)+C$。
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\textbf{例题:}$\displaystyle{\int\dfrac{x^3}{x^2+9}\,\textrm{d}x}$。 \medskip
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$=\displaystyle{\int\dfrac{x^3+9x-9x}{x^2+9}\,\textrm{d}x=\int\dfrac{x^3+9x}{x^2+9}\,\textrm{d}x-\int\dfrac{9x}{x^2+9}\,\textrm{d}x}$ \medskip
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解:$=\displaystyle{\int\dfrac{x^3+9x-9x}{x^2+9}\,\textrm{d}x=\int\dfrac{x^3+9x}{x^2+9}\,\textrm{d}x-\int\dfrac{9x}{x^2+9}\,\textrm{d}x}$ \medskip
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$\displaystyle{=\int x\,\textrm{d}x-\dfrac{9}{2}\int\dfrac{\textrm{d}(x^2+9)}{x^2+9}}=\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{9}{2}\ln(9+x^2)+C$。
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@@ -447,7 +459,7 @@ $\displaystyle{=\int x\,\textrm{d}x-\dfrac{9}{2}\int\dfrac{\textrm{d}(x^2+9)}{x^
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{x^2+1}{(x+1)^2(x-1)}\textrm{d}x}$。\medskip
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令$\dfrac{A}{x+1}+\dfrac{B}{(x+1)^2}+\dfrac{C}{x-1}=\dfrac{x^2+1}{(x+1)^2(x-1)}$。 \medskip
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解:令$\dfrac{A}{x+1}+\dfrac{B}{(x+1)^2}+\dfrac{C}{x-1}=\dfrac{x^2+1}{(x+1)^2(x-1)}$。 \medskip
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通分:$=A(x+1)(x-1)+B(x-1)+C(x+1)^2$
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@@ -479,7 +491,7 @@ $=\dfrac{1}{2}\ln\vert x-1\vert+\dfrac{1}{2}\ln\vert x+1\vert+\dfrac{1}{x+1}+C=\
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{x-1}{x^2+2x+3}\textrm{d}x}$。
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因为$x^2+2x+3$不能因式分解,所以考虑将分子按照分母形式进行分配。优先对高阶的$x$进行分配。
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解:因为$x^2+2x+3$不能因式分解,所以考虑将分子按照分母形式进行分配。优先对高阶的$x$进行分配。
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首先因为分子最高阶为$x$只比分母最高阶$x^2$低一阶,所以考虑将$x-1$分配到微分号内。
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@@ -497,7 +509,7 @@ $=\dfrac{1}{2}\ln(x^2+2x+3)-\sqrt{2}\arctan\dfrac{x+1}{\sqrt{2}}+C$。
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{x^5+x^4-8}{x^3-x}\textrm{d}x}$。
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$=\displaystyle{\int\dfrac{x^5-x^3+x^4-x^2+x^3-x+x^2+x-8}{x^3-x}\textrm{d}x}$
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解:$=\displaystyle{\int\dfrac{x^5-x^3+x^4-x^2+x^3-x+x^2+x-8}{x^3-x}\textrm{d}x}$
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$=\int x^2\,\textrm{d}x+\int x\,\textrm{d}x+\int\textrm{d}x+\displaystyle{\int\dfrac{x^x+x-8}{x^3-x}\textrm{d}x}=\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^2}{2}+x+\displaystyle{\int\dfrac{x^2+x-8}{x^3-x}\textrm{d}x}$
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@@ -515,7 +527,7 @@ $=\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^2}{2}+x+8\ln\vert x\vert-4\ln\vert x+1\vert-3\ln\vert
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\textbf{例题:}求$\displaystyle{\int\dfrac{-x^2-2}{(x^2+x+1)^2}\textrm{d}x}$。
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首先根据因式分解:$\dfrac{-x^2-2}{(x^2+x+1)^2}=\dfrac{Ax+B}{x^2+x+1}+\dfrac{Cx+D}{(x^2+x+1)^2}$。
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解:首先根据因式分解:$\dfrac{-x^2-2}{(x^2+x+1)^2}=\dfrac{Ax+B}{x^2+x+1}+\dfrac{Cx+D}{(x^2+x+1)^2}$。
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$\therefore Ax^3+(A+B)x^2+(A+B+C)x+(B+D)=-x^2-2$。
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@@ -569,7 +581,7 @@ $=-\dfrac{4x+3}{2(x^2+x+1)}-\dfrac{6}{\sqrt{3}}\arctan\dfrac{2x+1}{\sqrt{3}}+C$
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{n\to\infty}\left(\dfrac{1}{n+1}+\dfrac{1}{n+2}\cdots+\dfrac{1}{n+n}\right)$。
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即求$\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1}{n+i}$。如果我们要传统求的话一般使用夹逼准则,找到放缩的两个函数。
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解:即求$\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1}{n+i}$。如果我们要传统求的话一般使用夹逼准则,找到放缩的两个函数。
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所以找到两个:$\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1}{n+n}<\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1}{n+i}<\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1}{n+1}$。
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@@ -581,7 +593,7 @@ $\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1}{n+i}=\lim\limits_{n\to\inf
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{n\to\infty}\left(\dfrac{n+1}{n^2+1}+\dfrac{n+2}{n^2+4}+\cdots+\dfrac{n+n}{n^2+n^2}\right)$。
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即求$\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{n+i}{n^2+i^2}=\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{n^2+ni}{n^2+i^2}\cdot\dfrac{1}{n}=\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1+\dfrac{i}{n}}{1+\left(\dfrac{i}{n}\right)^2}\cdot\dfrac{1}{n}$
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解:即求$\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{n+i}{n^2+i^2}=\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{n^2+ni}{n^2+i^2}\cdot\dfrac{1}{n}=\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{1+\dfrac{i}{n}}{1+\left(\dfrac{i}{n}\right)^2}\cdot\dfrac{1}{n}$
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$=\displaystyle{\int_0^1\dfrac{1+x}{1+x^2}\textrm{d}x}=\displaystyle{\int_0^1\dfrac{1}{1+x^2}\textrm{d}x+\int_0^1\dfrac{x}{1+x^2}\textrm{d}x}$
