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历年考研数学高等数学基础讲义

考研数学高等数学基础讲义

 

第一讲极限1

第二讲高等数学的基本概念串讲9

第三讲高等数学的基本计算串讲13

第四讲高等数学的基本定理串讲24

第五讲微分方程27

第六讲多元函数微积分初步29

第一讲极限

 

核心考点概述

1.极限的定义

2.极限的性质

3.极限的计算

4.连续与间断内容展开

一、极限的定义

1.lim是什么?

lim是什么?

x→∙n→∞

(1)lim的情况:

x→∙

①“x→∙”代表六种情形:

x→x,x→x+,x→x-,x→∞,x→+∞,x→-∞

000

②函数极限运算的过程性——必须保证在作极限运算的过程中函数处处有定义,否则极限过程便无从谈起,于是极限就不会存在了。

比如下面这个例子:

sin⎛xsin1⎞

⎜x⎟

【例】计算lim

x→0

⎝⎠.

xsin1

x

1

事实上,在x=0点的任一小的去心邻域内,总有点x=→0(|k|为充分大的正整数),

sin⎛xsin1⎞sin⎛xsin1⎞

⎜x⎟⎜x⎟

使⎝⎠在该点没有定义,故lim⎝⎠不存在.

xsin1

x

x→0

xsin1

x

(2)lim是什么?

n→∞

2.极限的定义

(1)函数极限的定义:

limf(x)=A⇔∀ε>0,∃δ>0,当0<

x→x0

x-x0

<δ时,恒有

f(x)-A<ε

 

1

注:

趋向方式六种

(2)数列极限定义:

nn

limx=a⇔∀ε>0,∃N>0,当n>N时,恒有x-a<ε

n→∞

注:

趋向方式只有一种

【例】以下三个说法,

1

(1)“∀ε>0,∃X>0,当x>X时,恒有件;

ε

f(x)-A

x→+∞

f(x)=A”的充要条

(2)“∀正整数N,∃正整数K,当0<

“limf(x)=A”的充要条件;

x→x0

x-x0≤K

时,恒有

f(x)-A≤1”是

2N

(3)“∀ε∈(0,1),∃正整数N,当n≥N时,恒有|xn-a|≤2ε”是“数列{xn}收敛于a”

的充要条件;

正确的个数为()

(A)0(B)1(C)2(D)3

二、极限的性质

1.唯一性

(1)limex=∞,limex=0,

(2)limsinx不存在(3)limarctanx不存在(4)lim[x]

x→+∞

x→-∞

x→0x

x→∞

x→0

不存在

⎛1⎞

⎜ex1⎟

【例】设k为常数,且I=lim

x→0

+

k⋅arctan存在,求k的值,并计算极限I。

x⎟

⎝ex+1⎠

 

2

2.局部有界性

【例】函数f(x)=|x|sin(x-2)在下列哪个区间内有界()

x(x-1)(x-2)2

(A)

(-1,0).(B)

(0,1).(C)

(1,2).(D)

(2,3).

【注】函数有界性判别法总结如下:

(1)理论型判别—f(x)在闭区间[a,b]上连续,则f(x)在闭区间[a,b]上有界;

(2)计算型判别—f(x)在开区间(a,b)内连续,且极限lim

x→a+

f(x)与lim

x→b-

f(x)存在,则函

数f(x)在开区间(a,b)内有界.

(3)若极限不存在,则转向“四则运算规则”——有限个有界函数与有界函数的和、差、积

仍为有界函数.

(4)若存在x0,使得lim

x→x0

f(x)=∞,则无界。

3.局部保号性

若limf(x)=A>0,则当x→∙时,f(x)>0.

x→∙

【例】设limf(x)=f(0),且lim

f(x)

=2,则x=0是

x→0

x→01-cosx

(A)极大值点(B)极小值点(C)不是极值点(D)无法判断

 

三、极限的计算

1.函数极限的计算

(1)化简先行

【例1】求极限lim

2+sinx(sinx-x)

3

x→0tanx

 

3

【例2】求极限lim

x→0

1+3x-31+5xx

 

(2)基本的七种未定型

0

第一组:

0

∞0⋅∞

2

ex-e2-2cosx

【例1】求极限lim

x→0x4

 

【例2】求极限limlnx⋅ln(1-x)

x→1-

 

第二组:

∞-∞

①有分母,则通分

【例】求极限lim(

x→0

1cos2x

-

sin2xx2)

 

4

②没有分母,创造分母,再通分

1

【例】求极限lim[x2(ex-1)-x]

x→+∞

 

第三组:

∞0

001∞

【例1】求极限lim(x+

x→+∞

1

1+x2)x

 

1

【例2】求极限lim(tanx)cosx-sinxx→π

4

 

(3)核心工具——泰勒公式

①牢记8个公式

sinx=x-1x3+o(x3)6

arcsinx=x+1x3+o(x3)

6

tanx=x+1x3+o(x3)3

arctanx=x-1x3+o(x3)

3

cosx=1-1x2+

2

1x4+o(x4)

24

ln(1+x)=x-1x2+1x3+o(x3)

23

ex=1+x+1x2+1x3+o(x3)

26

(1+x)α=1+αx+α(α-1)x2+o(x2)

2

5

②掌握两个展开原则

i.A型——上下同阶原则

B

【例】lim

x→0

1+x+

x

1-x-2

2

 

ii.A-B型——幂次最低原则

【例】已知x→0时,cosx-e

-x2

2与cxk为等价无穷小,求c,k.

 

【练习】设p(x)=a+bx+cx2+dx3,当x→0时,若p(x)-tanx与x3为同阶无穷小,求a,b,c,d.

 

2.数列极限的计算

(1)将xn连续化,转化为函数的极限

【例】lim(n⋅

n→∞

tan

1)

)n2

n

 

6

(2)当数列通项为具体已知时,通常的解法为:

1)夹逼准则,2)定积分定义,3)利用幂级数求和(仅数学一要求),

【例】lim⎛1+2+...+n⎞

n→∞⎜n2+n+1n2+n+2n2+n+n⎟

⎝⎠

 

(3)当数列通项由递推关系式an=f(an-1)给出时,通常使用单调有界准则

【例】设a>0,x1>0,xn+1=

(2xn+2

n

n=1,2,…,证明{x}收敛并求limx.

n→∞

 

四、连续与间断

1.由于“一切初等函数在其定义区间内必连续”,则只需考虑两类特殊的点:

函数的无定义点和分段函数的分段点.

2.所谓连续

lim

x→x0

f(x)=

f(x0)⇔

f(x)在x=x0处连续

3.所谓间断

(1)跳跃间断点:

lim

x→x+

f(x)≠lim

x→x-

f(x)

7

(2)可去间断点:

lim

x→x+

f(x)=lim

x→x-

f(x)≠

f(x0)

(3)无穷间断点:

lim

x→x+

f(x)=∞或lim

x→x-

f(x)=∞

(4)振荡间断点:

lim

x→x+

f(x)或lim

x→x-

f(x)振荡

⎧ln(1+ax3)

⎪,x<0

⎪x-arcsinx

⎪⎪

【例】设f(x)=⎨6

x=0

,问a为何值时,

⎪eax+x2-ax-1

⎪xsinx

⎩4

x>0

(I)f(x)在x=0连续;

(II)x=0是f(x)的可去间断点.

 

8

 

第二讲高等数学的基本概念串讲

核心考点概述内容展开一、一元函数微分需的概念及使用

1.考查导数定义的基本形式

ln(1-2x)+2xf(x)

【例】设δ

>0,f(x)在[-δ,δ]上有定义,f(0)=1,且满足lim

x→0x2

=0,

证明f'(0)存在,并求f'(0).

 

2.考查导数定义中增量的广义化

【例】设f(0)=0,下列命题能确定f'(0)存在的是()

(A)lim

h→0

f(1-cosh)

h2

存在(B)lim

h→0

f(1-eh)

存在

h

(C)lim

h→0

f(h-sinh)

h2

存在(D)lim

h→0

f(2h)-f(h)

存在

h

 

9

二、一元函数积分学的概念及其使用

1.不定积分、变限积分和定积分

(1)不定积分

原函数与不定积分设函数f(x)定义在某区间I上,若存在可导函数F(x),对于该.区.间.上.任.一.点.都有F'(x)=f(x)成立,则称F(x)是f(x)在区间I上的一个原函数.称

⎰f(x)dx=F(x)+C

为f(x)在区间I上的不定积分,其中C为任意常数.

【注】谈到函数f(x)的原函数与不定积分,必须指明f(x)所定义的区间.

x

【例1】试证明:

如果函数f(x)在[a,b]上连续,则函数F(x)=⎰af(t)dt在[a,b]上可导,

且F'(x)=

f(x)(本题即为变限积分函数求导的知识点).

 

【例2】试证明:

含有第一类间断点、无穷间断点的函数f(x)在包含该间断点的区间内必没有原函数F(x).

 

【注】第二类振荡间断点是否有原函数呢?

举例说来,对于

f(x)=

⎧⎪2xsin

⎪⎩

1-cos1,

xx

0,

x≠0,

x=0,

其在(-∞,+∞)上不连续,它有一个第二类振荡间断点x=0,但是它在(-∞,+∞)上存

10

在原函数F(x)=⎪x

2sin1,x≠0,

x

即,对于(-∞,+∞)上任一点都有F'(x)=f(x)成立.

⎩⎪0,

x=0.

综合以上几点,可以得出重要结论:

可导函数F(x)求导后的函数F'(x)=f(x)不一定是连续函数,但是如果有间断点,一定是第二类间断点(在考研的范畴内,只能是振荡间断点).

(2)定积分

定积分存在定理定积分的存在性,也称之为一元函数的(常义)可积性.这里的“常义”是指“区间有限,函数有界”,也有人称为“黎曼”可积性,与后面要谈到的“区间无穷,函数无界”的“反常”积分有所区别.在本讲中所谈到的可积性都是指的常义可积性.

a

【注】事实上,还有一个使得定积分存在的充分条件:

若f(x)在[a,b]上单调,则⎰bf(x)dx

存在,不过考试大纲对此没有做要求,考生知道即可.

【例】在区间[-1,2]上,以下四个结论,

⎧2,

①f(x)=⎨1,

x>0

x=0,有原函数,但其定积分不存在;

⎪-1,

x<0

②f(x)=⎪

⎧2xsin1

⎨x2

-

2cos1

xx2

x≠0

,有原函数,其定积分也存在

⎪⎩0

⎧1,x≠0

③f(x)=⎨x

⎪⎩0,x=0

x=0

 

,没有原函数,其定积分也不存在

⎧2xcos1+

sin

1,x≠0

④f(x)=⎨x

⎪⎩0

x

x=0

,有原函数,其定积分也存在

正确结论的个数为()

(A)1(B)2(C)3(D)4

 

11

2.反常积分

(1)无穷区间上反常积分的概念与敛散性

+∞

①af(x)dx的定义

+∞b

f(x)dxlim

ax→+∞

f(x)dx

+∞

若上述极限存在,则称反常积分af(x)dx收敛,否则称为发散.

b

②⎰-∞f(x)dx的定义

bb

⎰-∞=⎰a

f(x)dxlim

a→-∞

f(x)dx

b

若上述极限存在,则称反常积分⎰-∞f(x)dx收敛,否则称为发散.

