高等数学——导数与微分

0. 预备

0.0 三角函数

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0.1 三角函数公式

  • 和差角公式
  • cos(\alpha + \beta) = cos\,\alpha\,cos\, \beta - sin\, \alpha\, sin\,\beta
  • cos(\alpha - \beta) = cos\,\alpha\,cos\, \beta + sin\, \alpha\, sin\,\beta
  • sin(\alpha \pm \beta) = sin\,\alpha\,cos\, \beta \pm cos\, \alpha\, sin\,\beta
  • tan(\alpha + \beta) = \frac {tan\,\alpha\, + tan\, \beta} {1 - tan\, \alpha\, tan\,\beta}
  • tan(\alpha - \beta) = \frac {tan\,\alpha\, - tan\, \beta} {1 + tan\, \alpha\, tan\,\beta}
  • 和差化积公式
  • sin\,\alpha + sin\,\beta = 2sin\frac{\alpha + \beta}{2}cos\frac{\alpha - \beta}{2}
  • sin\,\alpha - sin\,\beta = 2cos\frac{\alpha + \beta}{2}sin\frac{\alpha - \beta}{2}
  • cos\,\alpha + cos\,\beta = 2cos\frac{\alpha + \beta}{2}cos\frac{\alpha - \beta}{2}
  • cos\,\alpha - cos\,\beta = -2sin\frac{\alpha + \beta}{2}sin\frac{\alpha - \beta}{2}
  • tan\,\alpha \pm tan\,\beta = \frac{sin(\alpha \pm \beta)}{cos\alpha\, cos \beta}
  • cot\,\alpha \pm cot\,\beta = \pm\frac{sin(\alpha \pm \beta)}{sin\alpha\, sin \beta}
  • 积化和差公式
  • sin\,\alpha\, cos\,\beta = \frac{1}{2}[sin(\alpha + \beta) + sin(\alpha - \beta)]
  • cos\,\alpha\, sin\,\beta = \frac{1}{2}[sin(\alpha + \beta) - sin(\alpha - \beta)]
  • cos\,\alpha\, cos\,\beta = \frac{1}{2}[cos(\alpha + \beta) + cos(\alpha - \beta)]
  • sin\,\alpha\, sin\,\beta =- \frac{1}{2}[cos(\alpha + \beta) - cos(\alpha - \beta)]
  • 二倍角公式
  • sin\,2\alpha = 2sin\,\alpha\, cos\,\alpha
  • cos\,2\alpha = 2cos^{2}\,\alpha - 1 = 1- 2sin^{2}\,\alpha = cos^{2}\,\alpha - sin^{2}\,\alpha
  • tan\,2\alpha = \frac {2tan\,\alpha} {1 - tan^{2}\, \alpha}

0.2 等差数列

  • 其中等差数列的首项为 a_{1},末项为 a_{n},项数为 n,公差为 d,前 n 项和为 s_{n}
  • 通项公式 a_{n} = a_{1} + (n-1)\times d
  • 求和公式 s_{n} = na_{1} + \frac{n(n-1)}{2}d,n\in N^{*}

0.3 等比数列

  • 其中 a_{1} 为首项,q 为等比数列公比,s_{n}为等比数列前 n 项和。
  • 通项公式 a_{n} = a_{1}q^{n-1}
  • 求和公式 s_{n} = \frac{a_{1}(1-q^{n})}{1-q}(q\neq 1)

1. 集合

1.1 集合的运算法则

  • 交换律:A\cup B = B\cup A, A\cap B = B\cap A
  • 结合律:
  • 分配律:
  • 对偶律:(A\cap B)^{c}= A^{c}\cup B^{c}(A\cup B)^{c}= A^{c}\cap B^{c}

2. 极限

2.1 无穷小

定理 1     有限个无穷小的和也是无穷小

定理 2     有界函数与无穷小的乘积是无穷小;

推论 1     常数与无穷小的乘积是无穷小;有限个无穷小的乘积是无穷小;

定理 3     如果 lim\,f(x) = A,\, lim\,g(x) = B,那么
(1) lim[f(x)\pm g(x)] = lim\,f(x) \pm lim\,g(x) = A \pm B
(2) lim[f(x) \cdot g(x)] = lim\,f(x) \cdot lim\,g(x) = A \cdot B
(3) 若又有B \neq 0,则:
lim\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{lim\,f(x)}{lim\,g(x)} = \frac{A}{B}

推论 2     如果 lim\,f(x) 存在,而 c 为常数,则
lim[c\,f(x)] = c\, lim\, f(x)

推论 3     如果 lim\,f(x) 存在,而 n 是正整数,则
lim[f(x)]^{n} = [lim\, f(x)]^{n}

定理 4     如果 \varphi (x)\geqslant \psi (x),而 lim\,\varphi (x)=a, lim\,\psi (x)=b,那么 a\geqslant b

2.2 无穷小的比较

\alpha\beta 都是同一自变量的变化过程中的无穷小,且 \alpha \neq 0lim \frac{\beta}{\alpha} 是在这个变化过程中的极限,则有以下定义:

  • 如果 lim \frac{\beta}{\alpha}=0,就说 \beta 是比 \alpha 高阶的无穷小,记作 \beta = o(\alpha)
  • 如果 lim \frac{\beta}{\alpha}=\infty,就说 \beta 是比 \alpha 低阶的无穷小
  • 如果 lim \frac{\beta}{\alpha}=c \neq 0,就说 \beta\alpha 是同阶无穷小
  • 如果 lim \frac{\beta}{\alpha^{k}}=c\neq 0,k>0,就说 \beta 是关于\alphak 阶无穷小
  • 如果 lim \frac{\beta}{\alpha}=1,就说 \beta\alpha 是等阶无穷小,记作 \alpha \sim \beta

定理 1     \alpha\beta 是等价无穷小的充分必要条件为 \beta = \alpha + o(\alpha)

定理 2     设 \alpha \sim \alpha' , \beta \sim \beta',且 lim\, \frac{\beta'}{\alpha'} 存在,则lim\, \frac{\beta}{\alpha}= lim\, \frac{\beta'}{\alpha'}

2.3 极限存在准则

准则 1     如果数列 \{x_{n}\}\{y_{n}\}\{z_{n}\} 满足下列条件:
(1) 从某项起,即 \exists\, n_{0} \in N,当 n > n_{0} 时,有 y_{n}\leqslant x_{n}\leqslant z_{n}
(2) \underset{n\rightarrow \infty }{lim}\,y_n=a,\underset{n\rightarrow \infty }{lim}\,z_n=a
那么数列 \{x_{n}\} 的极限存在,且 \underset{n\rightarrow \infty }{lim}\,y_n=a

准则 1'     如果
(1) 当 x \in \overset{\circ }{U}(x_0, r)(或 |x| > M)时,g(x) \leqslant f(x)\leqslant h(x)
(2) \underset{n\rightarrow \infty }{lim}\,g(x)=A,\underset{n\rightarrow \infty }{lim}\,h(x)=A
那么 \underset{n\rightarrow \infty }{lim}f(x) 存在,且等于 A

准则 2     单调有界数列必有极限

柯西极限存在准则     数列 \{x_{n}\} 收敛的充分必要条件是:对于任意给定的正数 \varepsilon,存在着这样的正整数 N,使得当 m > N,n > N时,就有 |x_n - x_m| < \varepsilon

应用

  • \underset{x\rightarrow 0 }{lim}\frac {sin\,x}{x} = 1
  • \underset{x\rightarrow \infty }{lim}(1 + \frac{1}{x})^{x} = e
  • \underset{x\rightarrow 0 }{lim}\frac {a^{x} -1}{x} = ln\,a
  • \underset{x\rightarrow 0}{lim\,}x^{\alpha }ln\,x = 0\quad (\alpha > 0)

2.4 极限的求法

  • 提取因式,做等价替换
  • 0 \cdot \infty 改写成 \frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty}
  • \infty - \infty 有分母就通分,无分母创造分母
  • \infty ^{0}0^01^{\infty} 套用以下公式
    u(x)^{v(x)} = e^{v(x)ln(u(x))}
  • 用泰勒公式进行展开时遵循两个原则
  • \frac{A}{B} 型 上下同阶原则:若分母(分子)是 xk 次方,则将分子(分母)展开至 k 次方;
  • A-B 型 幂次最低原则:将 AB 分别展开至系数不相等的 x 的最低次幂为止。