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@@ -603,6 +615,106 @@ $=\left[\arctan x+\dfrac{1}{2}\ln(1+x^2)\right]_0^1=\dfrac{\pi}{4}+\dfrac{1}{2}\
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\subsection{体积}
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\subsection{平均值}
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\subsection{弧长}
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\section{积分等式}
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包括证明带有积分的等式、方程根、积分中值定理等。
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\subsection{中值定理}
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\textbf{例题:}设$f(x)$、$g(x)$在$[a,b]$上连续且$g(x)$不变号,证明至少存在一点$\xi\in[a,b]$使得$\int_a^bf(x)g(x)\,\textrm{d}x=f(\xi)\int_a^bg(x)\,\textrm{d}x$。(推广中值定理)
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若$g(x)\equiv1$,则结论就是$\int_a^bf(x)\,\textrm{d}x=f(\xi)(b-a)$积分中值定理。
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证明:若$g(x)\equiv0$则等式显然成立。若$g(x)$不变号,则不妨设$g(x)>0$。
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令$F(x)=\int_a^xf(t)g(t)\,\textrm{d}t$,$G(x)=\int_a^xg(t)\,\textrm{d}t$。
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由柯西中值定理可得$\dfrac{F(b)-F(a)}{G(b)-G(a)}=\dfrac{F'(\xi)}{G'(\xi)}=\dfrac{\int_a^bf(x)g(x)\,\textrm{d}x}{\int_a^bg(x)\,\textrm{d}x}=\dfrac{f(\xi)g(\xi)}{g(\xi)}$。
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$\therefore\int_a^bf(x)g(x)\,\textrm{d}x=f(\xi)\int_a^bg(x)\,\textrm{d}x$,$\xi\in(a,b)\subset[a,b]$。
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同理$g(x)<0$也如此。
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\subsection{夹逼准则}
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夹逼准则一般用于求数列极限,若极限号后面有积分号可以考虑使用夹逼准则。
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\section{积分不等式}
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带积分号的不等问题。
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\subsection{函数单调性}
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将某一限一般是上限变量化,然后移项构造辅助函数,由辅助函数的单调性来证明不等式,多用于所给条件为“$f(x)$在$[a,b]$上连续”的情况,因为函数连续必然可积分与求导。
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\textbf{例题:}设$f(x)$在$[a,b]$上连续,且$f(x)>0$,证明$\displaystyle{\int_a^bf(x)\,\textrm{d}x\int_a^b\dfrac{1}{f(x)}\textrm{d}x}\geqslant(b-a)^2$。
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证明:令$F(x)=\displaystyle{\int_a^xf(t)\,\textrm{d}t\int_a^x\dfrac{1}{f(t)}\textrm{d}t-(x-a)^2}$。目标是证明$F(b)\geqslant0$。
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$F'(x)=f(x)\cdot\displaystyle{\int_a^x\dfrac{1}{f(t)}\textrm{d}t+\int_a^xf(t)\,\textrm{d}t\dfrac{1}{f(x)}}-2(x-a)$
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$=\displaystyle{\int_a^x\dfrac{f(x)}{f(t)}\textrm{d}t+\int_a^x\dfrac{f(t)}{f(x)}\textrm{d}t-2(x-a)=\int_a^x\left[\dfrac{f(x)}{f(t)}+\dfrac{f(t)}{f(x)}\right]\textrm{d}t-2(x-a)}$
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又$\dfrac{f(x)}{f(t)}+\dfrac{f(t)}{f(x)}\geqslant2\sqrt{\dfrac{f(x)}{f(t)}\cdot\dfrac{f(t)}{f(x)}}=2$。
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$\therefore\geqslant\int_a^x2\,\textrm{d}t-2(x-a)=2(x-a)-2(x-a)=0$。
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从而$F'(x)\geqslant0$,等于0不恒成立,所以$F(x)$在$[a,b]$上单调增,从而$F(b)>F(a)$,$\displaystyle{\int_a^xf(t)\,\textrm{d}t\int_a^x\dfrac{1}{f(t)}\textrm{d}t-(x-a)^2}>0$。
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所以$\displaystyle{\int_a^bf(x)\,\textrm{d}x\int_a^b\dfrac{1}{f(x)}\textrm{d}x}\geqslant(b-a)^2$
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\textbf{例题:}设$f(x)$在$[0,1]$上连续递减,证明$0<\lambda<1$时$\int_0^\lambda f(x)\,\textrm{d}x\geqslant\lambda\int_0^1f(x)\,\textrm{d}x$。
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证明:看到$\lambda$和1,可以做出辅助函数$\dfrac{\int_0^xf(t)\,\textrm{d}t}{x}$,即要证明$F(\lambda)\geqslant F(1)$。
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又$\lambda<1$,所以只用证明$F(x)$在$[0,1]$上递减。
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则$F'(x)=\dfrac{f(x)x-\int_0^xf(t)\,\textrm{d}t}{x^2}$,又根据积分中值定理$\int_0^xf(t)\,\textrm{d}t=f(\xi)(x-0)$,$\xi\in(0,x)$。
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$\therefore=\dfrac{f(x)x-f(\xi)x}{x^2}=\dfrac{f(x)-f(\xi)}{x}$,因为$f(x)$在$[0,1]$上递减,$\xi<x$,$f(\xi)>f(x)$。
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所以$F'(x)<0$,所以$F(x)$单调递减,从而$F(\lambda)\geqslant F(1)$,所以得证。
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\subsection{拉格朗日中值定理}
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多用于所给条件为“$f(x)$一阶可导”且某一端点值较简单甚至为0的题目。
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一阶导数不代表导数连续,导数可能存在震荡间断点。
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\textbf{例题:}设$f(x)$在$[0,1]$上具有一阶连续导数,且$f(0)=f(1)=0$,证明:$\vert\int_0^1f(x)\,\textrm{d}x\vert\leqslant\dfrac{1}{4}\max\limits_{x\in[0,1]}\{\vert f'(x)\vert\}$。
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证明:在$[0,1]$中任意取一点$x$,进行两次拉格朗日中值定理。
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$f(x)-f(0)=f'(\xi_1)(x-0)$($\xi_1\in(0,x)$),$f(x)=f'(\xi_1)x$。
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$f(1)-f(x)=f'(\xi_2)(1-x)$($\xi_2\in(x,1)$),$-f(x)=f'(\xi_2)(1-x)$。
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根据不等式性质:$\vert\int_0^1f(x)\,\textrm{d}x\vert=\vert\int_0^xf(t)\,\textrm{d}t+\int_x^1f(t)\,\textrm{d}t\vert$
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$\leqslant\vert\int_0^xf(t)\,\textrm{d}t\vert+\vert\int_x^1f(t)\,\textrm{d}t\vert\leqslant\int_0^x\vert f(t)\vert\,\textrm{d}t+\int_x^1\vert f(t)\vert\,\textrm{d}t$