+∞+∞+∞c

③⎰-∞

f(x)dx的定义

⎰-∞

f(x)dx=⎰c

f(x)dx+⎰-∞f(x)dx

+∞

若右边两个反常积分都收敛,则称反常积分⎰-∞

b

(2)无界函数的反常积分的概念与敛散性

f(x)dx收敛,否则称为发散

①若b是

f(x)的唯一奇点,则无界函数

f(x)的反常积分⎰af(x)dx定义为

bb-ε

f(x)dx=lim

aε→0

f(x)dx

b

若上述极限存在,则称反常积分⎰af(x)dx收敛,否则称为发散.

b

②若a是f(x)的唯一奇点,则无界函数f(x)的反常积分⎰af(x)dx定义为

bb

f(x)dx=limf(x)dx

aε→0

b

若上述极限存在,则称反常积分⎰af(x)dx收敛,否则称为发散.

b

③若c∈(a,b)是f(x)的唯一奇点,则无界函数f(x)的反常积分⎰af(x)dx定义为

bcb

⎰af(x)dx=⎰af(x)dx+⎰cf(x)dx

b

若上述右边两个反常积分都收敛,则称反常积分⎰af(x)dx收敛,否则称为发散.

 

12

 

第三讲高等数学的基本计算串讲

核心考点概述

1.微分学的计算

2.积分学的计算

3.微积分在几何上的应用内容展开

一、一元函数微分学的基本计算1.四则运算

[f(x)±g(x)]'=

[f(x)⋅g(x)]'=

f'(x)±g'(x)

f'(x)g(x)+f(x)g'(x)

⎡f(x)⎤'

⎢g(x)⎥

f'(x)g(x)-f(x)g'(x)

=g2(x)

(g(x)

≠0)

⎣⎦

d[f(x)±g(x)]=df(x)±dg(x)

d[f(x)⋅g(x)]=g(x)df(x)+f(x)dg(x)

d⎡f(x)⎤=g(x)df(x)-f(x)dg(x)

(g(x)≠0)

⎢g(x)⎥

g2(x)

⎣⎦

2.复合函数求导

sin21

【例】y=2x,求y'

 

13

3.反函数求导

设函数y=f(x),f'(x)≠0,其反函数为x=ϕ(y),则ϕ'(y)=dx=1=

dydy

dx

4.参数方程求导

1

f'(x)

⎧x=ϕ(t)

dydydt

ψ'(t)

设函数y=y(x)由⎨y=ψ(t)确定,t为参数,则dx=dxdt=ϕ'(t)

⎧x=θcosθ

【例】设函数由

⎩y=θsinθ

确定,求

dy

dxθ=π

2

 

5.隐函数求导

方程两边分别对x求导即可,把方程中的y看成f(x)

⎡⎛1⎞⎤

【例】设y=

f(x)是由方程y-x=ex(1-y)所确定的,求limn⎢f⎜

⎟-1⎥.

n→∞⎣

⎝n⎠⎦

 

6.对数求导法

【例】y=5

(x-3)2(x+5)3(x-1)3

,求y'.

 

14

7.幂指函数求导

【例】y=xsinx,求y'.

 

8.高阶导数

(1)(u±v)(n)=u(n)±v(n)

(2)(uv)=∑Cuv

n

(n)k(n-k)(k)

n

k=0

(3)泰勒展开式

①设y=

f(x)无穷阶可导,

∞f(n)(x)n

y=f(x)=∑0(x-x0)

n=0

y=f(x)=∑

n=0

n!

f(n)(0)

xn

n!

②根据题目所给的具体函数y=

f(x),将其展开

③由展开式的唯一性⇒比较①②展开式的多项式同幂次项前面的系数

0

⇒f(n)(0),f(n)(x)

【例】y=x3sinx,求y(6)(0).

