高数笔记
目录
高数上
极限及函数基础
极限相关
需要两个极限都存在的时候才可以拆分;
一类间断点:左右极限存在(可去,跳跃间断点);
二类间断点:左右极限不都存在(无穷,振荡);
拐点,渐近线
拐点:二阶导为零或不存在且两侧二阶导异号的点。
渐近线
能画图就画图,不能画图再用公式,水平和铅直不谈,斜渐近线:
拉格朗日余项
带拉格朗日余项的一阶泰勒展开式为:
一阶的余项为2阶导,2的阶乘,2次方;n阶即余项为n+1阶导,n+1的阶乘,n+1次方;
微积分
积分公式记忆
即同一行有:
;
;
而利用“正弦/切/割”三角代换可以将带根号的积分式转化为上一种情况;
应用
变上限积分
性质
可积,则变上限积分连续
连续,则变上限积分可导
奇偶性与原函数同(假设有原函数)
计算
简单模式:
复杂模式:,;
因为这是对导数的变限积分,不是对变限积分求导。变限积分下限在积分里是一个常数,求导之后是0不用考虑,你这里没有对变限积分求导,而是对一个导数进行了变限积分。
知乎
变态模式:
可直接分离和,直接分离:
不可直接分离,换元:
积分中值定理
反常积分审敛法
比较审敛法
区分无穷限和无界,然后使用夹逼原理,比收敛函数小的函数还是收敛,比发散函数大的函数还是发散。
极限审敛法
极限审敛法1:在处乘,取极限若为0,说明原本是,收敛。(若会是常数或)。
极限审敛法2:在瑕点处乘,取极限若为0,说明原本是,收敛。(若会是大于0的常数,即分子,或是)。
[注意] 这里乘x的一次项式是为了判别被积函数等价于多少阶(为多少)的,所以也可以直接求被积函数的同阶无穷小,看无穷小收不收敛。
旋转体
表面积
应该是不是;注意不要用错了。
:类圆柱侧面积;:高;
体积
体积微元:;即周长乘面积,微元旋转体近似微元柱体;
取积分:
物理量
质心
形心
转动惯量
为旋转的质量微元(质量为)离转轴的距离,物体(质量为)的转动惯量就是
曲率和曲率半径
[区间再现]公式
下限+上限-;即对函数平移反折,使其与原函数图像半积分限对称;
在被积函数有关于中点对称时可用。
[表格法]部分积分
部分积分的一种规律,如对;上求导,下积分,正对角相乘,交错相加:
积分结果如下:
[点火公式]华莱士公式及相关
[函数]负指数积分
函数性质如下:
注意一个形似的反常积分(没有次幂但指数有平方):,可以由加换元得到。
因式分解
N重根
有n重实根就将重根和单根分离,重根的部分将重根依次降阶写成n个分式:
复重根同理。其中,的计算按以下规则(假设n重根):
次数越低的分式的系数求导ci'shu越多
高数下
常见图线
可导、可积、可微及有原函数
连续:一点左极限等于右极限等于该点函数值。
可导:左导数等于右导数存在且相等。
可微:该点可导且.
以上三者关系:可导必连续,连续不一定可导。可导必可微,可微必可导。
原函数存在:(对应不定积分)
函数连续必有原函数
函数含第一类间断点必没有原函数
定义域内含无穷间断点必没有原函数
其他情况需要判定
可积:(对应定积分)
没规定第一类还是第二类
可积则变上限积分存在
的变上限积分在的一类间断点处不可导
总结:
先积出来,如果结果可导,则有原函数;
可积不等于原函数在,两者有交集但互不包含,如可积不允许无界,原函数存在不允许一类间断。
;
二元函数的连续,可(偏)导和可微
连续:从任意方向逼近的极限值等于该点函数值。
判别法:
举反例,存在两个方向趋近的值不一致;
夹逼,将函数的范围求出,直接得到范围的极限,从而确定函数的极限。
可(偏)导:都存在。
判别法:
一般由定义用极限计算。
可微:该点连续且可(偏)导且.