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$\xi_1\in(0,x)$上代入$f(x)=f'(\xi_1)x$,$\xi_2\in(x,1)$上代入$-f(x)=f'(\xi_2)(1-x)$。
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$=\int_0^x\vert f'(\xi_1)\vert t\,\textrm{d}t+\int_x^1\vert f'(\xi_2)\vert(1-t)\,\textrm{d}t$,令$M=\max\limits_{x\in[0,1]}\{\vert f'(x)\vert\}$。
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$\leqslant\int_0^xMt\,\textrm{d}t+\int_x^1M(1-t)\,\textrm{d}t=M\left(\int_0^xt\,\textrm{d}t+\int_x^1(1-t)\,\textrm{d}t\right)$
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$=M\left(\dfrac{1}{2}x^2+\dfrac{1}{2}(1-x)^2\right)=M\left(\left(x-\dfrac{1}{2}\right)^2+\dfrac{1}{4}\right)$
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即$\vert\int_0^1f(x)\,\textrm{d}x\vert\leqslant M\left(\left(x-\dfrac{1}{2}\right)^2+\dfrac{1}{4}\right)$,$\min\left(M\left(\left(x-\dfrac{1}{2}\right)^2+\dfrac{1}{4}\right)\right)=\dfrac{1}{4}M$
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$\therefore\vert\int_0^1f(x)\,\textrm{d}x\vert\leqslant\dfrac{1}{4}M=\dfrac{1}{4}\max\limits_{x\in[0,1]}\{\vert f'(x)\vert\}$
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\subsection{泰勒公式}
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多用于所给条件为“$f(x)$二阶可导”且某一端点值较简单甚至为0的题目。
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\textbf{例题:}设$f(x)$在$[0,2]$上二阶导数连续,且$f(1)=0$,当$x\in[0,2]$时,记$M=\max\{\vert f''(x)\vert\}$,证明$\vert\int_0^2f(x)\,\textrm{d}x\vert\leqslant\dfrac{1}{3}M$。
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\end{document}
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Binary file not shown.
@@ -953,7 +953,7 @@ $a^\alpha\cdot a^\beta=a^{\alpha+\beta},\dfrac{a^\alpha}{a^\beta}=a^{\alpha-\bet
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\textbf{例题:}证明$\dfrac{1}{x+1}<\ln(1+\dfrac{1}{x})<\dfrac{1}{x}$,其中$x>0$。
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首先因为证明中间项无法进行直接处理,又看到是一个对数,所以进行通分:$\ln(1+\dfrac{1}{x})=\ln\dfrac{x+1}{x}=\ln(x+1)-\ln x$。
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证明:首先因为证明中间项无法进行直接处理,又看到是一个对数,所以进行通分:$\ln(1+\dfrac{1}{x})=\ln\dfrac{x+1}{x}=\ln(x+1)-\ln x$。
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又因为是证明该中间式在一个区间,所以很明显会想到拉格朗日中值定理:$f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a)$。
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@@ -1059,7 +1059,7 @@ $a^\alpha\cdot a^\beta=a^{\alpha+\beta},\dfrac{a^\alpha}{a^\beta}=a^{\alpha-\bet
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\textbf{例题:}计算$\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{10}x\textrm{d}x$与$\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^9x\textrm{d}x$。\medskip
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原式1为偶数次幂,所以$=\dfrac{9}{10}\cdot\dfrac{7}{8}\cdot\dfrac{5}{6}\cdot\dfrac{3}{4}\cdot\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\pi}{2}=\dfrac{\pi}{2}\cdot\dfrac{9!!}{10!!}$。\medskip
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解:原式1为偶数次幂,所以$=\dfrac{9}{10}\cdot\dfrac{7}{8}\cdot\dfrac{5}{6}\cdot\dfrac{3}{4}\cdot\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\pi}{2}=\dfrac{\pi}{2}\cdot\dfrac{9!!}{10!!}$。\medskip
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原式2为奇数次幂,所以$=\dfrac{8}{9}\cdot\dfrac{6}{7}\cdot\dfrac{4}{5}\cdot\dfrac{2}{3}=\dfrac{8!!}{9!!}$
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@@ -1093,7 +1093,7 @@ $a,b,c>0$:
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\textbf{例题:}证明函数$f(x)=\dfrac{x}{1+x^2}$在$(-\infty,+\infty)$内有界。
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可以使用极限,若极限存在则函数有界,这里使用有界性定义与不等式来完成。
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证明:可以使用极限,若极限存在则函数有界,这里使用有界性定义与不等式来完成。
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\ding{172}当$x=0$时,$f(0)=\dfrac{0}{1}$,有界。
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@@ -83,7 +83,7 @@ $y=f(x)$,定义域为$D$,值域为$R$,若对于每一个$y\in R$,必然
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\textbf{例题:}设$f(x)=x^2$,$f[\psi(x)]=-x^2+2x+3$,且$\psi(x)\geqslant 0$,求$\psi(x)$以及定义域与值域。
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广义化:$\because f(x)=x^2$,$\therefore f[\psi(x)]=\psi^2(x)=-x^2+2x+3$
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解:广义化:$\because f(x)=x^2$,$\therefore f[\psi(x)]=\psi^2(x)=-x^2+2x+3$
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又$\because\psi(x)\geqslant 0$, $\therefore\sqrt{\psi^2(x)}=\sqrt{-x^2+2x+3}=\psi(x)\geqslant 0$
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@@ -105,7 +105,7 @@ $\therefore\psi(x)\in[0,2]$
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\textbf{例题:}求函数$y=f(x)=\ln(x+\sqrt{x^2+1})$的反函数$f^{-1}(x)$的表达式及其定义域
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首先研究$f(x)$本身,因为$\ln(x)$的定义域必然要求大于0,而任意实数x都有下面不等式成立:
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解:首先研究$f(x)$本身,因为$\ln(x)$的定义域必然要求大于0,而任意实数x都有下面不等式成立:
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$x+\sqrt{x^2+1}>x+\vert x\vert \geqslant 0$,所以$x\in R$。
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@@ -418,7 +418,7 @@ $\therefore\exists N>0$,当$n>N$时,$\vert a_n-A\vert<\dfrac{A}{2}\Rightarro
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_{n\to\infty}\left(n\tan\dfrac{1}{n}\right)^{n^2}$($n\in N^+$)。
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$\because \lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{\tan x}{x}\right)^{\frac{1}{x^2}}$
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解:$\because \lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{\tan x}{x}\right)^{\frac{1}{x^2}}$
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又$u^v=e^{v\ln u}$
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@@ -634,7 +634,7 @@ $\Rightarrow A-\varepsilon<f(x)<A+\varepsilon$。
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\textbf{例题:}若$\lim\limits_{n\to\infty}(a_n+b_n)=1$且$\lim\limits_{n\to\infty}(a_n-b_n)=3$,计算$\lim\limits_{n\to\infty}a_n$与$\lim\limits_{n\to\infty}b_n$。
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首先是不能通过运算法则第一条将两个条件直接加减的,因为不能保证两个极限是否都存在。
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解:首先是不能通过运算法则第一条将两个条件直接加减的,因为不能保证两个极限是否都存在。
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所以必须先令$u_n=a_n+b_n$,$v_n=a_n-b_n$,所以$\lim\limits_{n\to\infty}u_n=1$,$\lim\limits_{n\to\infty}v_n=3$。
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@@ -712,7 +712,7 @@ $\therefore\vert x_n-a\vert<\varepsilon$。
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\textbf{例题:}求极限$\lim\limits_{n\to\infty}\left(\dfrac{n}{n^2+1}+\dfrac{n}{n^2+2}+\cdots+\dfrac{n}{n^2+n}\right)$。
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使用夹逼准则:$\dfrac{n^2}{n^2+n}<\sum_{i=1}^n\dfrac{n}{n^2+i}<\dfrac{n^2}{n^2+1}$。
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解:使用夹逼准则:$\dfrac{n^2}{n^2+n}<\sum_{i=1}^n\dfrac{n}{n^2+i}<\dfrac{n^2}{n^2+1}$。
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又$\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{n^2}{n^2+1}=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{n^2/n^2}{n^2/n^2+1/n^2}=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1}{1+\dfrac{1}{n^2}}=1$。
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@@ -734,7 +734,7 @@ $\therefore\vert x_n-a\vert<\varepsilon$。
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\textbf{例题:}求$\lim\limits_x\to+\infty(2+\sin x)^{\frac{1}{x}}$。
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$\because \sin x\in[-1,1]$,$\therefore 1\leqslant 2+\sin x\leqslant 3$。
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解:$\because \sin x\in[-1,1]$,$\therefore 1\leqslant 2+\sin x\leqslant 3$。
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$\therefore 1^{\frac{1}{x}}\leqslant\left(2+\sin x\right)^{\frac{1}{x}}\leqslant 3^{\frac{1}{x}}$。
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@@ -759,7 +759,7 @@ $\therefore 1^{\frac{1}{x}}\leqslant\left(2+\sin x\right)^{\frac{1}{x}}\leqslant
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\textbf{例题:}已知$a_1=a>0$,证明$a_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(a_n+\dfrac{2}{a_n}\right)$的极限存在并求出。
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$\because a_1=a>0$,且递推式中没有负数与减的操作,所以$a_n>0$。
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解:$\because a_1=a>0$,且递推式中没有负数与减的操作,所以$a_n>0$。
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由重要不等式$\dfrac{a+b}{2}\geqslant\sqrt{ab}$,所以$a_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(a_n+\dfrac{2}{a_n}\right)\geqslant\sqrt{a_n\cdot\dfrac{2}{a_n}})=\sqrt{2}$
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@@ -777,7 +777,7 @@ $\therefore a_{n+1}\leqslant a_n$,得到数列单调减少。
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\textbf{例题:}求证$x_{n+1}=\sin x_n$极限存在,$0<x_1<\pi$。
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由三角函数中的不等式$\sin x<x$。
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解:由三角函数中的不等式$\sin x<x$。
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\ding{172}当$n=1$,$\because 0<x_1<\pi$,$\therefore 0<\sin x_1<1$,$\therefore 0<x_2=sin x_1<x<\pi$。
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@@ -795,7 +795,7 @@ $\therefore\lim\limits_{n\to\infty}x_n=0$。
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\textbf{例题:}证明$a_n=\dfrac{1}{1^2}+\dfrac{1}{2^2}+\cdots+\dfrac{1}{n^2}$存在极限。
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因为是递推式,所以一般使用单调有界准则。
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证明:因为是递推式,所以一般使用单调有界准则。
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\ding{172}$a_{n+1}=\dfrac{1}{1^2}+\dfrac{1}{2^2}+\cdots+\dfrac{1}{n^2}+\dfrac{1}{(n+1)^2}$。
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@@ -891,7 +891,7 @@ $=e^{\lim\limits_{x\to\infty}\frac{\left(\frac{1}{1+\frac{1}{x}}\right)\cdot\lef
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\textbf{例题:}证明当$x\to 0$时,$\sqrt[n]{1+x}-1\sim\dfrac{1}{n}x$。
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证明$\sqrt[n]{1+x}-1\sim\dfrac{1}{n}x$就是证明$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sqrt[n]{1+x}-1}{x}\sim\dfrac{1}{n}$。
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证明:证明$\sqrt[n]{1+x}-1\sim\dfrac{1}{n}x$就是证明$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sqrt[n]{1+x}-1}{x}\sim\dfrac{1}{n}$。
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令$\sqrt[n]{1+x}-1=t$,则$1+x=(1+t)^n$,则$x=(1+t)^n-1$。
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@@ -1022,18 +1022,18 @@ $=e^{\lim\limits_{x\to\infty}\frac{\left(\frac{1}{1+\frac{1}{x}}\right)\cdot\lef
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\textbf{例题:}若$f(x)=\left\{
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\begin{array}{lcl}
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2x+a, & & x\leqslant 0 \\
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2x+a, & & x\leqslant 0 \\
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e^x(\sin x+\cos x), & & x>0
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\end{array} \right.