2.5 函数的连续性

结论 1     基本初等函数在它们的定义域内都是连续的
注:
(1) 高等数学将基本初等函数归为五类:幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数。
(2) 数学分析将基本初等函数归为六类:幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数、常数函数。

结论 2     一切初等函数在其定义区间内都是连续的
注:
(1) 初等函数是由基本初等函数经过有限次的有理运算(加、减、乘、除、有理数次乘方、有理数次开方)及有限次函数复合所产生,并且能用一个解析式表示的函数。

零点定理     设函数 f(x) 在闭区间 [a, b] 上连续,且 f(a)f(b) 异号(即 f(a)\cdot f(b)<0),那么在开区间 (a, b) 内至少有一点 \xi,使 f(\xi) = 0

介值定理     设函数 f(x) 在闭区间 [a, b] 上连续,且在这区间的端点取不同的函数值 f(a)=A,f(b) = B,那么对于 BB 之间的任意一个数 C,在开区间 (a, b) 内至少有一点 \xi,使 f(\xi) = C\,\,(a < \xi < b)

2. 导数

2.1 定义

设函数 y=f(x) 在点 x_0 的某个邻域内有定义,当自变量 xx_0 处取得增量 \Delta x(点 x_0 + \Delta x 仍在该邻域内)时,相应地函数取得增量 \Delta y = f(x_0 + \Delta x)-f(x_0);如果 \Delta y\Delta x 之比当 \Delta x\rightarrow 0 时极限存在,则称函数 y=f(x) 在点 x_0 处可导,并称这个极限为函数 y=f(x) 在点 x_0 处的导数,记为 y=f'(x),即 f'(x) = \underset{\Delta x\rightarrow 0 }{lim}\frac {\Delta y}{\Delta x} = \underset{\Delta x\rightarrow 0 }{lim}\frac {f(x_0 + \Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}

2.2 函数可导性与连续性

函数在某点连续是函数在该点可导的必要条件,但不是充分条件。

2.3 基本求导法则与导数公式

  • 常数和基本初等函数的导数公式
  • (C)' = 0
  • (x^{u})' = u\,x^{u-1}
  • (sin\,x)' = cos\,x
  • (cos\,x)' = -sin\,x
  • (tan\,x)' = sec^{2}\,x
  • (cot\,x)' = -csc^{2}\,x
  • (sec\,x)' = sec\,x\,tan\,x
  • (csc\,x)' = -csc\,x\,cot\,x
  • (a^{x})' = a^{x}ln\,a
  • (e^{x})' = e^{x}
  • (log_{a}x)' = \frac{1}{x\,ln\,a}
  • (ln\,x)' = \frac{1}{x}
  • (arcsin\,x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}
  • (arccos\,x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}
  • (arctan\,x)' = \frac{1}{1+x^{2}}
  • (arccot\,x)' = -\frac{1}{1+x^{2}}
  • 函数的和、差、积、商的求导法则
    如果函数 u = u(x)v = v(x) 都在点 x 具有导数,那么他们的和、差、积、商(分母为零的点除外)都在点 x 具有导数,且
    (1) [u(x) \pm v(x)]' = u'(x) \pm v'(x)
    (2) [C\,u(x)]' = C\,u'(x)
    (2) [u(x)\, v(x)]' = u'(x)\,v(x) + u(x)\,v'(x)
    (3) [\frac{u(x)}{v(x)}]' = \frac{u'(x)\,v(x) - u(x)\, v'(x)}{v^{2}(x)}(v(x)\neq0)

  • 反函数的求导法则
    反函数的导数等于直接函数的导数的倒数,即[f^{-1}(x)]' = \frac{1}{f'(x)}

  • 参数方程求导
    设函数 y = y(x)
    \left\{\begin{matrix} x = \phi (t)\\ y = \psi (t) \end{matrix}\right.
    确定, t 为参数,则 \frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt} = \frac{\psi'(t)}{\phi'(t)}

  • 隐函数求导
    方程两边分别对 x 求导即可,把方程中的 y 看作 f(x)

  • 对数求导法
    例如:y = \sqrt[5]{\frac{(x-3)^2(x+5)^3}{(x-1)^3}}

  • 幂指函数求导
    例如:y = x^{sin\,x}

  • 复合函数的求导法则
    y=u(x),而u=g(x)f(u)g(x) 都可导,则复合函数 y=f[g(x)] 的导数为 y'(x) = f'(u)\,g'(x)

  • 变限积分求导
    F'(x) = \frac{d}{dx}(\int_{\phi_1(x)}^{\phi_2(x)}f(t)dt) = f[\phi_2(x)]\phi_1'(x) - f[\phi_1(x)]\phi_1'(x)

  • n 阶导数

  • (sin\,x)^{(n)} = sin(x+n\cdot \frac{\pi}{2})

  • (cos\,x)^{(n)} = cos(x+n\cdot \frac{\pi}{2})

  • [ln(1+x)]^{(n)} = (-1)^{n-1}\frac{(n-1)!}{(1+x)^{n}}

  • (x^{\mu})^{(n)} = \mu(\mu-1)(\mu-2)\cdots (\mu-n+1)x^{\mu-n}

  • (u+v)^{(n)} = \sum_{k=0}^{n}C_n^{k}u^{n-k}v^{k}

  • (u\,v)^{(n)} = \sum_{k=0}^{n}C_n^{k}u^{(n-k)}v^{(k)}

2.4 导数的应用

极值的判别     设 f(x)x_0n 阶可导,且 f'(x_0) = f''(x_0) = \cdots = f^{(n-1)}(x_0) = 0,但f^{(n)}(x_0)\neq 0\,(n\geqslant 2),则当 n 为偶数时,
\left\{\begin{matrix} f^{(n)}(x_0) > 0\Rightarrow x_0 极小值点\\ f^{(n)}(x_0) < 0\Rightarrow x_0 极大值点 \end{matrix}\right.

拐点的判别     设 f(x)x_0n 阶可导,且 f''(x_0) = f'''(x_0) = \cdots = f^{(n-1)}(x_0) = 0,但f^{(n)}(x_0)\neq 0\,(n\geqslant 3),则当 n 为奇数时,(x_0, f(x_0)) 为曲线的拐点。

渐近线    
(1) \lim_{x\rightarrow a}f(x) = \infty则函数存在渐近线 x = a
(2) \lim_{x\rightarrow \infty}f(x) = b则函数存在渐近线 y = b
(3) \left\{\begin{matrix} \lim_{x\rightarrow \infty}\frac{y}{x} = k \\ \lim_{x\rightarrow \infty}(f(x) - kx) = b \end{matrix}\right.
则函数存在渐近线 y = kx+b

3. 微分

3.1 定义

设函数 y=f(x) 在某区间内有定义, x_0x_0 + \Delta x 在这区间内,如果增量 \Delta y=f(x_0+\Delta x) - f(x_0) 可以表示为\Delta y = A \Delta x + o(\Delta x) 其中 A 是不依赖于 \Delta x 的常数,那么称函数 y=f(x) 在点 x_0 是可微的,而 A\Delta x 叫做函数 y=f(x) 在点 x_0 相应于自变量增量 \Delta x 的微分,记作 dy,即 dy=A \Delta x

结论 1     函数 y=f(x) 在点 x_0 可微的充分必要条件是函数 y=f(x) 在点 x_0 可导,且当 y=f(x) 在点 x_0 可微时,其微分一定是 dy=f'(x)\Delta x

3.2 微分公式

  • 基本初等函数的微分公式

  • d(x^{u}) = u\,x^{u-1}\,dx

  • d(sin\,x) = cos\,x\,dx

  • d(cos\,x) = -sin\,x\,dx

  • d(tan\,x) = sec^{2}\,x\,dx

  • d(cot\,x) = -csc^{2}\,x\,dx

  • d(sec\,x) = sec\,x\,tan\,x\,dx

  • d(csc\,x) = -csc\,x\,cot\,x\,dx

  • d(a^{x}) = a^{x}ln\,a\,dx

  • d(e^{x}) = e^{x}\,dx

  • d(log_{a}x) = \frac{1}{x\,ln\,a}\,dx

  • d(ln\,x) = \frac{1}{x}\,dx

  • d(arcsin\,x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}\,dx

  • d(arccos\,x) = -\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}\,dx

  • d(arctan\,x) = \frac{1}{1+x^{2}}\,dx

  • d(arccot\,x) = -\frac{1}{1+x^{2}}\,dx
    注:其他也与导数类似

  • 微分近似公式(假定 |x| 是较小的数值)

  • \sqrt[n]{1+x}\approx 1+\frac{1}{n}x

  • sin\,x \approx x(x 用弧度做单位来表示)

  • tan\,x \approx x(x 用弧度做单位来表示)

  • e^{x} \approx 1 + x

  • ln(1+x) \approx x

3.3 微分中值定理

费马引理     设函数 f(x) 在点 x_0 的某领域 U(x_0) 内有定义,并且在 x_0 处可导,如果对任意的 x\in U(x_0),有 f(x) \leqslant f(x_0)\,\,\,(或f(x) \geqslant f(x_0)) 那么 f'(x_0) = 0

罗尔定理     如果函数 f(x) 满足
(1) 在闭区间 [a,b] 上连续
(2) 在开区间 (a,b) 内可导
(3) 在区间端点处的函数值相等,即 f(a) = f(b)
那么在 (a,b) 内至少有一点 \xi \,(a< \xi <b),使得 f'(\xi) =0

拉格朗日中值定理     如果函数 f(x) 满足
(1) 在闭区间 [a,b] 上连续
(2) 在开区间 (a,b) 内可导
那么在 (a,b) 内至少有一点 \xi \,(a< \xi <b),使等式 f(b)-f(a) = f'(x)(b-a) 成立

柯西中值定理     如果函数 f(x)F(x) 满足
(1) 在闭区间 [a,b] 上连续
(2) 在开区间 (a,b) 内可导
(3) 对任一 x\in (a,b), F(x)\neq0
那么在 (a,b) 内至少有一点 \xi \,(a< \xi <b),使等式 \frac{f(b)-f(a)}{F(b) - F(a)} = \frac{f'(\xi)}{F'(\xi)} 成立

3.4 泰勒展开式

百科:   若函数 f(x) 在包含 x_0 的某个闭区间 [a, b] 上具有 n 阶导数,且在开区间 (a, b) 上具有 (n+1) 阶导数,则对闭区间 [a, b] 上任意一点 x,下式成立:
f(x) = \frac{f(x_0)}{0!} + \frac{f'(x_0)}{1!}(x-x_0) + \frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^{2} + \cdots +\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^{n}+R_n(x)
其中 R_n(x) 是泰勒公式的余项,是 (x-x_0)^{n} 的高阶无穷小。

泰勒中值定理     如果函数 f(x) 在含有 x_0 的某个开区间 (a,b) 内具有直到 (n+1) 阶的导数,则对任一 x\in (a, b),有f(x) = \frac{f(x_0)}{0!} + \frac{f'(x_0)}{1!}(x-x_0) + \frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^{2} + \cdots +\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^{n}+R_n(x)其中R_n(x) =\frac {f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1} 这里 \xix_0x 之间的某个值。

麦克劳林公式     在泰勒公式中,如果取 x_0 = 0,则 \xi0x 之间,因此,可以令 \xi=\theta x,则泰勒公式可以写成 f(x) = \frac{f(0)}{0!} + \frac{f'(0)}{1!}x + \frac{f''(0)}{2!}x^{2} + \cdots +\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^{n}+\frac{f^{(n+1)}(\theta x)}{(n+1)!}x^{n+1} \,(0<\theta<1)

常用函数的泰勒展开式

  • sin\,x = x - \frac {1}{6}x^{3} + o(x^{3})
  • arcsin\,x = x + \frac {1}{6}x^{3} + o(x^{3})
  • tan\,x = x + \frac {1}{3}x^{3} + o(x^{3})
  • arctan\,x = x - \frac {1}{3}x^{3} + o(x^{3})
  • cos\,x = 1 - \frac {1}{2}x^{2} +\frac {1}{24}x^{4} + o(x^{4})
  • sec\,x = 1 + \frac {1}{2}x^{2} +\frac {5}{24}x^{4} + o(x^{4})
  • ln(x+1) = x - \frac {1}{2}x^{2} +\frac {1}{3}x^{3} + o(x^{3})
  • e^{x} = 1 + x + \frac {1}{2}x^{2} +\frac {1}{6}x^{3} + o(x^{3})
  • (1+x)^{\alpha} = 1 + \alpha x + \frac {\alpha (\alpha - 1)}{2}x^{2} + o(x^{2})
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