函数、极限与连续
极限是微积分的基石:所有导数、积分、级数都建立在极限之上。
函数基础
- 基本初等函数:幂、指数、对数、三角、反三角、常数函数
- 复合函数、反函数、隐函数、参数方程表示
- 函数特性:奇偶性、周期性、单调性、有界性
- 反函数性质:单调函数必有反函数,图像关于 y=x 对称
极限定义与性质
- ε-δ 定义、ε-N 定义(数列极限)
- 唯一性、有界性、保号性、四则运算法则
- 夹逼准则、单调有界准则(数列极限存在)
- 无穷小/无穷大:高阶、同阶、等价无穷小替换
- 常用等价:x→0 时 sinx~x、tanx~x、ln(1+x)~x、e^x−1~x、1−cosx~x²/2
两个重要极限
- 第一重要极限:lim sinx/x = 1(x→0)
- 第二重要极限:lim (1+1/x)^x = e(x→∞);lim (1+x)^(1/x) = e(x→0)
- 推广形式:lim (1+f(x))^(1/f(x)) = e(f(x)→0)
连续与间断
- 连续定义:lim f(x) = f(x₀)(x→x₀)
- 间断点分类:第一类(可去/跳跃)、第二类(无穷/振荡)
- 闭区间连续函数性质:最值定理、介值定理、零点定理
【计算题】求 lim(x→0) sinx / x 的值。
答案:1。这是第一重要极限,也可由 sinx~x(x→0)等价替换直接得出。
【计算题】求 lim(x→∞) (1 + 1/x)^x 的值。
答案:e。第二重要极限,底数趋于 1 且指数趋于无穷,标准形式 (1+1/x)^x → e。
【选择题】当 x→0 时,下列与 x 是等价无穷小的是?A. sinx B. 1−cosx C. x² D. e^x
答案:A。sinx~x;1−cosx~x²/2(x 的二阶无穷小);x² 是二阶;e^x 的等价无穷小是 e^x−1~x,e^x 本身趋于 1。
一元函数微分学
导数刻画变化率,微分作线性近似;中值定理连接导数与函数形态。
导数与微分
- 导数定义:f'(x₀) = lim [f(x₀+h)−f(x₀)]/h(h→0)
- 基本公式:(x^n)'=nx^(n−1)、(lnx)'=1/x、(e^x)'=e^x、(sinx)'=cosx
- 四则与复合:乘积法则、链式法则(内导乘外导)
- 隐函数求导、参数方程求导、对数求导法
- 微分:dy = f'(x)dx,可微⇔可导
中值定理
- 罗尔定理:端点值相等⇒存在 f'(ξ)=0
- 拉格朗日中值定理:f(b)−f(a)=f'(ξ)(b−a)
- 柯西中值定理:两个函数比值的推广形式
- 泰勒公式:f(x) 在 x₀ 处的多项式展开 + 余项(佩亚诺/拉格朗日余项)
- 洛必达法则:0/0、∞/∞ 型极限可对分子分母分别求导
导数应用
- 单调性:f'(x)>0 单调递增,f'(x)<0 单调递减
- 极值判定:f'(x₀)=0 且 f''(x₀)<0 取极大;f''(x₀)>0 取极小
- 凹凸性:f''(x)>0 凹(下凸),f''(x)<0 凸;拐点处 f'' 变号
- 渐近线:水平、垂直、斜渐近线判定
- 曲率:K=|y''|/(1+y'²)^(3/2)
高阶导数与常见展开
- e^x = Σ x^n/n!(n=0→∞),sinx、cosx 交错展开
- ln(1+x) = x − x²/2 + x³/3 − …
- (1+x)^α 二项式展开(α 任意实数)
- 莱布尼茨公式求高阶导数:(uv)^(n) 组合形式
【计算题】设 y = x²·sinx,求 y'。
答案:y' = 2x·sinx + x²·cosx。乘积法则:(uv)' = u'v + uv'。
【计算题】设函数 f(x) 在 x₀ 处满足 f'(x₀)=0 且 f''(x₀)>0,则 f(x₀) 是极大值还是极小值?