判别法:
即成立。
以上三者关系:
可导不一定连续,连续不一定可导。连续不一定可微,可导不一定可微。可微必连续可导。偏导连续必可微。
可导,可微的几何意义
连续:可以不光滑,但是要连续;可导:光滑(方向光滑);可微:超级光滑(所有方向光滑)。
[所谓光滑,就是有切线,切平面;即可微是曲面某点存在切平面]
在二元函数中,可导(偏导)表示x, y方向上可导,如下函数,处可导,但是不可微,可微需要所有方向都可导。
关于偏导数连续
偏导数连续必可微,但是什么是偏导数连续?是这样:
并不是,偏导数也是函数,需要从任何方向逼近都相等:
二元函数的点与线
极值点与驻点
极值点:该点及邻域都有定义,且邻域的点都小于或大于该点。
驻点:一阶(偏)导等于0的点
极值点不一定为驻点,驻点不一定为极值点
需要判别
求多元函数最值问题
条件极值
拉格朗日乘数法
函数梯度与约束条件梯度重合:
求极值的函数(可能需要自己构造)和约束条件构成拉格朗日函数,对各个变量求偏导,得到所有可疑驻点然后比较:
注意:
化为一元函数最值问题
直接将边界方程代入函数,消元,化为一元函数最值问题。
无条件极值
驻点
是极点
[若等于0,判别该点周围的点函数值是否都大于/小于该点的值(极值的定义)]
极大值点
隐函数显式化
由二元函数可确定隐函数:
对分别求导可以得到:
于是得到了隐函数的导数。
空间向量相关
基本知识
三向量共面
梯度
梯度与方向导数
梯度是方向导数最大的方向,方向导数:
是方向余弦组成的单位方向向量。
梯度与法向量的关系
如果想求二维曲线在点的法向量,可以先构造二元函数,然后求在点的梯度,这个梯度向量就是曲线在点的一个法向量。(该结论可推广至任意维度)
空间曲线的切向量
切向量 即两个平面的法向量再叉乘;
散度与旋度
向量场,
散度是算子点乘向量场,旋度是算子叉乘向量场(算子即偏微分算子)
二重积分与雅各比行列式
雅各比行列式常用于二重积分换元:
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线面积分及两大公式总结
重要思想:
二元函数即三维曲面,二元方程是二维曲线
重积分计算法
直接计算
暂不谈;
对称性
区域关于面对称,看函数与轴关系
区域与对称,函数轮换对称;
轮换对称性
轮换对称,即轮换坐标轴(xyz->zxy),曲线/曲面方程或是空间区域方程不变,则:
这样的话,可以这样:
曲线积分
[图示]
[左]一类 [中]二类 [右]整体
图片来源
曲线积分可以看作求各部分质量不一致的曲线的质量;
一类曲线积分有直接的关于各点质量的函数;
二类曲线积分的“质量函数”被分为了各坐标分量;
[第一类] 函数与弧的积分(方向与弧方向一致)
即将曲线积分转为普通积分,方式是转为或者用参数方程表示转为;
[注意] 其中的过程是对积分区域函数的操作;
[第二类] 函数与弧的积分(方向与弧方向不一致,需要分解)(有向弧)
[格林公式] 二维N-L公式,将曲线积分转为曲面积分
注意:
格林公式使用条件:
不同情况下的应用:
曲线封闭无奇点格林公式;
曲线封闭有奇点定义新路径挖掉奇点;
曲线不封闭
曲面积分
[第一类] 函数与曲面的积分(函数与曲面垂直计算函数方向相同的情况)[投影法]
[第二类] 函数与曲面的积分(函数与曲面不垂直,映射到各坐标面计算(先转换为第一类,再投影求解))(有向曲面)
计算如下:
其中,为曲面的各点法线向量余弦,可由的梯度算出cos(也可由法向量与各坐标平面法向量夹角计算cos):
技巧在于
注意:
方向余弦是正是负取决于向量与对应坐标轴的夹角;一般来说,用梯度计算得到法向量之后看轴的方向余弦正负,向下的法向量和轴的夹角余弦就是负的;
最后由面到面时需要根据选取的的面来确定是正还是负,因为二维平面只在上表面计算,如果被映射到了的反面,就需要加负号;
[高斯公式] 三维N-L公式,将曲面积分转为三重积分
注意:
高斯公式要求,在上连续可偏导,如果有奇点,需要挖去奇点,做法同上格林公式。如果不知道是否在某处不可导,则不可用,但如果可以确定在上连续且连续偏导,可转用斯托克斯公式。
曲面外侧为正向,内侧为负。为所有曲面的和,缺面可以加一面,再加上这面的反面;
[斯托克斯公式] 解二类曲线/面积分
公式特点:
缺缺缺偏偏偏不偏不偏不偏 注意:
如果不知道是否连续可偏导,可用第二形式转为一类曲面积分计算,也即二类曲面积分计算法。
总结
PS:曲线积分和曲面积分的斯托克斯公式联系是在3维进行联系的,格林公式是斯托克斯公式的二维形式;曲面积分到二重积分就是投影法;
[25 revise]:
曲线积分需要注意一个平面和空间的区别:使用斯托克斯的是二类空间曲线积分,使用格林的是二类平面曲线积分。这两种都可以使用投影法(转换积分元)投影到一维(如果方便的话)。
级数
常数项级数
几何级数
就是等比数列构成的级数:,特点是发散;
p级数
特点是发散
更一般的
常数项级数:
计算,若不为0必发散,否则下一步
计算,存在则收敛,否则发散
正项级数(全为正的常数项级数)
特点:单调增
有上界收敛(收敛于上界),否则发散
比较法(夹逼法):可以p级数比较
极限法:第无穷项比值为常数的正项级数敛散性同
比值法:
发散收敛 开方法:
收敛发散
交错级数(一正一负交替)
PS:取绝对值增加发散性
PS
为什么判敛散性都含?
这里主要是回答比值法和开方法的理解问题,为什么由第n项就可判定敛散性?
首先需要注意,正项级数数列没有0和,且有限项数列必收敛,而当时,必趋于0,否则就不收敛;
于是将数列分为逐渐趋于0的后半部分和还不趋于0的前半部分,前半部分收敛于N项和(如果是N项的话),后半部分有无穷项,需要使用审敛法,比值法中和等比数列(几何级数)进行比较,即将后半部分趋于0的速度与等比数列的公比进行比较;
根值法同理:
等比,公比等比,公比
幂级数
幂级数:
其中,将看作一个常数项级数,看一个收敛因子能够使收敛的所有值组成收敛域;(类似Laplace变换)
为公比为的等比数列,故比值法和根值法计算的“公比”,为的“公比”,故可推导:
于是得到收敛半径。可见推出级数的“公比”是得到收敛半径的根本,上述公式不是所有时候都使用。
注意:
的公式来源于:如果标准的,不缺项的幂级数,算出来应该是的形式,即,所以有的形式,显然,使用范围要更广,可以适用于函数项级数。
的时收不收敛需要讨论!!!
性质:和函数逐项可积,逐项可导
幂级数展开
令,则得到麦克劳林级数,则得到泰勒级数;
常用幂级数展开记忆
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[类比] | - | | |
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特征:
三角系分母为阶乘,反比函数系分母为1,对数系分母为;
;;注意换元后ln定义域反相;
对数系为反比函数系的积分;为积分,总之无阶乘配反比函数系性价比高;
Abel定理与幂级数绝对收敛问题
Q:幂级数在收敛半径上收不收敛?绝对收敛?
定理部分证明:
若,即,等比级数不收敛,由夹逼准则得不收敛;不收敛不绝对收敛;即
不绝对收敛发散不绝对收敛 对[2020数一Q4]:
幂级数和函数
和函数的性质:
逐项可导,逐项可积
求和函数常用到这两个性质对和函数进行处理。
如:
PS:对于邻域内的和函数,;
部分和极限存在,幂级数收敛(于和函数),反之亦然;数列极限存在是级数收敛的条件;
傅里叶级数
函数正交分解原理
将函数正交分解,如分解一个向量:
为正交基之一,为在该正交基投影,也即对应的系数,函数正交分解可以类比,点乘类比周期内积分(记忆方法):
以上,得到傅里叶系数,系数与正交基相乘求和得到傅里叶级数:
需要注意的是,,即基函数需要与周期匹配;
狄利克雷收敛定理
若周期函数:
在一个周期内连续,或者有限个一类间断点;
在一个周期内极值点有限
则傅里叶级数收敛:
连续点收敛于,间断点收敛于;
级数技法赏析
思路如图,包括单不限于:
首先确定大致方向,如对数系特征是,无阶乘;反比例系是没有分母,没有阶乘;三角系是有阶乘;
并且“”类没有,“”类才有;和诸如此类规律。
常用和函数缺/赘项,如;
微积分构成常用和函数的微分方程,如;
其中主要处理技巧有:
[如果式子中没有抽象式,如]
提取初项,提取完后累加从次项开始,再令,可重新变回原格式,效果是
即求和符退一,式子中进一;
逐项求导(逐项积分也很常用),效果是
通常积分和求导一起用,先求导再积分,或先积分再求导。
提取常数(也可以)(不可以!!!)
函数复合:不止代表的偶数项,也可以是;同理,不一定只与反比例系,对数系有关,也可能与变换后的三角函数系有关。
即注意幂级数中的代换,可能是换元,可能是代值(变为常数项级数)。
[如果式子中有抽象式,如]
利用题设条件搭配上述技巧进行处理,构造方程等等;
注意点
收敛加发散得到的级数发散,发散加发散也是发散,但是发散减发散不一定,且注意也是发散!!!
求导可能减小收敛域,积分可能增加收敛域,改变仅限边界点上。
线代
空间中从来就不存在什么网格
——题记
计算
一些知识点
基础解系的向量个数为列
代数余子式直接计算行列式,余子式才考虑;
特征值
一些要点
派生矩阵的特征值及特征向量:
惯性指数:
特征值与相似对角化的关系
首先,需要知道的是,所谓相似对角化,就是对于一个线性变换,也许在这个线性变换中存在几个方向,在这几个方向的向量只是进行了伸缩变换(伸缩的系数就是,即特征值)而没有进行方向的变换,即
这就是特征向量,可以想见,特征向量之间肯定是线性无关的,否则它们不就是同一个向量?所以对于一个n维的空间,不可能有超过n个这样的向量,即.
这有什么用呢?这里我们需要想到,如果一个沿着基向量方向的线性变换,表达起来是不是很简单:
所以如果能用一个线性变换的特征向量作为基向量(变换坐标系)重新表示这个线性变换,那么它将被表示为对角矩阵!!!
那么问题就来了:
[问题1] 这个线性变换存不存在足够多的特征向量用来作为基向量?
[问题2] 在以新的基向量构成的向量空间中怎么表示这个线性变换?
如果问题1被解决,则可以进行相似对角化;
利用,可以计算出的特征向量,不过在计算上,先计算出更方便,再拿计算特征向量。由于不同的特征向量可能对应一样的特征值,所以可能有:
,必有n个特征向量
,看重复的解出的基础解系中有几个线性无关的向量
总之就是要凑够个特征向量才满足相似对角化的条件。到这里回答了问题1,问题2在相似中解决。
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相似
首先摆出结论:相似的两矩阵,不过是同一个线性变换在两个坐标系中不同的矩阵表示!
相关推理如图:
其中,矩阵即由坐标系变换至目标坐标系的线性变换(矩阵)。
如果已知一个变换,的特征向量是,显然,由当前坐标矩阵(矩阵)变换至特征向量矩阵(矩阵)的矩阵就是.
相似矩阵中会直接以求出来的特征向量组直接作为公式中的矩阵
经转换后得到矩阵在新坐标系(的特征向量为基向量的坐标系)中的表示,这样就得到了前面提到的简单的表示方法。
[补充] 向量的投射
本空间向量在变换空间的表示
对角化过程
对角化过程首先需要求得特征值和特征向量,如果满足相似对角化的条件,随后就是直接写出整个流程:;是特征值对角矩阵,是特征向量矩阵,是原矩阵。
唯一有一点不好的是,的逆矩阵有点难求;
但是如果正好是正交矩阵(即满足的矩阵,列向量为两两正交的单位向量的矩阵),那求逆就可以直接转置了! (实际上,这是合同的条件)
但这对的特征向量要求很高,即它们两两正交;那用施密特正交化强行将化转为正交阵如何呢?
对一个矩阵:
同一个特征值对应的特征向量正交化后得到的向量仍然是特征向量;
但不同特征值对应的特征向量正交化后得到的向量就不一定了
强行转化的结果得到的矩阵可能不是对角阵或特征值对角阵;,主要矛盾在于除非矩阵的特征向量都对应同一个特征值,否则正交之后就会出问题。
但是有这样一种矩阵,它不同特征值对应特征向量天然正交;(同时它必可相似对角化),它就是实对称矩阵;
这意味着它的特征向量矩阵正交化之后还是特征向量矩阵,这说明施密特正交化与实对称矩阵才是绝配!
问题解决!!!
总结
对角化条件很宽松,只需要有足够的特征向量就可以,代价是求麻烦;
正交对角化条件严格,要求矩阵实对称,但是好处是;
矩阵相似和合同本来是没啥关系的,相似不一定合同,合同不一定相似
但如果是实对称矩阵,则相似必合同;
等价(只有秩相同) 合同(秩和正负惯性指数相同) 相似(秩,正负惯性指数,特征值均相同);
矩阵亲密关系的一步步深化。
施密特正交化
矩阵正交
注:选不同的特征向量作为可能导致不同的正交阵;
相似性质
特征值相同迹相同,行列式相同 对角和;
迹->行列式->秩->特征值;
实对称矩阵必与特征值对角阵相似;(实对称矩阵的谱定理)
即实对称矩阵若与对角阵相似,则对角阵元素必为特征值。
合同
合同变换不改变:矩阵的秩,惯性系数,正定性,对称性(反对称性)。
改变:特征值,特征向量
二次型
二次型即不含常数的二次齐次函数,其对应矩阵为实对称矩阵
如果说要把化为标准二次型,那么有上两节的理解,就需要将表示的线性变换在一个新的坐标系进行表示即可
标准型与规范型
标准型:只有平方项;(不唯一)
规范型:只有平方项且平方项系数只为或;(唯一)
[注] 正交变换和配方法都可以获得标准型,正交变换获得的标准型矩阵是特征值矩阵,但是配方法得到的标准型矩阵不一定是(大概率不是)特征值矩阵;配方法的变换是可逆变换,但不一定正交;
即二次型既可以化为,也可以化为,还可以化成……但是某个标准正交变换可以将它化为,为特征值。
更本质的,配方法只是合同变换,只管惯性指数,不管具体特征值;
化二次型标准型方法
正交变换法
配方法
二次型含平方项,如;
不含平方项,如;
猜想可逆变换
首先取其中一项,作平方差:
令不变 产生平方项之后复用含平方项的方法;
最后得到与(第二步中的变换)的关系即可。
正定
二次型恒正()
特征值全为正
主子式全为正
与合同
概率论
一些知识点
至少一个发生——
独立同分布随机变量的协方差:
因为时两两独立,故相关系数为0。
正态分布标准化:
特别注意不是,是!!!
多维随机变量边缘分布是(标准)正态分布,则变量服从(标准)正态分布。
由正态分布概率密度直接得:
[易错点]
随机变量
相关和独立
独立 不相关;不相关 独立
横轴:;纵轴:;注意到线性相关的两个变量相关系数为(正相关则正,反之亦然);
特例
服从二维正态分布,则不相关 独立
总结:相关系数更像是“线性相关系数”(线性相关系数是另一个东西);
条件分布和边缘分布
条件分布
如:已知的条件下,,则可以得到:
条件概率函数和联合概率密度函数的关系:
类似条件概率公式;
[注意]
若独立,则;
,;
边缘分布
已知,则的边缘分布为:
概率计算
注意点
,不对,需要分类讨论:
概率密度函数
离散:概率分布/分布律 - 概率分布函数;
连续:概率密度函数 - 概率分布函数
概率密度函数不是概率!!!即,即;只有是概率;
所以已知的概率密度,不能直接复合函数变量代换直接求的概率密度函数,需要先求,再求.
卷积公式求概率密度函数
已知联合概率密度,求概率密度;
原理
由可以得到或者;用这个替代掉中的或,于是得到或者域的概率关系,相应地域上的概率区域将变为域上的概率区域;即
于是由二重积分的换元公式,可以得到
经计算换哪个变量,就等于哪个变量对求偏导:;这样一来在新的域的联合概率密度就求出来了:
求的概率密度就是对其求边缘分布(对积分):
数理统计
关于矩
矩,即距离;(样本)原点矩:样本点集/总体偏离原点(零值)的距离;(样本)中心距:样本点集/总体偏离中心点(均值)的距离;
八大分布一览
分布 | 描述 | | |
---|
0-1分布 | | | |
二项分布 | | | |
均匀分布 | | | |
几何分布 | | | |
超几何分布 | | | \ |
指数分布 | | | |
泊松分布 | | | |
正态分布 | | | |
[PS]
n重伯努利实验中第n次实验事件才发生的概率;
超几何分布即N个样本,M个正品,取n个,其中k个正品的概率;
八大概率分布中只有均匀,指数,和正态分布是连续性b
大数定理与中心极限定理
切比雪夫不等式
列维-林德伯格中心极限定理
参数估计与检验假设
三大样本分布
| | |
---|
| | |
| | |
n个正态平方 | 正态比卡方平均出来的正态 | 卡方比卡方 |
| | |
关于F分布一性质的说明
其中,,称为上分位数,理解为“上分位数之上的概率之和为”
参数估计
即以样本的统计量去估计总体的参数;
前置知识
期望和方差
常用统计量性质
;有如下性质
关于样本均值
关于样本方差:
和独立
;;有如下性质
,分布
[注意] 是样本方差
关于估计
无偏估计
估计量的数学期望等于被估计参数的真实值,则称此此估计量为被估计参数的无偏估计,即具有无偏性, 无偏估计的意义是:在多次重复下,它们的平均数接近所估计的参数真值。
点估计
估计一个分布中的未知参数;
矩估计
最大似然估计
将取当前样本值概率最大的分布作为估计分布:
其中即为从分布中取得样本集的概率,即:在你估计的那个分布(以为参数)中,你取样本,大概率能够去到和相似的样本。
[注意]
求最大似然估计量时一般取对数再找极值,和同极值点。
最大似然函数是拿概率密度计算,不是分布函数,如果似然函数没有极点,注意是不是没有拿概率密度计算
相合估计[了解]
设为未知参数,对每个自然数,是的一个估计量,假如依概率收敛于,则称为的相合估计。
关键在于需要研究的情况
区间估计
由统计量进行无偏估计,求统计量的分布,则由统计量的分布中距参数的距离(置信区间)可得置信度;
假设检验
即对假设的检验
[原假设] :假设...是...
[备择假设] :假设...不是...
拒绝域:样本出现在拒绝域内,则拒绝;—— 概率为观测值
检验错误:
去真:为真时拒绝
存伪:为假时不拒绝
根据题设即可判断原假设是否为真,根据拒绝域即可得到发生错误的区间;
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经验
高数
求一次导,无穷小量的阶数降低一阶;
混合积(三向量围成体积)为零,三向量共面
格林公式;
同名函数相减可用注意拉格朗日,而带分式常可变成同名函数差;
可证常用不等式;
;
对,,分式极限抓大头(高阶),,分式极限抓小头(低阶);
若为等价无穷小,则,两者展开式最高阶系数同,,两者展开式最低阶同;
变上限积分积分限为阶,被积函数阶,则总体阶!!!
;
;
隐函数到极限的联系是导数,将极限化为导数形式看看?
零点存在性问题可以用零点定理,也可以用罗尔定理!!!还可以用单调性。
罗尔定理推论:区域内n阶导不为0至多有n个零点;
函数构造:
面积分中注意,不能漏掉!!!!!
常用导数恒等式:
概率论与线代
找到化为了标准型就是找到了合同对角变换,如果不是标准型,就只是合同变换
合同变换的方法是:
配方找合同变换时:如果项不全,可直接补上一项(这一项可逆即可,直接这样最简单)使变换可逆;