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$在$(-\infty,+\infty)$内连续,求$a$。
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因为连续,所以$f(0)=\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}f(x)$。
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解:因为连续,所以$f(0)=\lim\limits_{x\to 0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to 0^-}f(x)$。
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$\therefore a=1$。
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\textbf{例题:}若函数$f(x)=\dfrac{\ln\vert x\vert}{\vert x-1\vert}\sin x$,则x的间断点类型是?\medskip
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由式子的分式部分可知有两个无定义的间断点:$x=0$,$x=1$。\medskip
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解:由式子的分式部分可知有两个无定义的间断点:$x=0$,$x=1$。\medskip
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$\lim\limits_{x\to 1}f(x)=\lim\limits_{x\to 1}\dfrac{x-1}{\vert x-1\vert}\sin x=\left\{
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\begin{array}{lcl}
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@@ -1090,7 +1090,7 @@ $\lim\limits_{x\to 0}f(x)=\lim\limits_{x\to 0}\ln\vert x\vert\cdot\sin x=\lim\li
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\textbf{例题:}证明方程$x=a\sin x+b(a>0,b>0)$中至少有一个正根,并且不超过$a+b$。
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令$f(x)=x-a\sin x-b$,其中$f(0)=-b<0$,$f(a+b)=a+b=a\sin(a+b)-b=a[1-\sin(a+b)]\geqslant 0$。
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证明:令$f(x)=x-a\sin x-b$,其中$f(0)=-b<0$,$f(a+b)=a+b=a\sin(a+b)-b=a[1-\sin(a+b)]\geqslant 0$。
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若$\sin(a+b)=1$,则根为$a$,结论成立。
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Binary file not shown.
@@ -106,7 +106,7 @@ $=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}=f'(x)$。
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\textbf{例题:}设$f(x)$是二阶可导的以2为周期的奇函数,且$f(\dfrac{1}{2})>0$,$f'(\dfrac{1}{2})>0$,比较$f(-\dfrac{1}{2})$、$f'(\dfrac{3}{2})$、$f''(0)$的大小。\medskip
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$\because f(x)$为二阶奇函数,$\therefore f(x)\text{奇函数}\Rightarrow f'(x)\text{偶函数}\Rightarrow f''(x)\text{奇函数}\Rightarrow f''(0)=0$。
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解:$\because f(x)$为二阶奇函数,$\therefore f(x)\text{奇函数}\Rightarrow f'(x)\text{偶函数}\Rightarrow f''(x)\text{奇函数}\Rightarrow f''(0)=0$。
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$\therefore f(-\dfrac{1}{2})=-f(\dfrac{1}{2})<0$。
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@@ -116,7 +116,7 @@ $\therefore f'(\dfrac{3}{2})>f''(0)>f(-\dfrac{1}{2})$。\medskip
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\textbf{例题:}$\left(x^\alpha\right)'=\alpha x^{\alpha-1}(x>0)$。\medskip
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$\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{\left(x+\Delta x\right)^\alpha-x^\alpha}{\Delta x}$\medskip
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解:$\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{\left(x+\Delta x\right)^\alpha-x^\alpha}{\Delta x}$\medskip
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$=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{x^\alpha\left[\left(1+\dfrac{\Delta x}{x}\right)^\alpha-1\right]}{\Delta x}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\dfrac{x^\alpha\cdot\alpha\cdot\dfrac{\Delta x}{x}}{\Delta x}=\alpha x^{\alpha-1}$
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@@ -182,7 +182,7 @@ $y=f(x)$可导,且$f'(x)\neq 0$就是指严格单调,而严格单调必有
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\textbf{例题:}求$y=\arcsin x,x\in(-1,1)$与$y=\arctan x$的导数。
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首先反三角函数就是三角函数的反函数。
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解:首先反三角函数就是三角函数的反函数。
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求$y=\arcsin x$,即$x=\sin y$。\medskip
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@@ -202,7 +202,7 @@ $=-\dfrac{x_{yy}''}{(x_y')^2}\cdot\dfrac{1}{x_y'}=-\dfrac{x_{yy}''}{(x_y')^3}$\m
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\textbf{例题:}设$y=f(x)$的反函数是$x=\varphi(y)$,且$f(x)=\int_1^{2x}e^{t^2}\textrm{d}t+1$,求$\varphi''(1)$。
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$\because y=f(x)$,$\therefore x=\varphi(y)$,$x_{yy}''=\varphi''(y)=-\dfrac{y_{xx}''}{(y_x')^3}=-\dfrac{f''(x)}{[f'(x)]^3}$。\medskip
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解:$\because y=f(x)$,$\therefore x=\varphi(y)$,$x_{yy}''=\varphi''(y)=-\dfrac{y_{xx}''}{(y_x')^3}=-\dfrac{f''(x)}{[f'(x)]^3}$。\medskip
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其中根据变限积分求导公式:$f'(x)=2e^{4x^2}$,$f''(x)=2e^{4x^2}\cdot 8x=16xe^{4x^2}$。\medskip
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@@ -214,7 +214,7 @@ $\because y=f(x)$,$\therefore x=\varphi(y)$,$x_{yy}''=\varphi''(y)=-\dfrac{y
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\textbf{例题:}设$f(x)=\prod\limits_{n=1}^{100}\left(\tan\dfrac{\pi x^n}{4}-n\right)$,则$f'(1)$为?
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原式=$\left(\tan\dfrac{\pi x}{4}-1\right)\left(\tan\dfrac{\pi x^2}{4}-2\right)\cdots\left(\tan\dfrac{\pi x^{100}}{4}-100\right)$。
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解:原式=$\left(\tan\dfrac{\pi x}{4}-1\right)\left(\tan\dfrac{\pi x^2}{4}-2\right)\cdots\left(\tan\dfrac{\pi x^{100}}{4}-100\right)$。
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令$\left(\tan\dfrac{\pi x^2}{4}-2\right)\cdots\left(\tan\dfrac{\pi x^{100}}{4}-100\right)=g(x)$。\medskip
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@@ -249,7 +249,7 @@ $=f'(x)\vert_{x=1}=\dfrac{\pi}{2}\cdot g(1)+0\cdot g'(x)=\dfrac{\pi}{2}\cdot g(1
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\textbf{例题:}求$y=\sqrt[3]{\dfrac{(x+1)(2x-1)^2}{(4-3x)^5}}$的导数。
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取对数:$\ln\vert y\vert=\dfrac{1}{3}[\ln\vert x+1\vert+2\ln\vert 2x-1\vert-5\ln\vert 4-3x\vert]$。
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解:取对数:$\ln\vert y\vert=\dfrac{1}{3}[\ln\vert x+1\vert+2\ln\vert 2x-1\vert-5\ln\vert 4-3x\vert]$。
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$\because \ln\vert y\vert'=\ln y'$。
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@@ -271,11 +271,11 @@ $=u(x)^{v(x)}\left[v'(x)\ln u(x)+v(x)\cdot\dfrac{u'(x)}{u(x)}\right]$。
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\textbf{例题:}求$y=x^x(x>0)$的导数。
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$\because x^x=e^{x\ln x}$,$\therefore (x^x)'=(e^{x\ln x})'=x^x\cdot(\ln x+1)$。
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解:$\because x^x=e^{x\ln x}$,$\therefore (x^x)'=(e^{x\ln x})'=x^x\cdot(\ln x+1)$。
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\textbf{例题:}求解$y=x^{\frac{1}{x}}(x>0)$的整数最大值。
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$\because y=x^{\frac{1}{x}}=e^{\frac{1}{x}\ln x}$。
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解:$\because y=x^{\frac{1}{x}}=e^{\frac{1}{x}\ln x}$。
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$\therefore y'=\left(x^{\frac{1}{x}}\right)=\left(e^{\frac{1}{x}\ln x}\right)'=x^{\frac{1}{x}}\cdot\dfrac{1-\ln x}{x^2}$。
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@@ -334,7 +334,7 @@ $(a^x)^n=a^x(\ln a)^{(n)}$,如$y=2^x$,则$y'=2^x\ln 2$,$y''=2^x(\ln 2)^2\c
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\textbf{例题:}求$\sin x$的$n$阶导数。
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$\because \sin x'=\cos x$而不断求导会发现正负号会++--++--地变化而难以归纳为公式,所以需要另想办法。
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解:$\because \sin x'=\cos x$而不断求导会发现正负号会++--++--地变化而难以归纳为公式,所以需要另想办法。
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使用诱导公式:
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@@ -412,7 +412,7 @@ $y^{(n)}=\sin(x+\dfrac{\pi}{2}\cdot n)$
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\textbf{例题:}已知函数$y=e^x\cos x$,求$y^{(4)}$。
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根据莱布尼兹公式:
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解:根据莱布尼兹公式:
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$(e^x\cos x)^{(4)}$
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@@ -430,7 +430,7 @@ $=-4e^x\cos x$
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\textbf{例题:}设$y=y(x)$是由方程$\sin(xy)=\ln\dfrac{x+e}{y}+1$确定的隐函数,求$y'(0)$。
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两边求导:
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解:两边求导:
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$
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\begin{aligned}
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@@ -465,7 +465,7 @@ $
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\right.
