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高等数学工具 PartⅠ

  想了想,还是写Markdown更容易保存;作为考研高数的完整笔记,内容多了以后电子文档增删查改起来容易些。

  part Ⅰ主要内容为 极限一元微积分,涉及较多方面。


  只要数学家名称与定理名称较为常见、有广为接受的中文翻译,就都用中文表示了;两篇文章都主要限定在上讨论,后文不再强调了。移动端阅读体验可能比较糟糕,尤其是用手机浏览长公式时

  如有纰漏,可以邮件联系我以订正。为了不影响主干内容的连贯,部分例题被折叠了起来。

注意

  • 可证明,对形式的式子,是可以直接对运用泰勒公式的(只要运用正确,精度足够),自然对所谓的“等价无穷小”也是成立的,这在求极限中非常实用、方便;

  • 第一、第二数学归纳法是极其好用的工具,需要熟练掌握并学会灵活运用(实为严格的演绎法)。归纳法不仅能运用在定理证明中,甚至可以配合单调有界定理证明数列极限的存在性。

    例如设,且当时有,试证极限存在。

    观察到,于是猜想可能单调递增;做归纳假设成立,则有,因此由第一归纳法,数列确为单调递增。下证数列有界,首先有,再次运用归纳法,假设,则,同时容易知道,因此数列有界;最后,根据单调有界定理可知,该数列极限存在。

  • 在点处使用泰勒公式的条件:在含点的某个开区间内有阶导数,则可以按展开到阶;

  • 求极限时使用洛必达法则的条件:除了要求分子分母满足不定式条件,的导数在的某个邻域内应均存在,且导数比值的极限为一广义常数,才有成立;其中可以是无穷大。

  • 不要混淆了记号。均为右极限的记号,定义为:时,有,则称在点处的右极限。从实数轴上看,右极限是“从数轴的右侧逼近”、“从数轴的正侧逼近”的单侧极限,与之对应的是左极限。

    但是一般而言,导数的右极限存在不等价于右导数存在!!!导数的左极限与左导数的关系同理。

  • 数学辅助工具上,个人十分推荐 Mathematica:无论是优化问题、矩阵求逆等数值计算,还是不定积分、微分方程、泰勒 / 洛朗级数等符号计算,Mathematica都能处理自如;此外,微软用Python语言开发的 Z3 也是一个强大的工具。Wolfram|Alpha 是基于Mathematica的,提供了图形化的在线网页界面,可以十分方便地进行常见的运算,让初学者不需要任何代码也可以借助计算机完成一些数学计算。

    对于函数图像,可以通过 Desmos 简单绘制,Desmos同样提供了在线网站,可以便捷得画出简单或复杂函数的图像。如果对一些简单函数如的图像不熟悉,可以通过Desmos直接画出其图像;对一些相对复杂的函数Desmos也能胜任,甚至还能从中看出函数在间断点的极限。

初等数学简记

  • 二项式定理:

  • 次方的差公式:

    • 特别地,平方差公式的一个有趣应用是对根式差极限的处理:
    • 时,有:
  • 令上式则得到次方和公式,注意当为正偶数时没有实数根,自然也不能在内分解因式。当为奇数时,有:

    • 特别地,当为奇数时,有:
  • 中学数列通项求法大全:高中数学:求数列通项公式的十一种方法(方法全,例子全,归纳细)

  • 一般次方程解法:对于一般的次方程组,可以将其改写为二次型的形式, 其中是三阶实对称矩阵,

    • 如果不满秩,则方程可以因式分解,秩则可以分解为一个一次式的平方,秩则可以分解为两个一次式的乘积,由此可以解得结果。
    • 如果均满秩,则计算的特征值(即计算行列式,广义特征值),因式分解即可——这是一定能因式分解的。
  • 对数函数的一些性质:

    1. (于是自然有等)
    2. ,换底公式
  • ,则能被表为的充要条件是是完全平方数且是偶数,其中。如果是奇数,则可以表为的形式。

    具体的步骤是:

    1. ,将写为

    2. 判断是否是完全平方数,如果不是则不能化简

    3. 判断的奇偶性,

      • 如果是偶数则计算,有

      • 如果是奇数则对根号内乘以将写为偶数,化为偶数情况

    实际在操作时只需要通过判断原式能否化简,如果能被化简直接设变量接着“凑”就好了,例如化简,设,两边平方得,所以,容易看出来令即可。

    另外,一定不能被表为,其中

  • 需要确定参数取值范围时,参变分离是个好方法。

  • 一些显而易见的概念就不再提及了,例如的大致图像,本文默认读者对这些内容已经有所了解。

三角函数的性质

三角函数关系助记

青柠色代表按垂直 (两侧) 的关系,浅紫色代表按水平 (按层) 的关系,橙色代表按同侧邻居的关系 (较特殊),赤红色代表按过中心点连线两端的关系。如果有兴趣,不妨试着探究,相同的颜色对应的性质间有没有什么联系?是否由一种性质可以导出另一种同色的性质?

三角函数关系

  • 英文命名关系:在中心垂线的右边的三角函数英文首字母都是“c”;

  • 中文命名关系:在中心垂线的左边的三角函数首字都是“正”,右边的首字都是“余”;从上到下,第一层函数名字的次字都是“弦”,第二层次字都是“切”,第三层次字都是“割”;

  • 平方数量关系:除去第一层的三角函数间有,同水平上的三角函数平方分别等于同侧邻近的另一三角函数平方,即

 展开/收起2道运用这一性质的积分实例
  • 求积分 不过,这个积分结果还有另一个形式,事实上二者表达的是同一个式子,只是利用不同的方法计算得到: 当然,还可用按有理分式来积分,不过如此便繁琐了。

    凡是涉及形式的积分,都可以试试利用的这一性质求解。

  • 计算

    利用三角函数的性质,换元

  • 反函数数量关系 1:第一、三层的两个三角函数,他们反函数的和函数在定义域上值都为,即,定义域分别为

  • 反函数数量关系 2:特殊例子,

  • 倒数关系:任何过中心点的长线两端的三角函数互为倒数,即

  • 导数关系

    • 左侧第一层的三角函数的导数等于同侧第一层的三角函数、右侧的取相反数,即
    • 左侧第二层的三角函数导数等于同侧第三层三角函数平方、右侧的取相反数,即
    • 左侧第三层的三角函数导数等于自己与同侧第二层三角函数的乘积、右侧的取相反数,即

以上只是个人发现的助记办法,欲了解原理需另加推导。此外,各三角函数的反函数导数按层也有着符号上的关系(右侧的取相反数),分别为,前3个在积分中经常被用到,后三个不太常见,因此不再赘述了。

值得注意的是,由于定义域的问题,,而,其中,图像呈周期“”状;其余三角函数同理,例如,是图像呈周期“”状的奇函数。以此类推,有,图像呈周期“”状的偶函数。

再次强调: