diff --git a/advanced-math/exercise/8-infinite-series/infinite-series.pdf b/advanced-math/exercise/8-infinite-series/infinite-series.pdf new file mode 100644 index 0000000..a0062c3 Binary files /dev/null and b/advanced-math/exercise/8-infinite-series/infinite-series.pdf differ diff --git a/advanced-math/exercise/8-infinite-series/infinite-series.tex b/advanced-math/exercise/8-infinite-series/infinite-series.tex new file mode 100644 index 0000000..5034ec0 --- /dev/null +++ b/advanced-math/exercise/8-infinite-series/infinite-series.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +\documentclass[UTF8, 12pt]{ctexart} +% UTF8编码,ctexart现实中文 +\usepackage{color} +% 使用颜色 +\usepackage{geometry} +\setcounter{tocdepth}{4} +\setcounter{secnumdepth}{4} +% 设置四级目录与标题 +\geometry{papersize={21cm,29.7cm}} +% 默认大小为A4 +\geometry{left=3.18cm,right=3.18cm,top=2.54cm,bottom=2.54cm} +% 默认页边距为1英尺与1.25英尺 +\usepackage{indentfirst} +\setlength{\parindent}{2.45em} +% 首行缩进2个中文字符 +\usepackage{setspace} +\renewcommand{\baselinestretch}{1.5} +% 1.5倍行距 +\usepackage{amssymb} +% 因为所以 +\usepackage{amsmath} +% 数学公式 +\usepackage[colorlinks,linkcolor=black,urlcolor=blue]{hyperref} +% 超链接 +\author{Didnelpsun} +\title{无穷级数} +\date{} +\begin{document} +\maketitle +\pagestyle{empty} +\thispagestyle{empty} +\tableofcontents +\thispagestyle{empty} +\newpage +\pagestyle{plain} +\setcounter{page}{1} +\section{} + + + +\end{document} diff --git a/advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.pdf b/advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.pdf new file mode 100644 index 0000000..d81be83 Binary files /dev/null and b/advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.pdf differ diff --git a/advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.tex b/advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.tex new file mode 100644 index 0000000..abca49b --- /dev/null +++ b/advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.tex @@ -0,0 +1,195 @@ +\documentclass[UTF8, 12pt]{ctexart} +% UTF8编码,ctexart现实中文 +\usepackage{color} +% 使用颜色 +\definecolor{orange}{RGB}{255,127,0} +\definecolor{violet}{RGB}{192,0,255} +\definecolor{aqua}{RGB}{0,255,255} +\usepackage{geometry} +\setcounter{tocdepth}{4} +\setcounter{secnumdepth}{4} +% 设置四级目录与标题 +\geometry{papersize={21cm,29.7cm}} +% 默认大小为A4 +\geometry{left=3.18cm,right=3.18cm,top=2.54cm,bottom=2.54cm} +% 默认页边距为1英尺与1.25英尺 +\usepackage{indentfirst} +\setlength{\parindent}{2.45em} +% 首行缩进2个中文字符 +\usepackage{setspace} +\renewcommand{\baselinestretch}{1.5} +% 1.5倍行距 +\usepackage{amssymb} +% 因为所以 +\usepackage{amsmath} +% 数学公式 +\usepackage[colorlinks,linkcolor=black,urlcolor=blue]{hyperref} +% 超链接 +\author{Didnelpsun} +\title{微分方程} +\date{} +\begin{document} +\maketitle +\pagestyle{empty} +\thispagestyle{empty} +\tableofcontents +\thispagestyle{empty} +\newpage +\pagestyle{plain} +\setcounter{page}{1} + +\section{一阶微分方程} + +\subsection{可分离变量微分方程} + +\textbf{例题:}求$y\sin\dfrac{x}{2}\,\textrm{d}x-\cos\dfrac{x}{2}\,\textrm{d}y=0$的通解。 + +解:$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=y\tan\dfrac{x}{2}$,$\dfrac{\textrm{d}y}{y}=\tan\dfrac{x}{2}\,\textrm{d}x$,$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}y}{y}=2\int\tan\dfrac{x}{2}\,\textrm{d}\dfrac{x}{2}}$。 + +解得$\ln\vert y\vert=-\ln\left(\cos\dfrac{x}{2}\right)^2+\ln C_1$(取对数更好解),$\vert y\vert=\dfrac{C_1}{\left(\cos\dfrac{x}{2}\right)^2}$。 + +$y=\dfrac{\pm C_1}{\left(\cos\dfrac{x}{2}\right)^2}$,令$C=\pm C_1$,得$y=\dfrac{C}{1+\cos x}$。 + +注意在第一步时将$y$除到分母上,本来$y$为任意常数,变为$y\neq0$,所以解得最后$C\neq0$,而实际上$y$可以为0,所以$C$应该为任意常数。 + +此时解为全部解,为通解加上$y=0$的奇解。 + +\subsection{多项式换元} + +\textbf{例题:}求微分方程$\textrm{d}y=\sin(x+y+100)\,\textrm{d}x$的通解。 + +解:令$u=x+y+100$,$\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}=1+\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\sin(x+y+100)$,$\therefore\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}=1+\sin u$。 + +$\dfrac{\textrm{d}u}{1+\sin u}=\textrm{d}x$,$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}u}{1+\sin u}}=\int\textrm{d}x$,$\displaystyle{\int\dfrac{1-\sin u}{\cos^2u}}\textrm{d}u=x$。 + +$\int\sec^2u-\tan u\sec u\,\textrm{d}u=x$,即$\tan u-\sec u=x+C$。代回$u=x+y+100$: + +通解$\tan(x+y+100)-\sec(x+y+100)=x+C$。 + +所有解:$\tan(x+y+100)-\sec(x+y+100)=x+C$,$x+y+100=2k\pi-\dfrac{\pi}{2}$。 + +\subsection{自然齐次方程} + +\textbf{例题:}设$L$是一条平面曲线,其上任意一点$P(x,y)$($x>0$)到坐标原点的距离恒等于该点处的切线在$y$轴上的截距,且$L$经过点$\left(\dfrac{1}{2},0\right)$,求$L$的方程。 + +解:$(x,y)$到坐标原点的距离为$\sqrt{x^2+y^2}$。 + +若$y=y(x)$,则切线为$Y-y=y'(X-x)$,令$X=0$,解得$Y=y-xy'$。 + +$\therefore\sqrt{x^2+y^2}=y-xy'$,解得$y'=\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{y-\sqrt{x^2+y^2}}{x}=\dfrac{y}{x}-\sqrt{1+\dfrac{y^2}{x^2}}$。 + +令$\dfrac{y}{x}=u$,则$y=ux$,$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}x+u$。代入$y'$: + +$\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}x+u=u-\sqrt{1+u^2}$,$\dfrac{\textrm{d}u}{\sqrt{1+u^2}}=-\dfrac{\textrm{d}x}{x}$,$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}u}{\sqrt{1+u^2}}=-\int\dfrac{\textrm{d}x}{x}}$。 + +$\therefore\ln(u+\sqrt{1+u^2})=-\ln x+\ln C$,$u+\sqrt{1+u^2}=\dfrac{C}{x}$。 + +代入$\dfrac{y}{x}+\sqrt{1+\dfrac{y^2}{x^2}}=\dfrac{C}{x}$,$y+\sqrt{x^2+y^2}=C$。 + +\subsection{一阶线性方程} + +\textbf{例题:}求微分方程$y'+1=e^{-y}\sin x$的通解。 + +解:已知对$e^{-y}\sin x$无法处理,所以必然需要对其转换,$e^yy'+e^y=\sin x$。 + +$\therefore(e^y)'+e^y=\sin x$,令$e^y=u$,$u'+u=\sin x$,$P(x)=1$,$Q(x)=\sin x$。 + +$e^y=u=e^{-\int\textrm{d}x}(\int e^{\int\textrm{d}x}\sin x\,\textrm{d}x+C)=e^{-x}(\int e^x\sin x\,\textrm{d}x+C)$,积分再现表格解出$\int e^x\sin x\,\textrm{d}x$:$=e^{-x}\left(\dfrac{1}{2}e^x(\sin x-\cos x)+C\right)$。 + +\subsection{伯努利方程} + +\textbf{例题:}求$y\,\textrm{d}x=(1+x\ln y)x\,\textrm{d}y$($y>0$)的通解。 + +解:将导数放到一边:$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{y}{(1+x\ln y)x}$,这个算式无法处理。 + +而颠倒$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\dfrac{(1+x\ln y)x}{y}=\dfrac{1}{y}x+\dfrac{\ln y}{y}x^2$。 + +凑伯努利方程:$x'+P(x)x=Q(x)x^n$:$x'-\dfrac{1}{y}x=\dfrac{\ln y}{y}x^2$。$P(x)=-\dfrac{1}{y}$,$Q(x)=\dfrac{\ln y}{y}$。 + +乘$x^{-2}$降阶:$x^{-2}x'-\dfrac{1}{y}x^{-1}=\dfrac{\ln y}{y}$。令$z=x^{-1}$,$\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}y}=-\dfrac{1}{x^2}\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}$。代入方程: + +$-\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}y}-\dfrac{1}{y}z=\dfrac{\ln y}{y}$,$\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}y}+\dfrac{1}{y}z=-\dfrac{\ln y}{y}$,利用公式: + +$z=e^{-\int\frac{1}{y}\textrm{d}y}\left(\displaystyle{\int e^{\int\frac{1}{y}\textrm{d}y}\cdot\left(\dfrac{\ln y}{y}\right)+C}\right)=\dfrac{1}{y}(-\int\ln y\,\textrm{d}y+C)=\dfrac{1}{y}(-y(\ln y-1)+C)=-\ln y+1+\dfrac{C}{y}$。 + +$\therefore x=\dfrac{y}{-y\ln y+y+C}$。 + +\section{二阶可降阶微分方程} + +\subsection{\texorpdfstring{$y''=f(x,y')$}\ 型} + +\textbf{例题:}求$y''=\dfrac{2xy'}{1+x^2}$的通解。 + +解:令$y'=p$,$p'=\dfrac{2xp}{1+x^2}$,$\dfrac{\textrm{d}p}{\textrm{d}x}=\dfrac{2xp}{1+x^2}$,$\dfrac{\textrm{d}p}{p}=\dfrac{2x}{1+x^2}$,$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}p}{p}=\int\dfrac{2x}{1+x^2}}$。 + +$\ln\vert p\vert=\ln(1+x^2)+\ln C_1$,$p=\pm C_1(1+x^2)=C_2(1+x^2)$。 + +$y'=C(1+x^2)$,$\therefore y=C_2\left(x+\dfrac{x^3}{3}+x\right)+C$。 + +\subsection{\texorpdfstring{$y''=f(y,y')$}\ 型} + +\section{高阶线性微分方程} + +\subsection{常系数齐次线性微分方程} + + + +\subsection{常系数非齐次线性微分方程} + +先将常系数非齐次线性微分方程变为常系数齐次线性微分方程求解,然后加上非齐次方程的一个特解,就是非齐次方程的一个通解。 + +\textbf{例题:}求$y''-4y'+4y=3xe^{2x}$的通解。 + +解:变为常系数齐次线性微分方程:$y''-4y'+4y$。 + +写出特征方程:$\lambda^2-4\lambda+4=0$,从而$(\lambda-2)^2=0$,$\lambda_1=\lambda_2=2$。 + +从而$y$齐次方程的通解为$(C_1+C_2x)e^{2x}$。 + +根据特解的设置方法,设$y^*=e^{2x}(ax+b)x^2$。 + +代回二阶方程,$a=\dfrac{1}{2}$,$b=0$。通解为$(C_1+C_2x)e^{2x}+\dfrac{1}{2}x^3e^{2x}$。 + +\textbf{例题:}微分方程$y''-4y'+3y=e^x\cos x+xe^{3x}$的通解。 + +解:首先常系数齐次线性微分方程:$y''-4y'+3y=0$。 + +特征方程为$\lambda^2-4\lambda+3=0$,解得特征值为$\lambda_1=1$,$\lambda_2=3$。 + +所以该齐次方程的通解:$y=C_1e^x+C_2e^{3x}$。 + +然后求特解,首先求后面$f_2(x)=xe^{3x}$的特解$y_2^*$。 + +根据公式因为$\alpha$为单特征根,即$\aleph=3=\lambda_2\neq\lambda_1$,所以$y_2^*=e^{3x}(ax+b)x$。 + +然后是求$f_1(x)=e^x\cos x$的特解$y_1^*$。 + +其中$P_m(x)=1$,$P_n(x)=0$,$l=0$。所以设$P_m(x)=A$,$P_n(x)=B$。 + +对$k$,自由项中$\alpha=\beta=1$,得到$1\pm i$。又$1\pm i\neq\lambda_1=1\neq\lambda_2=3$,$k=0$。 + +最后$y_1^*=e^x(A\cos x+B\sin x)$。通解为$y=C_1e^x+C_2e^{3x}+e^x(A\cos x+B\sin x)+e^{3x}(ax+b)x$。 + +\section{微分方程概念} + +对于有些方程并不需要求解后才能解决问题。 + +\subsection{已知微分方程的解反求系数} + +\textbf{例题:}设$y_1,y_2$为一阶非齐次线性微分方程$y'+p(x)y=q(x)$的两个特解,若常数$\lambda,\mu$使得$\lambda y_1+\mu y_2$是该方程的解,$\lambda y_1-\mu y_2$是该方程对应的齐次方程的解,则()。 + +$A.\lambda=\dfrac{1}{2},\mu=\dfrac{1}{2}$\qquad$B.\lambda=-\dfrac{1}{2},\mu=-\dfrac{1}{2}$\qquad$C.\dfrac{2}{3},\mu=\dfrac{1}{3}$\qquad$\lambda=\dfrac{2}{3},\mu=\dfrac{2}{3}$ + +\subsection{不解微分方程,利用方程隐含信息} + +$F(y,y',y'',\cdots,y^{(n)})=0$反映了\textbf{未知函数及其各阶导数之间的关系}。 + +\textbf{例题:}设$y=f(x)$是方程$y''-2y'+4y=0$的一个解,若$f(x_0)>0$,且$f'(x_0)=0$,则函数$f(x)$在点$x_0$()。 + +$A.$取得最大值\qquad$B.$取得最小值\qquad$C.$某个邻域内单调增加\qquad$D.$某个邻域内单调减少 + +解:因为$y=f(x)$是方程$y''-2y'+4y=0$的一个解,所以直接代入$x_0$:$y''(x_0)-2y'(x_0)+4y(x_0)=0$。又$f'(x_0)=0$。 + +$y''(x_0)=-4y(x_0)<0$,所以该点为极大值点。 + +\end{document} diff --git a/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.pdf b/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.pdf index a0062c3..e944727 100644 Binary files a/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.pdf and b/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.pdf differ diff --git a/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.tex b/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.tex index 339d6e9..3daa7e4 100644 --- a/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.tex +++ b/advanced-math/knowledge/8-infinite-series/infinite-series.tex @@ -2,6 +2,9 @@ % UTF8编码,ctexart现实中文 \usepackage{color} % 使用颜色 +\definecolor{orange}{RGB}{255,127,0} +\definecolor{violet}{RGB}{192,0,255} +\definecolor{aqua}{RGB}{0,255,255} \usepackage{geometry} \setcounter{tocdepth}{4} \setcounter{secnumdepth}{4} @@ -22,6 +25,8 @@ % 数学公式 \usepackage[colorlinks,linkcolor=black,urlcolor=blue]{hyperref} % 超链接 +\usepackage{pifont} +% 圆圈序号 \author{Didnelpsun} \title{无穷级数} \date{} @@ -34,8 +39,159 @@ \newpage \pagestyle{plain} \setcounter{page}{1} -\section{} +\section{常数项级数} +\subsection{概念} +级数的经典悖论为芝诺悖论。 + +\subsubsection{基本概念} + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}给定义一个无穷数列$u_1,u_2,\cdots,u_n,\cdots$,将其各项用加号连起来的得到的记号$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$,即$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n=u_1+u_2+\cdots+u_n+\cdots$叫做\textbf{无穷级数},简称\textbf{级数},其中$u_n$称为该级数的\textbf{通项}。 + +若$u_n$是常数而不是函数,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$就被称为\textbf{常数项无穷级数},简称\textbf{常数项级数}。 + +$S_n=u_1+u_2+\cdots+u_n$称为级数的\textbf{部分和},$\{S_n\}$是级数的\textbf{部分和数量}。 + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若$\lim\limits_{n\to\infty}S_n=S$,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$\textbf{收敛},并称$S$为该收敛级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$的\textbf{和};若$\lim\limits_{n\to\infty}S_n$不存在或为$\pm\infty$,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$\textbf{发散}。 + +研究$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$收敛还是发散,就是研究级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$的敛散性。 + +在级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$去掉前$m$项,得$\sum\limits_{n=m+1}^\infty u_n=u_{m+1}+u_{m+2}+\cdots$,称为级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$的\textbf{$m$项后余项} + +\subsubsection{性质} + +\begin{enumerate} + \item 线性性质:若级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$,$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$均收敛,且其和分别为$S$,$T$,则任给常数$a,b$,有$\sum\limits_{n=1}^\infty(au_n+bv_n)$也收敛,且其和为$aS+bT$,即$\sum\limits_{n=1}^\infty(au_n+bv_n)=a\sum\limits_{n=1}^\infty u_n+b\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$。 + \item 若级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$收敛,则其任意$m$项后余项$\sum\limits_{n=m+1}^\infty u_n$也收敛;若存在$m$项后余项$\sum\limits_{n=m+1}^\infty u_n$收敛,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$也收敛。 + \item 级数收敛必要条件:若级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$首先,则$\lim\limits_{n\to\infty}u_n=0$。 +\end{enumerate} + +证明性质三:$u_n=S_n-S_{n-1}$,所以$\lim\limits_{n\to\infty}=\lim\limits_{n\to\infty}(S_n-S_{n-1})=\lim\limits_{n\to\infty}S_n-\lim\limits_{n\to\infty}S_{n-1}=S-S=0$。极限为0不一定收敛。 + +\subsection{级数敛散性判别} + +\subsubsection{正项级数} + +\paragraph{概念} \leavevmode \medskip + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若通项$u_n\geqslant0$,$n=1,2,\cdots$,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$为\textbf{正项级数}。 + +\paragraph{收敛原则} \leavevmode \medskip + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}正项级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$收敛的充要条件是其部分和数列$\{S_n\}$有界。(某一函数在固定区间内变化率是有界的,则变化范围是有界的) + +证明:必要性:由于$u_n\geqslant0$,$\therefore S_n=u_1+u_2+\cdots+u_n\geqslant0$,且$S_1\leqslant S_2\leqslant\cdots\leqslant S_n\leqslant\cdots$,$\{S_n\}$单调不减且下界为0。当$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$收敛时,$\lim\limits_{n\to\infty}S_n$存在,则$\{S_n\}$必有上界。有上界下界则$\{S_n\}$有界。(某一函数在固定区间内变化率是有界的,则变化范围是有界的) + +充分性:由于$\{S_n\}$单调不减,所以根据单调有界准则,$\{S_n\}$收敛,即$\lim\limits_{n\to\infty}S_n$存在,于是$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$收敛。 + +基本就是使用放缩法判断是否有界。 + +\textbf{例题:}判断级数$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{1}{\sqrt{n}}$的敛散性。 + +解:$S_n=1+\dfrac{1}{\sqrt{2}}+\dfrac{1}{\sqrt{3}}+\cdots+\dfrac{1}{\sqrt{n}}>n\dfrac{1}{\sqrt{n}}=\sqrt{n}$,当$n\to\infty$时$\sqrt{n}\to\infty$,无上界所以发散。 + +\paragraph{比较判别法} \leavevmode \medskip + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}给出两个正项级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$,$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$,若从某项开始有$u_n\leqslant v_n$成立,则:\ding{172}若$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$收敛,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$也收敛;\ding{173}若$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$发散,则$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$也发散。 + +即大的收敛小的也收敛,小的发散大的也发散。 + +\textbf{例题:}判断调和级数$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{1}{n}$的敛散性。 + +解:$\because x>0$,$x>\ln(1+x)$,$\therefore\dfrac{1}{n}>\ln\left(1+\dfrac{1}{n}\right)$。 + +又对于$\ln\left(1+\dfrac{1}{n}\right)=\ln\dfrac{n+1}{n}=\ln(n+1)-\ln n$。 + +$S_n=\ln\dfrac{2}{1}+\ln\dfrac{3}{2}+\cdots+\ln\dfrac{n+1}{n}=\ln2-\ln1+\ln3-\ln2+\cdots+\ln(n+1)-\ln n=\ln(n+1)$。当$\ln(n+1)$在$n\to\infty$时,$S_n\to\infty$。 + +所以$\sum\limits_{n=1}^\infty\ln\left(1+\dfrac{1}{n}\right)$发散,则$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{1}{n}$也发散。 + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}$p$级数:$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{1}{n^p}\left\{\begin{array}{l} + p>1, \text{收敛} \\ + p\leqslant1, \text{发散} +\end{array}\right.$。 + +\paragraph{比较判别法极限性质} \leavevmode \medskip + +是比较判别法的推论,利用极限的阶数来比较。 + +给出两个正项级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$,$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$,$v_n\neq0$,且$\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{u_n}{v_n}=A$: + +\begin{enumerate} + \item 若$A=0$,则当$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$收敛时,$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$也收敛。 + \item 当$A=+\infty$,当$\sum\limits_{n=1}^\infty v_n$发散时,$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$也发散。 + \item 若$01$,所以$\sum\limits_{n=1}^\infty\left(\dfrac{1}{n}-\sin\dfrac{1}{n}\right)$收敛。 + +\paragraph{比值判别法} \leavevmode \medskip + +也称为达朗贝尔判别法。 + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}给出一正项级数$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$,若$\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{u_{n+1}}{u_n}=\rho$,则:\ding{172}若$\rho<1$,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$收敛;\ding{173}若$\rho>1$,则$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$发散。 + +\textcolor{orange}{注意:}$\rho=1$时无法根据此判断$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$敛散性,如$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{1}{n}$发散,但$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{1}{n^2}$收敛。 + +适用于含有$a^n$,$n!$,$n^n$的通项。 + +\textbf{例题:}判断级数$\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{\vert a\vert^nn!}{n^n}$的敛散性,其中$a$为非零常数。 + +解: + +\paragraph{根值判别法} \leavevmode \medskip + +也称为柯西判别法。 + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}$\sum\limits_{n=1}^\infty u_n$ + +\subsubsection{交错级数} + +\paragraph{概念} \leavevmode \medskip + +\paragraph{莱布尼兹判别法} \leavevmode \medskip + +\subsubsection{任意项级数} + +\paragraph{绝对收敛} \leavevmode \medskip + +\paragraph{条件收敛} \leavevmode \medskip + +\section{幂级数} + +\subsection{概念与收敛域} + +\subsubsection{概念} + +\subsubsection{阿贝尔定理} + +\subsubsection{收敛域} + +\subsection{幂级数求和函数} + +\subsubsection{概念} + +\subsubsection{运算法则} + +\subsubsection{性质} + +\subsubsection{重要展开式} + +\subsection{函数展开为幂级数} + +\subsubsection{概念} + +\subsubsection{求法} + +\paragraph{直接法} \leavevmode \medskip + +\paragraph{间接法} \leavevmode \medskip \end{document} diff --git a/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.pdf b/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.pdf index 2df274c..2f91a87 100644 Binary files a/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.pdf and b/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.pdf differ diff --git a/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.tex b/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.tex index bc07473..0702a50 100644 --- a/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.tex +++ b/advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.tex @@ -52,7 +52,9 @@ \subsection{微分方程构成} -\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程,即含导数的方程就是微分方程。导数可能是一阶导数也可能是二阶以及以上阶数的导数。 +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程,即含导数的方程就是\textbf{微分方程}。导数可能是一阶导数也可能是二阶以及以上阶数的导数。 + +常微分方程\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}未知函数是一元函数的微分方程。如$y'''-y''+6y=0$,$y\,\textrm{d}x-(x+\sqrt{x^2+y^2})\,\textrm{d}y=0$。 \textcolor{violet}{\textbf{定义:}}微分方程所出现的未知函数的最高阶导数的阶数就是该微分方程的\textbf{阶}。 @@ -60,6 +62,8 @@ $n$阶微分方程的形式是$F(x,y,y',\cdots,y^{(n)})=0$。其中最高阶导 \subsection{微分方程的解} +微分方程的解是函数。 + \textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若微分方程中的解中含有任意常数,且任意常数的个数与微分方程的阶数相同,则就是微分方程的\textbf{通解}。 如若$y''=3$,则$y'=3x+C_1$,$y=\dfrac{3}{2}x^2+C_1x+C_2$,此时含有两个任意常数$C_1C_2$,则微分方程的阶数也为2。 @@ -90,13 +94,13 @@ $-k^2(C_1\sin kt+C_2\sin kt)+k^2(C_1\cos kt+C_2\sin kt)\equiv0$,所以是解 \section{可分离变量的微分方程} -对于第一节的$\textrm{d}y=2x\,\textrm{d}x$可以直接求解,但是不是所有一阶微分方程都可以如此求通解,如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=2xy^2$两端直接积分就可以得到通解$x^2+C$。 +对于第一节的$\textrm{d}y=2x\,\textrm{d}x$可以直接求解,如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=2x$直接移项就可以得到通解$x^2+C$。 但是并不是所有都是如此,如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=2xy^2$求积分得$y=\int2xy^2\,\textrm{d}x$,这本身不能直接解,但是可以将$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=2xy^2$先两边同乘$\dfrac{\textrm{d}x}{y^2}$得到$\dfrac{\textrm{d}y}{y^2}=2x\textrm{d}x$,将$xy$分离在两端,然后两边同时积分得到$-\dfrac{1}{y}=x^2+C$,所以$y=-\dfrac{1}{x^2+C}$。 -即若可以变型为$g(y)\textrm{d}y=f(x)\textrm{d}x$的一阶导数方程就是可分离变量的微分方程。即将含$y$的放在一边,含$x$的放在另一边。 +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}形如$y'=f(x)g(y)$的方程就是\textbf{变量可分离型}方程。 -然后对两边求积分就得到$\int g(y)\,\textrm{d}y=\int f(x)\,\textrm{d}x$,解得隐式解或隐式通解$G(y)=F(x)+C$。 +可以变型为$\dfrac{\textrm{d}y}{g(y)}=f(x)\textrm{d}x$,即将含$y$的放在一边,含$x$的放在另一边。然后对两边求积分就得到$\displaystyle{\int\dfrac{\textrm{d}y}{g(y)}=\int f(x)\textrm{d}x}$,解得隐式解或隐式通解$G(y)=F(x)+C$。最后可以将隐式解化为显式解。 \textbf{例题:}求微分方程$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=2xy$。 @@ -106,12 +110,22 @@ $\therefore y=\pm e^{x^2}e^C=\pm C_1e^{x^2}=C_2e^{x^2}$。 \textcolor{orange}{注意:}在微分方程部分可以直接$\ln y=x^2+C$而不用管正负号,因为正负号都会被归为常数中。 -\section{齐次方程} +\section{可化为可分离变量型} + +\subsection{多项式换元} + +形如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=f(ax+by+c)$的方程,其中$a,b,c$全不为0。 + +令$u=ax+by+c$,则$\dfrac{\textrm{d}u}{\text{d}x}=a+b\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,代入原方程$\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}=a+bf(u)$。 \subsection{自然齐次方程} 若一阶微分方程可化为$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\varphi\left(\dfrac{y}{x}\right)$,则这方程就是一个齐次方程。 +也可能出现$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\varphi\left(\dfrac{x}{y}\right)$。 + +令$u=\dfrac{y}{x}$,则$y=ux$变为$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=u+x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}$,从而原方程变为$x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}+u=\varphi(u)$,即$\dfrac{\textrm{d}u}{\varphi(u)-u}=\dfrac{\textrm{d}x}{x}$。 + 如$(xy-y^2)\textrm{d}x-(x^2-2xy)\textrm{d}y=0$可以化为$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{xy-y^2}{x^2-2xy}$,即$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{y}{x}-\left(\dfrac{y}{x}\right)^2}{1-2\left(\dfrac{y}{x}\right)}$。 解决齐次方程问题的过程:令$u=\dfrac{y}{x}$;$y=xu$;$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=u+x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}$。 @@ -132,7 +146,7 @@ $\therefore\dfrac{u-1}{u}\textrm{d}u=\dfrac{\textrm{d}x}{x}$,$\therefore\displ 代入$u=\dfrac{y}{x}$,得到$\ln y=\dfrac{y}{x}+C$,所以得到$y=Ce^{\frac{y}{x}}$。 -\subsection{* 可化为齐次方程} +\subsection{可化为齐次方程} 对于自然齐次方程,其形式如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{A_1x+B_1y}{A_2x+B_2y}$,则可以除以$x$得到齐次方程。 @@ -166,7 +180,7 @@ $=\dfrac{(A_1\lambda+B_1)v+A_1C_2+B_1C_1}{\lambda v+C_2}$。此时未知数只 若$Q(x)\equiv 0$,则是齐次一阶线性微分方程,可化为$\dfrac{\textrm{d}y}{y}=-P(x)\,\textrm{d}x$,$\ln y=\int P(x)\,\textrm{d}x+C'$,$y=e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}\cdot e^{C'}$,$y=Ce^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}$。 -若$Q(x)\neq 0$,则是非齐次一阶线性微分方程,令$y=ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}$,求$u$这个关于$x$的函数的具体值,这就是\textbf{常数变易法}。代入$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)$,得到$u'e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}-ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}P(x)+P(x)ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}=Q(x)$,得到$u'e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}=Q(x)$,从而得到$u'$,再对$u'$积分得到$u=\displaystyle{\int Q(x)e^{\int P(x)\,\textrm{d}x}\,\textrm{d}x}+C$。从而代入$y=ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}$,得到\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}$y=e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}\left(\displaystyle{\int Q(x)e^{\int P(x)\,\textrm{d}x}\,\textrm{d}x}+C\right)$。非齐次通解就是其齐次通解加上一个非齐次的特解。 +若$Q(x)\neq 0$,则是非齐次一阶线性微分方程,令$y=ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}$,求$u$这个关于$x$的函数的具体值,这就是\textbf{常数变易法}。代入$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)$,得到$u'e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}-ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}P(x)+P(x)ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}=Q(x)$,得到$u'e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}=Q(x)$,从而得到$u'$,再对$u'$积分得到$u=\displaystyle{\int Q(x)e^{\int P(x)\,\textrm{d}x}\,\textrm{d}x}+C$。从而代入$y=ue^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}$,得到\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}$y=e^{-\int P(x)\,\textrm{d}x}(\int Q(x)e^{\int P(x)\,\textrm{d}x}\,\textrm{d}x+C)$。非齐次通解就是其齐次通解加上一个非齐次的特解。 \textbf{例题:}求$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{1}{x+y}$。 @@ -176,11 +190,17 @@ $=\dfrac{(A_1\lambda+B_1)v+A_1C_2+B_1C_1}{\lambda v+C_2}$。此时未知数只 或令$x+y=u$,所以$y=u-x$,$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}-1$,$\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}=\dfrac{1+u}{u}$,$\dfrac{u}{1+u}\textrm{d}u=\textrm{d}x$。 -\subsection{* 伯努利方程} +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}一阶线性方程时,$\displaystyle{\int\dfrac{1}{x}\textrm{d}x}=\ln\vert x\vert=\ln x$。 -形如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)y^n$就是伯努利方程。若$y=0$则是齐次方程,若$y=1$则是一阶线性方程。 +证明:令$p=\dfrac{1}{x}$,$\int p\,\textrm{d}x=\displaystyle{\int\dfrac{1}{x}\textrm{d}x}=\ln\vert x\vert$。 -变形:$y^{-n}\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y^{1-n}=Q(x)$,又令$y^{1-n}=z$,$\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}=(1-n)y^{-n}\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,从而$\dfrac{1}{1-n}\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}=y^{-n}\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,代入$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)y^n$得到$\dfrac{1}{1-n}\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}+P(x)z=Q(x)$,从而$\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}=(1-n)P(x)z=(1-n)Q(x)$,将$(1-n)P(x)$当作$P(x)$,$(1-n)Q(x)$当中$Q(x)$代入得到$z$的关系式,再求$y$。 +根据公式$y=e^{-\ln\vert x\vert}(\int e^{\ln\vert x\vert}Q(x)\,\textrm{d}x+C)=\dfrac{1}{\vert x\vert}(\int\vert x\vert Q(x)\,\textrm{d}x+C)=\dfrac{1}{\pm x}$\\$(\int(\pm x)Q(x)\,\textrm{d}x+C)=\dfrac{1}{x}(\int xQ(x)\,\textrm{d}x\pm C)=\dfrac{1}{x}(\int xQ(x)\,\textrm{d}x+D)$。 + +\subsection{伯努利方程} + +形如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)y^n$就是伯努利方程。若$y=1$则是可分离变量方程,若$y=0$则是一阶线性方程。 + +变形:$y^{-n}\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y^{1-n}=Q(x)$,又令$y^{1-n}=z$,$\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}=(1-n)y^{-n}\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,从而$\dfrac{1}{1-n}\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}=y^{-n}\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}$,代入$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)y^n$得到$\dfrac{1}{1-n}\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}+P(x)z=Q(x)$,从而$\dfrac{\textrm{d}z}{\textrm{d}x}=(1-n)P(x)z=(1-n)Q(x)$,将$(1-n)P(x)$当作$P(x)$,$(1-n)Q(x)$当中$Q(x)$代入得到$z$的关系式,再利用上面线性方程的公式求$y$。 \section{可降阶的高阶微分方程} @@ -236,6 +256,24 @@ $\dfrac{\textrm{d}p}{p}=\dfrac{2x}{1+x^2}\textrm{d}x$,$\ln p=\ln(1+x^2)+C'$, 第三部分就是本节的高阶线性微分方程,$y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}(x)y'+a_n(x)y=0$就是$n$阶齐次线性微分方程,$y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}(x)y'+a_n(x)y=f(x)$就是$n$阶非齐次线性微分方程 +\subsection{概念} + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}方程$y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)$称为\textbf{二阶变系数线性微分方程},其中$P(x)$,$Q(x)$为系数函数,$f(x)$为自由项,都是已知的连续方程。 + +当$f(x)\equiv0$时,$y''+P(x)y'+Q(x)y=0$为\textbf{齐次方程}。 + +当$f(x)$不恒为0时,$y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)$为\textbf{非齐次方程}。 + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}方程$y''+py'+qy=f(x)$称为\textbf{二阶常系数线性微分方程},其中$p$,$q$为常数,$f(x)$为自由项,都是已知的连续方程。 + +当$f(x)\equiv0$时,$y''+py'+qy=0$为\textbf{齐次方程}。 + +当$f(x)$不恒为0时,$y''+py'+qy=f(x)$为\textbf{非齐次方程}。 + +考试基本上只考常系数线性微分方程。 + +\subsection{解的结构} + 若$\varphi_1(x)$与$\varphi_2(x)$为两个函数,当$\varphi_1(x)$与$\varphi_2(x)$不成比例,则称$\varphi_1(x)$与$\varphi_2(x)$线性无关,否则$\varphi_1(x)$与$\varphi_2(x)$线性相关。 \textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}若$\varphi_1(x)$与$\varphi_2(x)$为$y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}(x)y'+a_n(x)y=0$的解,则$y=C_1\varphi_1(x)+C_2\varphi_2(x)$也为其解。 @@ -266,4 +304,34 @@ $(\varphi_2''+a(x)\varphi_2'+b(x)\varphi_2)-(\varphi_1''+a(x)\varphi_1'+b(x)\var $f(x)-f(x)=0$,所以得证。 +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}若$\varphi_1(x)$与$\varphi_2(x)$分别为$y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}(x)y'+a_n(x)y=f_1(x)$与$y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}(x)y'+a_n(x)y=f_2(x)$的解,则$y=\varphi_1(x)+\varphi_2(x)$为$y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}(x)y'+a_n(x)y=f_1(x)+f_2(x)$的解。 + +\subsection{二阶常系数齐次线性微分方程的通解} + +可以根据高阶微分方程的解的结构得到二阶的通解。 + +对于$y''+py'+qy=0$,其对应的特征方程为$\lambda^2+p\lambda+q=0$,求其特征根,有三种情况($\lambda_1\lambda_2$为任意常数): + +\begin{enumerate} + \item 若$p^2-4q>0$,设$\lambda_1,\lambda_2$是特征方程的两个不等实根,即$\lambda_1\neq\lambda_2$,其通解为$y=C_1e^{\lambda_1x}+C_2e^{\lambda_2x}$。 + \item 若$p^2-4q=0$,设$\lambda_1,\lambda_2$是特征方程的两个相等实根,即二重根,令$\lambda=\lambda_1=\lambda_2$,其通解为$y=(C_1+C_2x)e^{\lambda x}$。 + \item 若$p^2-4q<0$,设$\alpha\pm\beta i$是特征方程的一对共轭复根,$\lambda_{1,2}=\dfrac{-p\pm\sqrt{4q-p^2}i}{2}$\\$=-\dfrac{p}{2}\pm\dfrac{\sqrt{4q-p^2}}{2}i$,记为$\alpha\pm\beta i$,其通解为$y=e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x)$。 +\end{enumerate} + +\subsection{二阶常系数非齐次线性微分方程的特解} + +设$P_n(x)$,$P_m(x)$分别为$x$的$n$次$m$次多项式。 + +\begin{enumerate} + \item 当自由项$f(x)=P_n(x)e^{\alpha x}$时,特解设为$y^*=e^{\alpha x}Q_n(x)x^k$,其中$e^{\alpha x}$照抄,$Q_n(x)$为$x$的$n$次多项式,且$k=\left\{\begin{array}{ll} + 0, & \alpha\text{不是特征根} \\ + 1, & \alpha\text{是单特征根} \\ + 2, & \alpha\text{是二重特征根} + \end{array}\right.$。 + \item 当自由项$f(x)=e^{\alpha x}[P_m(x)\cos\beta x+P_n(x)\sin\beta x]$时,特解设为$y^*=e^{\alpha x}[Q_l^{(1)}(x)\cos\beta x+Q_l^{(2)}(x)\sin\beta x]x^k$,其中$e^{\alpha x}$照抄,$l=\max\{m,n\}$,$Q_l^{(1)}$、$Q_l^{(2)}$为$x$的两个不同的$l$次多项式,且$k=\left\{\begin{array}{ll} + 0, & \alpha\pm\beta i\text{不是特征根} \\ + 1, & \alpha\pm\beta i\text{是特征根} \\ + \end{array}\right.$。 +\end{enumerate} + \end{document}