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$($t$为参数)确定,求$\dfrac{\textrm{d}^2y}{\textrm{d}x^2}\vert_{t=\frac{\pi}{4}}$。
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求参数方程的二阶导数首先就要求出其一阶导数:\medskip
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解:求参数方程的二阶导数首先就要求出其一阶导数:\medskip
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$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{y_t'}{x_t'}=\dfrac{t\cos t}{\cos t}=t$。\medskip
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@@ -541,7 +541,7 @@ $\therefore \textrm{d}y\vert_{x=x_0}=A\Delta x=y'(x_0)\cdot\Delta x=y'(x_0)\cdot
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\textbf{例题:}设$y=e^{\sin(\ln x)}$,求$\textrm{d}y$。
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$\because y=e^{\sin(\ln x)} \therefore$
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解:$\because y=e^{\sin(\ln x)} \therefore$
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$
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\begin{aligned}
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@@ -38,7 +38,7 @@
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\usepackage{yhmath}
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% 圆弧
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\author{Didnelpsun}
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\title{微分中值定理与导数的应用}
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\title{导数应用}
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\date{}
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\begin{document}
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\maketitle
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@@ -108,7 +108,7 @@ $\text{罗尔定理}\xrightleftharpoons[\text{特例:}f(a)=f(b)]{\text{泛化
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\textbf{例题:}证明$x>0$时,$\dfrac{x}{1+x}<\ln(1+x)<x$。
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令$f(x)=\ln x$,又$\ln 1=0$,$\therefore\ln(1+x)=\ln(1+x)-\ln 1$。
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证明:令$f(x)=\ln x$,又$\ln 1=0$,$\therefore\ln(1+x)=\ln(1+x)-\ln 1$。
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根据拉格朗日中值定理$\ln(1+x)-\ln 1=f'(\xi)x=\dfrac{x}{\xi}(1<\xi<1+x)$。
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@@ -236,7 +236,7 @@ $\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{[\sin x-\sin(\sin x)]\sin x}{x^4}=\dfrac{\dfrac{1}{6
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\textbf{例题:}设$y=x^3\sin x$,求$y^{(6)}(0)$。\medskip
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\ding{172}$y=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{y^{(n)}(0)}{n!}x^n$。\medskip
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解:\ding{172}$y=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{y^{(n)}(0)}{n!}x^n$。\medskip
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$\because$需要结果的导数阶数为6,所以最后得到的次数为6就可以了。\medskip
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@@ -274,7 +274,7 @@ $\therefore a=-\dfrac{1}{12},b=4$。
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\textbf{例题:}求解$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sin^2x-x^2}{e^{x^4}-1}$。
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首先由泰勒展开式$e^x=1+x+o(x)$,得到$e^x-1\sim x$。
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解:首先由泰勒展开式$e^x=1+x+o(x)$,得到$e^x-1\sim x$。
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$\therefore e^{x^4}-1\sim x^4$。
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@@ -300,7 +300,7 @@ $\therefore\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sin^2x-x^2}{e^{x^4}-1}=\lim\limits_{x\to
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\textbf{例题:}证明$x>0$时,$x-\dfrac{x^3}{6}<\sin x<x$。
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首先令$f(x)=x-\sin x$,而$f(0)=0$。
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证明:首先令$f(x)=x-\sin x$,而$f(0)=0$。
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$f'(x)=1-\cos x\geqslant 0$,则$f(x)$在$R$上递增。
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@@ -337,7 +337,7 @@ $\therefore$在$(0,+\infty]$上$g(x)>g(0)=0$,即$\sin x>x-\dfrac{x^3}{6}$。
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\textbf{例题:}证明凹凸性与二阶导数的关系。
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不妨先证明凹函数与二阶导数的关系。已知$f''(x)>0$
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证明:不妨先证明凹函数与二阶导数的关系。已知$f''(x)>0$
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不妨设$x_1<x_2$,且$\dfrac{x_1+x_2}{2}=x_0$。
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Binary file not shown.