答案:极小值。f''(x₀)>0 表示二阶导为正、曲线在该点附近下凸,一阶导从负变正,故为极小值。
【证明题】写出拉格朗日中值定理的内容。
答案:若 f 在 [a,b] 连续、在 (a,b) 可导,则存在 ξ∈(a,b) 使 f(b)−f(a) = f'(ξ)(b−a)。
一元函数积分学
不定积分是微分的逆运算,定积分是和的极限(曲边梯形面积)。
不定积分
- 基本公式:∫x^n dx = x^(n+1)/(n+1)+C、∫1/x dx = ln|x|+C、∫e^x dx = e^x+C
- ∫sinx dx = −cosx+C、∫cosx dx = sinx+C、∫1/(1+x²) dx = arctanx+C
- 换元法:第一类(凑微分)、第二类(三角/根式代换)
- 分部积分:∫u dv = uv − ∫v du,反对幂指三顺序
- 有理函数:部分分式分解后积分
定积分
- 定义:∫ₐᵇ f(x)dx = lim Σ f(ξᵢ)Δxᵢ(黎曼和)
- 牛顿-莱布尼茨公式:∫ₐᵇ f(x)dx = F(b)−F(a)
- 换元需变限,分部积分处理乘积型
- 奇偶性:奇函数对称区间积分为 0,偶函数为 2 倍半区间
- 周期函数积分:周期内积分与起点无关
反常积分与几何应用
- 无穷限反常积分:∫ₐ^∞,收敛判定(p-积分、比较判别法)
- 无界函数反常积分(瑕积分)
- 平面图形面积:∫|f−g| dx
- 旋转体体积:绕 x 轴 V=π∫y²dx、绕 y 轴壳层法 V=2π∫xy dx
- 弧长:s = ∫√(1+y'²) dx
变上限积分
- Φ(x)=∫ₐˣ f(t)dt,则 Φ'(x)=f(x)(微积分基本定理)
- 变上限积分求导:被积函数含 x 时需拆项或换元
- 常用于求 0/0 型极限(结合洛必达)
【计算题】求 ∫₀¹ x dx 的值。
答案:1/2。∫₀¹ x dx = x²/2 |₀¹ = 1/2;几何意义为直角三角形面积。
【计算题】设 F(x)=∫₀ˣ t² dt,求 F'(x)。
答案:F'(x)=x²。变上限积分求导等于被积函数在上限处的值。
【概念题】奇函数 f(x) 在对称区间 [−a,a] 上的定积分等于多少?
答案:0。奇函数图像关于原点对称,正负面积抵消,∫₋ₐᵃ f(x)dx = 0。
多元函数微分学
偏导数是固定其他变量求导;全微分是多元线性近似。
偏导数与全微分
- 偏导数:∂z/∂x 固定 y 对 x 求导;∂z/∂y 固定 x 对 y 求导
- 高阶偏导:混合偏导 ∂²z/∂x∂y(连续条件下与顺序无关)
- 全微分:dz = (∂z/∂x)dx + (∂z/∂y)dy
- 可微⇒连续且偏导存在;偏导存在不一定可微
- 复合函数链式法则、隐函数求导公式
方向导数与梯度
- 方向导数:D_u f = ∂f/∂x·cosα + ∂f/∂y·cosβ
- 梯度 grad f = (∂f/∂x, ∂f/∂y)
- 梯度方向是函数增长最快的方向,模为最大方向导数
- 等值线的法线方向即梯度方向
极值与条件极值
- 无条件极值必要条件:偏导均为 0(驻点)
- 判别法:AC−B² 判别(A=f_xx, B=f_xy, C=f_yy)
- 拉格朗日乘数法:约束 g(x,y)=0 下求极值,构造 F=f+λg
- 应用题:最大最小体积、面积、利润
【计算题】设 z = x²y,求 ∂z/∂x 与 ∂z/∂y。
答案:∂z/∂x = 2xy,∂z/∂y = x²。求 ∂z/∂x 时把 y 当常数;求 ∂z/∂y 时把 x 当常数。
【概念题】函数 z=f(x,y) 在点 (x₀,y₀) 处的全微分 dz 的表达式是什么?
答案:dz = f_x(x₀,y₀)dx + f_y(x₀,y₀)dy。其中 f_x、f_y 为该点偏导数。
【选择题】梯度向量指向函数值什么方向?
答案:增长最快的方向。梯度 grad f 的方向是函数在该点上升最快的方向,其模等于最大方向导数。
多元函数积分学
二重积分、曲线/曲面积分,以及格林、高斯、斯托克斯三大公式。
二重积分
- 定义:曲顶柱体体积,化累次积分(X 型/ Y 型)
- 极坐标:x=rcosθ, y=rsinθ,dσ = r dr dθ
- 对称性:关于 x/y 轴对称、奇偶函数简化
- 应用:平面区域面积、薄板质量/质心
曲线积分
- 第一类(对弧长):∫_L f ds,与方向无关
- 第二类(对坐标):∫_L P dx + Q dy,与方向有关
- 格林公式:平面闭曲线积分 ⇔ 二重积分(∂Q/∂x − ∂P/∂y)
- 积分与路径无关:∂P/∂y = ∂Q/∂x,此时存在势函数
曲面积分与三大公式
- 第一类曲面积分:∫∫_Σ f dS(与侧无关)
- 第二类曲面积分:∫∫_Σ P dydz + Q dzdx + R dxdy(有向)
- 高斯公式:闭曲面通量 ⇔ 三重积分散度
- 斯托克斯公式:空间曲线环流 ⇔ 曲面积分旋度
- 三重积分:直角/柱面/球面坐标
【计算题】计算二重积分 ∬_D 1 dσ,其中 D 为矩形 [0,1]×[0,1]。
答案:1。∬_D 1 dσ = ∫₀¹∫₀¹ dx dy = 1,即区域面积。
【概念题】格林公式沟通了哪两类积分?
答案:平面闭曲线上的第二类曲线积分与闭曲线所围区域上的二重积分:∮_L Pdx+Qdy = ∬_D (∂Q/∂x−∂P/∂y)dσ。
【概念题】高斯公式的物理意义是什么?
答案:闭曲面上的通量等于其内部区域的散度体积分(三重积分):∯_Σ P dydz+Q dzdx+R dxdy = ∭_V (∂P/∂x+∂Q/∂y+∂R/∂z)dV。
无穷级数
数项级数判敛散,幂级数求和与展开,傅里叶级数处理周期函数。
数项级数敛散性
- 几何级数 Σqⁿ:|q|<1 收敛,|q|≥1 发散
- p-级数 Σ1/nᵖ:p>1 收敛,p≤1 发散
- 正项级数:比较、比值、根值判别法
- 交错级数:莱布尼茨判别法(单调递减趋于 0 则收敛)
- 绝对收敛 ⇔ 原级数与绝对值级数均收敛;条件收敛:原收敛绝对值发散
幂级数
- 收敛半径:R = 1/limsup ⁿ√|aₙ| 或比值法
- 收敛域:端点 x=±R 需单独判定
- 和函数:逐项求导/积分,先求和再处理系数
- 常用展开:e^x、sinx、cosx、ln(1+x)、1/(1−x)=Σxⁿ(|x|<1)
- 泰勒展开与麦克劳林展开的关系
傅里叶级数
- 周期函数展开:f(x) ~ a₀/2 + Σ(aₙcos nx + bₙsin nx)
- 系数公式:aₙ、bₙ 由定积分计算
- 奇函数只有正弦项,偶函数只有余弦项(含 a₀)
- 收敛定理:连续点收敛于 f(x),间断点收敛于左右极限平均
【计算题】判断级数 Σ(1/2)ⁿ(n=1→∞)是否收敛,若收敛求其和。
答案:收敛,和为 1。几何级数公比 q=1/2,|q|<1 收敛,和 = a/(1−q) = (1/2)/(1−1/2) = 1。
【判断题】p-级数 Σ1/nᵖ 在什么条件下收敛?
答案:p>1 收敛。p>1 收敛;p=1 为调和级数发散;p<1 发散。
【概念题】交错级数 Σ(−1)ⁿ⁺¹ aₙ(aₙ>0)满足什么条件时收敛?
答案:莱布尼茨判别法:aₙ 单调递减且趋于 0,则交错级数收敛。
常微分方程
解方程的核心是识别类型:可分离、一阶线性、二阶常系数、欧拉方程。
一阶方程
- 可分离变量:dy/dx = f(x)g(y),两边分别积分
- 齐次方程:dy/dx = φ(y/x),令 u=y/x 代换
- 一阶线性:y'+P(x)y = Q(x),通解 y = e^{−∫P dx}[∫Q e^{∫P dx} dx + C]
- 伯努利方程:y'+P y = Q yⁿ,令 z=y^(1−n) 化线性
- 全微分方程:∂P/∂y=∂Q/∂x 时求原函数
二阶常系数线性方程
- 齐次:y''+py'+qy=0,特征方程 r²+pr+q=0
- 两不等实根 r₁≠r₂:y=C₁e^{r₁x}+C₂e^{r₂x}
- 重根 r:y=(C₁+C₂x)e^{rx}
- 共轭复根 α±βi:y=e^{αx}(C₁cosβx+C₂sinβx)
- 非齐次:通解 = 齐次通解 + 特解(待定系数法/常数变易法)
高阶与特殊方程
- 可降阶:缺 y 型 y''=f(x,y')(令 p=y');缺 x 型
- 欧拉方程:x²y''+pxy'+qy=0,令 x=e^t 化常系数
- 应用:弹簧振动(自由/强迫)、RC 电路、人口模型
【计算题】求微分方程 y'' + y = 0 的通解。
答案:y = C₁cosx + C₂sinx。特征方程 r²+1=0,特征根 r=±i(α=0, β=1),故通解为 C₁cosx+C₂sinx。
【计算题】求一阶线性方程 y' + y = 0 的通解。
答案:y = Ce^(−x)。可分离变量:dy/y = −dx,两边积分得 ln|y| = −x + C。
【概念题】特征方程 r² − 3r + 2 = 0 对应齐次方程的通解形式?