 

15

9.参数方程确定的函数的二阶导数

⎧x=ϕ(t)

设函数y=y(x)由参数方程⎨y=ψ(t)确定,其中t是参数,则

⎧dy=dydt=ψ'(t)

⎪dx

⎪d2y

dxdt

⎛dy⎞

⎜dx⎟

ϕ'(t)

⎛dy⎞

⎜dx⎟dt

ψ'(t)ϕ'(t)-ψ'(t)ϕ'(t)

⎪=⎝⎠=⎝⎠=

⎪⎩dx2dx

dxdt

[ϕ'(t)]3

10.反函数的二阶导数

在y=

f(x)二阶可导的情况下,记f'(x)=y'x,ϕ'(y)=x'y(x'y≠0),则

⎧y'=dy=1=1

⎪xdx

dxx′ydy

⎛dy⎞

⎛1⎞

⎛1⎞

⎪d⎜

⎟d⎜

⎟d⎜⎟

⎪'d2y

⎝dx⎠

⎜x'⎟

 

⎜x'⎟dy

 

x'y'y1

 

⎪yxx=2

=⎝⎠=⎝⎠⋅

=-'2'

⎩⎪dxdx

dxdydx

(xy)xy

11.变限积分求导公式

F'(x)=d(⎰ϕ2(x)()

)=f[ϕ

(x)]ϕ'(x)-f[ϕ(x)]ϕ'(x)

ftdt

dxϕ1(x)

2211

12.基本初等函数的导数公式

(c)'=0

d(c)=0

(xα)'=αxα-1

(sinx)'=cosx

(实常数)

d(xα)=αxα-1dx

dsinx=cosxdx

(实常数)

(cosx)'=-sinx

(tanx)'=sec2x

(cotx)'=-csc2x

(secx)'=secxtanx

(cscx)'=-cscxcotx

dcosx=-sinxdx

dtanx=sec2xdx

dcotx=-csc2xdx

dsecx=secxtanxdx

dcscx=-cscxcotxdx

16

(loga

x)'=

1

xlna

(a>0,a≠1)

dlogax=

dxxlna

(a>0,a≠1)

(lnx)'=1

x

(ax)'=axlna(a>0,a≠1)

(ex)'=ex

dlnx=1dx

x

dax=axlnadx(a>0,a≠1)

dex=exdx

(arcsinx)'=

1

1-x2

darcsinx=

1dx

1-x2

(arccosx)'=-

(arctanx)'=

1

1-x2

1

darccosx=-

darctanx=

1dx

1-x2

1dx

1+x21+x2

(arccotx)'=-

1

1+x2

darccotx=-

1dx

1+x2

[ln(x+

[ln(x+

x2+a2)]'=1

x2+a2

x2-a2)]'=1

x2-a2

dln(x+

dln(x+

x2+a2)=1dx

x2+a2

x2-a2)=1dx

x2-a2

二、一元函数积分学的基本计算

1.凑微分法

(1)基本思想

⎰f[g(x)]g'(x)dx=⎰f[g(x)]d[g(x)]=⎰f(u)du

当被积函数比较复杂时,拿出一部分放到d后面去,若能凑成⎰f(u)du的形式,则凑微分成功.

(2)归纳总结凑微分的思维结构

①熟练掌握教材中的基本积分公式及常用的凑微分公式.

f(x)

②当被积函数可分为f(x)g(x)或

g(x)

时,其中f(x)较复杂时,对f(x)求导数(或其主

要部分)求导,一般得到g(x)的倍数,既可以是常数倍,也可以是函数倍,从而凑微分进行计算.

③当对f(x)求导得不到g(x)的倍数时,考虑“被积函数的分子分母”,同乘以或同除以一个适当的因子,恒等变形以达到凑微分的目的.一般而言,因子应根据题设函数给出,常用

的有eαx,xβ,sinx,cosx等.

17

cos2x-sinx

【例】求cosx(1+cosxesinx)dx

 

2.换元法

(1)基本思想

⎰f(x)dxx=g(u)⎰f[g(u)]d[g(u)]

 

u=g-1

=f[g(u)]g'(u)du

(x)

 

u=g-1

 

(x)

当被积函数不容易积分(比如含有根式,含有反三角函数)时,可以

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