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@@ -73,7 +73,7 @@ $n$阶微分方程的形式是$F(x,y,y',\cdots,y^{(n)})=0$。其中最高阶导
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\textbf{例题:}判断函数$x=C_1\cos kt+C_2\sin kt$是否是微分方程$\dfrac{\textrm{d}^2x}{\textrm{d}t^2}+k^2x=0$的解,若是则令其为$k\neq0$时方程的通解,求满足初值条件$x\vert_{t=0}=A$,$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}t}\bigg\vert_{t=0}=0$时的特解。
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判断是否为方程的解,就要将这个解代入微分方程中。微分方程中除了$x$,还出现了$x''$,所以需要先将$x$对$t$求两次导:
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解:判断是否为方程的解,就要将这个解代入微分方程中。微分方程中除了$x$,还出现了$x''$,所以需要先将$x$对$t$求两次导:
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$x'=-kC_1\sin kt+kC_2\cos kt$,$x''=-k^2C_1\sin kt-k^2C_2\sin kt$。代入方程:
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@@ -95,7 +95,7 @@ $-k^2(C_1\sin kt+C_2\sin kt)+k^2(C_1\cos kt+C_2\sin kt)\equiv0$,所以是解
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\textbf{例题:}求微分方程$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=2xy$。
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$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}y}{y}}=\int2x\,\textrm{d}x$,$\ln\vert y\vert=x^2+C$,$\vert y\vert=e^{x^2+C}$。
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解:$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}y}{y}}=\int2x\,\textrm{d}x$,$\ln\vert y\vert=x^2+C$,$\vert y\vert=e^{x^2+C}$。
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$\therefore y=\pm e^{x^2}e^C=\pm C_1e^{x^2}=C_2e^{x^2}$。
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@@ -117,7 +117,7 @@ $\therefore y=\pm e^{x^2}e^C=\pm C_1e^{x^2}=C_2e^{x^2}$。
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\textbf{例题:}求$y^2+x^2\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=xy\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$。
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得到$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{y^2}{xy-x^2}$。
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解:得到$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{y^2}{xy-x^2}$。
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然后将这个等式化为$\dfrac{y}{x}$的形式,分子分母同时除以$x^2$:$\dfrac{\dfrac{y^2}{x^2}}{\dfrac{xy-x^2}{x^2}}=\dfrac{\left(\dfrac{y}{x}\right)^2}{\dfrac{y}{x}-1}$。
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@@ -165,7 +165,7 @@ $=\dfrac{(A_1\lambda+B_1)v+A_1C_2+B_1C_1}{\lambda v+C_2}$。此时未知数只
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\textbf{例题:}求$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{1}{x+y}$。
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不能直接做,因为不能分离出$y$。
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解:不能直接做,因为不能分离出$y$。
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可以两边求倒数:$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}-x=y$,颠倒$xy$,得到$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}-y=x$。就可以按照公式来求。
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@@ -189,7 +189,7 @@ $=\dfrac{(A_1\lambda+B_1)v+A_1C_2+B_1C_1}{\lambda v+C_2}$。此时未知数只
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\textbf{例题:}求$y'''=e^{2x}-\cos x$。
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$y''=\dfrac{1}{2}e^{2x}-\sin x+C_1$,$y'=\dfrac{1}{4}e^{2x}+\cos x+C_1x+C_2$,$y=\dfrac{1}{8}e^{2x}+\sin x+\dfrac{1}{2}C_1x^2+C_2x+C_3$。
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解:$y''=\dfrac{1}{2}e^{2x}-\sin x+C_1$,$y'=\dfrac{1}{4}e^{2x}+\cos x+C_1x+C_2$,$y=\dfrac{1}{8}e^{2x}+\sin x+\dfrac{1}{2}C_1x^2+C_2x+C_3$。
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\subsection{\texorpdfstring{$y''=f(x,y')$}\ 型}
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@@ -199,7 +199,7 @@ $y''=\dfrac{1}{2}e^{2x}-\sin x+C_1$,$y'=\dfrac{1}{4}e^{2x}+\cos x+C_1x+C_2$,
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\textbf{例题:}求$(1+x^2)y''=2xy'$,满足初值条件$y\vert_{x=0}=1$,$y'\vert_{x=0}=3$的特解。
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令$y'=p$,$y''=p'$,所以$(1+x^2)p'=2xp$。
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解:令$y'=p$,$y''=p'$,所以$(1+x^2)p'=2xp$。
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$\dfrac{\textrm{d}p}{p}=\dfrac{2x}{1+x^2}\textrm{d}x$,$\ln p=\ln(1+x^2)+C'$,$p=C(1+x^2)$,所以$y'=3(1+x^2)$,$y=x^3+3x+1$。
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@@ -215,7 +215,7 @@ $\dfrac{\textrm{d}p}{p}=\dfrac{2x}{1+x^2}\textrm{d}x$,$\ln p=\ln(1+x^2)+C'$,
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\textbf{例题:}求微分方程$yy''-y'^2=0$的通解。
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令$y'=p$,$y''=p\dfrac{\textrm{d}p}{\textrm{d}y}$,代入$yp\dfrac{\textrm{d}p}{\textrm{d}y}-p^2=0$。
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解:令$y'=p$,$y''=p\dfrac{\textrm{d}p}{\textrm{d}y}$,代入$yp\dfrac{\textrm{d}p}{\textrm{d}y}-p^2=0$。
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若$p\neq0$,$y\neq0$,则$yp\dfrac{\textrm{d}p}{\textrm{d}y}$,$\dfrac{\textrm{d}p}{p}=\dfrac{\textrm{d}y}{y}$,$p=Cy$。
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Binary file not shown.
@@ -48,13 +48,13 @@
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\textbf{例题:}求2413的逆序数。
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2的逆序有21一个。4的逆序与41、43两个。1无逆序数,所以一共逆序数为3。
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解:2的逆序有21一个。4的逆序与41、43两个。1无逆序数,所以一共逆序数为3。
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\subsection{无穷排列}
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\textbf{例题:}求$13\cdots(2n-1)(2n)(2n-2)\cdots2$的逆序数。
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这个序列分为两个部分,第一个是前面的$13\cdots(2n-1)$部分,这个部分无逆序。
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解:这个序列分为两个部分,第一个是前面的$13\cdots(2n-1)$部分,这个部分无逆序。
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第二个部分是后面的$(2n)(2n-2)\cdots2$,这个序列是全部逆序的,所以考虑其第二个内部一共有$n$个数,从前往后依次有$n,(n-1),\cdots,1$个逆序,所以逆序数为$\dfrac{n(n-1)}{2}$。
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@@ -70,7 +70,7 @@
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\textbf{例题:}写出四阶行列式中含有$a_{11}a_{23}$的因式项。
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因为是四阶行列式,且含有$a_{11}a_{23}$,所以余下来的$a_{3?}$和$a_{4?}$中的$?$只有2和4可选。
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解:因为是四阶行列式,且含有$a_{11}a_{23}$,所以余下来的$a_{3?}$和$a_{4?}$中的$?$只有2和4可选。
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若是$a_{11}a_{23}a_{32}a_{44}$,则列坐标序列为$1324$,从而逆序数为1,所以该项为$-a_{11}a_{23}a_{32}a_{44}$。
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@@ -173,7 +173,7 @@ $\left|\begin{array}{cc}
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1 & 1 & 1
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\end{array}\right|=(a-b)^3$。
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因为是证明题,而结果是$(a-b)$的变形,所以我们需要不断提取出$a-b$的形式。
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证明:因为是证明题,而结果是$(a-b)$的变形,所以我们需要不断提取出$a-b$的形式。
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$=-\left|\begin{array}{ccc}
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1 & 1 & 1 \\
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@@ -203,7 +203,7 @@ $=-(a-b)^2\cdot1\cdot(-1)^{1+3}\left|\begin{array}{cc}
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a^4 & b^4 & c^4 & d^4
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\end{array}\right|=(a-b)(a-c)(a-d)(b-c)(b-d)(c-d)(a+b+c+d)$。
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这个形式看起来像范德蒙德行列式,但是根据后面的结果,发现这无法通过范德蒙德行列式的公式来计算,所以按照一般方法相减得到因子:
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证明:这个形式看起来像范德蒙德行列式,但是根据后面的结果,发现这无法通过范德蒙德行列式的公式来计算,所以按照一般方法相减得到因子:
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$=\left|\begin{array}{cccc}
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1 & 1 & 1 & 1 \\
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@@ -273,7 +273,7 @@ $=(b-a)(c-a)(d-a)(c-b)(d-b)(c-d)(a+b+c+d)$。
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1 & 1 & 2 & 3
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\end{array}\right|$。
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$=\left|\begin{array}{cccc}
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解:$=\left|\begin{array}{cccc}
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1 & 2 & 3 & 4 \\
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0 & 1 & 1 & -3 \\
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0 & 1 & -3 & 1 \\
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@@ -297,7 +297,7 @@ $=\left|\begin{array}{cccc}
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5 & 0 & 6 & 2 \\
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\end{array}\right|$。
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$=\left|\begin{array}{cccc}
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解:$=\left|\begin{array}{cccc}
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0 & -3 & -2 & -3 \\
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0 & -7 & -7 & -5 \\
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1 & 2 & 3 & 2 \\
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@@ -345,7 +345,7 @@ $=3\left|\begin{array}{cccc}
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z & x & y
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\end{array}\right|$。
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首先因为上下因式的系数是$ab$,所以无论怎么样减都无法消去多余的$xy$或$z$得到结果的行列式中只有单个因子的情况,所以只能拆项,从第一个项开始拆:
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证明:首先因为上下因式的系数是$ab$,所以无论怎么样减都无法消去多余的$xy$或$z$得到结果的行列式中只有单个因子的情况,所以只能拆项,从第一个项开始拆:
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$=a\left|\begin{array}{ccc}
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x & ay+bz & az+bx \\
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@@ -400,7 +400,7 @@ $
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bf & cf & -ef
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\end{array}\right|$。
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$=adf\left|\begin{array}{ccc}
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解:$=adf\left|\begin{array}{ccc}
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-b & c & e \\
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b & -c & e \\
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b & c & -e
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@@ -422,7 +422,7 @@ $=adf\left|\begin{array}{ccc}
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a & a & \cdots & x \\
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\end{array}\right|$。
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$=\left|\begin{array}{cccc}
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解:$=\left|\begin{array}{cccc}
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x+(n-1)a & x+(n-1)a & \cdots & x+(n-1)a \\
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a & x & \cdots & a \\
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\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
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@@ -450,7 +450,7 @@ $=(x+(n-1)a)(x-a)^{n-1}$。
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a_n & a_n & \cdots & 1+a_n \\
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\end{array}\right|$。
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$=(1+a_1+a_2+\cdots+a_n)\left|\begin{array}{cccc}
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解:$=(1+a_1+a_2+\cdots+a_n)\left|\begin{array}{cccc}
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1 & 1 & \cdots & 1 \\
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a_2 & 1+a_2 & \cdots & a_2 \\
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\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
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@@ -468,14 +468,14 @@ $=(1+a_1+a_2+\cdots+a_n)\left|\begin{array}{cccc}
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\textbf{例题:}计算$\left|\begin{array}{ccccccc}
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a & & & & & b \\
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& \ddots & & & \begin{turn}{80}$\ddots$\end{turn} & \\
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& \ddots & & & \begin{turn}{80}$\ddots$\end{turn} & \\
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& & a & b \\
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& & c & d \\
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& \begin{turn}{80}$\ddots$\end{turn} & & & \ddots \\
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c & & & & & d
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\end{array}\right|_{2n}$。
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将其$2n$行不断与$2n-1\cdots2$行对换,再将其$2n$列不断与$2n-1\cdots2$列对换,一共对换$2(2n-2)$次,一定是一个偶数:
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解:将其$2n$行不断与$2n-1\cdots2$行对换,再将其$2n$列不断与$2n-1\cdots2$列对换,一共对换$2(2n-2)$次,一定是一个偶数:
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$=\left|\begin{array}{cccccccc}
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a & b & 0 & & & \cdots & & 0 \\
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@@ -501,7 +501,7 @@ $D_{2n}=D_2D_{2(n-1)}=(ad-bc)D_{2(n-1)}$,所以不断递推可以得到结果
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1 & -5 & 3 &-3
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\end{array}\right|$,$D$的$(i,j)$元的代数余子式设为$A_{ij}$,求$A_{31}+3A_{32}-2A_{33}+2A_{34}$。
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$A_{31}+3A_{32}-2A_{33}+2A_{34}=\left|\begin{array}{cccc}
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解:$A_{31}+3A_{32}-2A_{33}+2A_{34}=\left|\begin{array}{cccc}
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3 & 1 & -1 & 2 \\
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-5 & 1 & 3 & -4 \\
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1 & 3 & -2 & 2 \\
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Binary file not shown.
@@ -793,7 +793,7 @@ $(A\vdots B)\overset{r}{\thicksim}(E\vdots A^{-1})$,$\left(\begin{array}{c}
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-2 & 5
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\end{array}\right)$。
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因为$AX=B$,所以左乘$A^{-1}$:$A^{-1}AX=EX=A^{-1}B$,增广矩阵行变换:
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解:因为$AX=B$,所以左乘$A^{-1}$:$A^{-1}AX=EX=A^{-1}B$,增广矩阵行变换:
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$$(A,B)=\left(\begin{array}{ccccc}
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2 & 1 & -3 & 1 & -1 \\
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