答案:y = C₁e^x + C₂e^(2x)。特征根 r=1,2 为两不等实根,通解按 e^{r₁x}、e^{r₂x} 组合。
线性代数
行列式、矩阵、向量组、线性方程组、特征值与二次型——五章一线牵。
行列式与矩阵
- 2 阶行列式:|a b; c d| = ad − bc;按行/列展开(代数余子式)
- 矩阵运算:加法、数乘、乘法(不满足交换律)、转置
- 逆矩阵:AA⁻¹=E;A⁻¹ = A*/|A|(伴随矩阵)
- 初等变换与初等矩阵;矩阵的秩 r(A)
- 分块矩阵运算
向量组与方程组
- 线性相关/无关:存在不全为零系数使组合为零向量则相关
- 秩:极大无关组中向量个数;r(A)=列向量组秩=行向量组秩
- 方程组 Ax=b 有解 ⇔ r(A)=r(A|b);唯一解 ⇔ r(A)=n
- 齐次 Ax=0 基础解系:解空间维数 = n − r(A)
- 克拉默法则:|A|≠0 时唯一解
特征值与二次型
- 特征方程:|λE − A| = 0;特征向量满足 Aα = λα
- 性质:特征值之和 = 迹 tr(A),之积 = |A|
- 相似对角化:A 可对角化 ⇔ 有 n 个线性无关特征向量
- 实对称矩阵:必可正交对角化,不同特征值特征向量正交
- 二次型 xᵀAx:标准形(配方法/正交变换)、正定判定(顺序主子式>0)
【计算题】计算行列式 |3 1; 2 4|。
答案:10。3×4 − 1×2 = 12 − 2 = 10。
【计算题】矩阵 A = [[2,0],[0,3]] 的特征值是多少?
答案:λ₁=2,λ₂=3。对角矩阵的特征值即主对角线元素;也可由 |λE−A|=(λ−2)(λ−3)=0 得出。
【概念题】n 元齐次线性方程组 Ax=0 有非零解的充要条件是什么?
答案:r(A) < n。系数矩阵的秩小于未知量个数时,基础解系含 n−r(A) 个解向量,必有非零解。
概率论与数理统计
随机事件的概率、随机变量的分布、数字特征、大数定律与统计推断。
随机事件与概率
- 古典概型:P(A)=有利/总;几何概型
- 条件概率:P(A|B)=P(AB)/P(B)
- 全概率公式:P(A)=ΣP(Bᵢ)P(A|Bᵢ)
- 贝叶斯公式:P(Bᵢ|A)=P(Bᵢ)P(A|Bᵢ)/P(A)
- 事件独立:P(AB)=P(A)P(B)
随机变量及其分布
- 离散型:0-1 分布、二项 B(n,p)、泊松 P(λ)、几何分布
- 连续型:均匀 U(a,b)、指数 Exp(λ)、正态 N(μ,σ²)
- 分布函数 F(x)=P(X≤x),密度 f(x)=F'(x)
- 标准化:Z=(X−μ)/σ ~ N(0,1)
- 二维随机变量:联合分布、边缘分布、条件分布、独立性
数字特征与大数定律
- 期望 E(X)=Σxᵢpᵢ(离散)/ ∫xf(x)dx(连续)
- 性质:E(aX+b)=aE(X)+b;E(X+Y)=E(X)+E(Y)
- 方差 D(X)=E(X²)−[E(X)]²;D(aX+b)=a²D(X)
- 协方差与相关系数 ρ=Cov(X,Y)/√(DXDY)
- 大数定律:样本均值依概率收敛于期望;中心极限定理:大量独立同分布变量和近似正态
数理统计
- 总体、样本、统计量:样本均值 X̄、样本方差 S²
- χ²、t、F 三大分布及抽样分布定理
- 参数估计:矩估计、最大似然估计(无偏性、有效性)
- 假设检验:显著性水平 α、拒绝域、两类错误
- 置信区间:正态总体均值的区间估计
【计算题】设随机变量 X~N(0,1),写出其标准化形式及密度函数形式要点。
答案:标准正态 N(0,1) 密度 f(x)=(1/√(2π))e^(−x²/2);一般 X~N(μ,σ²) 通过 Z=(X−μ)/σ 化为标准正态。
【计算题】设 E(X)=2,D(X)=3,求 E(3X+1) 与 D(3X+1)。
答案:E=7,D=27。E(3X+1)=3×2+1=7;D(3X+1)=3²×3=27(方差平移不变、缩放取平方)。
【概念题】写出全概率公式。
答案:若 B₁,…,Bₙ 构成完备事件组(互斥且并集为全空间),则 P(A)=ΣP(Bᵢ)P(A|Bᵢ)。