Математика EN

Экзамены

Первый курс: матанализ

Сессия первого курса: пределы, производные, интегралы, дифференциальные уравнения и ряды.

Задачи типовых контрольных и экзаменов первого семестра. Ответ — число или формула; формулу можно записать в любом равносильном виде.

Пределы ОткрытьСвернуть

Неопределённости 0/0 и ∞/∞: разложить, сократить, поделить на старшую степень.

Как решать

Пределы

Предел $\lim_{x \to a} f(x)$ — число, к которому подходят значения функции, когда $x$ подходит к $a$. Часто достаточно просто подставить $a$. Трудности начинаются, когда подстановка даёт бессмыслицу вроде $\frac{0}{0}$ или $\frac{\infty}{\infty}$.

По шагам

  1. Подставьте точку. Если получилось число, это и есть ответ.
  2. Если вышло $\frac{0}{0}$, разложите числитель и знаменатель на множители, сократите общий множитель и подставьте снова.
  3. Если $x \to \infty$ и вышло $\frac{\infty}{\infty}$, поделите числитель и знаменатель на старшую степень $x$: всё, что делится на $x$, стремится к нулю.
  4. Для дроби многочленов одинаковой степени предел на бесконечности равен отношению старших коэффициентов.
Старший коэффициент числителя. Старший коэффициент знаменателя. Степени одинаковые; если у знаменателя степень больше, предел равен $0$. Пример с $\frac{0}{0}$: $\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2} = \lim_{x \to 2} (x + 2) = 4$.

Где ошибаются

  • Пишут, что $\frac{0}{0}$ равно $0$ или $1$. Это не число, а сигнал: нужно преобразовать выражение.
  • Делят на старшую степень не все слагаемые.
  • Сравнивают не те степени: если степень числителя меньше степени знаменателя, предел на бесконечности равен нулю.

Пример

Производные ОткрытьСвернуть

Таблица производных и правила: сумма, произведение, частное, сложная функция.

Как решать

Производные

Производная показывает, как быстро меняется функция. Находят её не по определению, а по таблице и нескольким правилам: сумма, произведение, частное и сложная функция.

По шагам

  1. Таблица: $(x^n)' = nx^{n - 1}$, $(e^x)' = e^x$, $(\sin x)' = \cos x$, $(\cos x)' = -\sin x$, $(\ln x)' = \frac{1}{x}$, $(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}}$.
  2. Производная суммы — сумма производных; число-множитель выносится за знак производной.
  3. Произведение: $(uv)' = u'v + uv'$. Частное: $\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}$.
  4. Сложная функция: производная внешней функции, умноженная на производную внутренней: $(\sin 3x)' = 3\cos 3x$.
Первый множитель. Второй множитель. Производная берётся по очереди у каждого, второй в это время не трогаем. Пример: $(x^2 e^{x})' = 2x e^{x} + x^2 e^{x}$. Внутренняя функция. Её производная появляется множителем. Пример: $\left(e^{x^2}\right)' = e^{x^2} \cdot 2x$.

Где ошибаются

  • Считают, что производная произведения равна произведению производных. Это не так.
  • Забывают множитель от внутренней функции: $(\cos 5x)' = -5\sin 5x$.
  • Путают знак у производной косинуса: $(\cos x)' = -\sin x$.

Пример

Первообразные ОткрытьСвернуть

Таблица интегралов, замена переменной, интегрирование по частям.

Как решать

Первообразные

Первообразная — функция $F$, производная которой равна данной: $F' = f$. Искать её — значит читать таблицу производных наоборот. Ответ всегда можно проверить: продифференцируйте его и сравните с тем, что было под интегралом.

По шагам

  1. Таблица: $\int x^n\,dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1} + C$ при $n \ne -1$, $\int \frac{dx}{x} = \ln|x| + C$, $\int \cos x\,dx = \sin x + C$, $\int e^x\,dx = e^x + C$.
  2. Если под функцией стоит $kx + b$, результат делится на $k$: $\int \cos 3x\,dx = \frac{\sin 3x}{3} + C$.
  3. Если рядом стоит производная внутренней функции, сделайте замену $t = g(x)$: $\int 2x e^{x^2}\,dx = e^{x^2} + C$.
  4. Произведение многочлена на $e^x$, $\sin x$ или $\cos x$ берут по частям.
  5. Проверьте ответ дифференцированием.
То, что упрощается при дифференцировании: многочлен или логарифм. То, что легко проинтегрировать: $e^x$, $\sin x$, $\cos x$. Пример: $\int x e^{x}\,dx = x e^{x} - \int e^{x}\,dx = x e^{x} - e^{x} + C$.

Где ошибаются

  • Делят на $n$ вместо $n + 1$: $\int x^3\,dx = \frac{x^4}{4} + C$.
  • Забывают разделить на $k$ при линейной замене.
  • Не проверяют ответ, хотя проверка дифференцированием занимает минуту.

Пример

Определённые интегралы ОткрытьСвернуть

Формула Ньютона — Лейбница: первообразная на концах отрезка.

Как решать

Определённые интегралы

Определённый интеграл $\int_a^b f(x)\,dx$ — это площадь под графиком с учётом знака. Считают его без всяких площадей: находят первообразную и вычитают её значения на концах отрезка.

По шагам

  1. Найдите первообразную $F(x)$, как в задачах на первообразные. Постоянная $C$ здесь не нужна: при вычитании она всё равно сократится.
  2. Подставьте верхний предел, потом нижний и вычтите: $F(b) - F(a)$.
  3. Значение $F(a)$ вычитайте целиком, в скобках: в нём могут быть свои минусы.
Нижний предел. Значение первообразной в нём вычитается. Верхний предел. Пример: $\int_0^2 3x^2\,dx = x^3 \Big|_0^2 = 8 - 0 = 8$.

Где ошибаются

  • Вычитают в обратном порядке: $F(a) - F(b)$ даёт ответ с противоположным знаком.
  • Теряют минус, когда $F(a)$ отрицательно: $F(b) - (-3) = F(b) + 3$.
  • Ошибаются в самой первообразной. Проверьте её производной, прежде чем подставлять пределы.

Пример

Дифференциальные уравнения ОткрытьСвернуть

Задача Коши для линейных уравнений с постоянными коэффициентами.

Как решать

Дифференциальные уравнения

В дифференциальном уравнении неизвестна функция $y(x)$, а в уравнение входят её производные: $y'' - 3y' + 2y = 0$. Задача Коши добавляет начальные условия, например $y(0) = 1$ и $y'(0) = 0$, и с ними решение становится единственным.

По шагам

  1. Для $y' = ky$ решение $y = Ce^{kx}$; постоянную $C$ найдите из $y(0)$.
  2. Для $y'' + py' + qy = 0$ составьте характеристическое уравнение $r^2 + pr + q = 0$: замените $y''$ на $r^2$, $y'$ на $r$, $y$ на $1$.
  3. Если у него два различных действительных корня $r_1$ и $r_2$, общее решение $y = C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x}$.
  4. Подставьте $x = 0$ в $y$ и в $y'$ и из получившейся системы найдите $C_1$ и $C_2$.
Коэффициент при $y'$ переходит в коэффициент при $r$. Коэффициент при $y$ становится свободным членом. Пример: $y'' - 3y' + 2y = 0$ даёт $r^2 - 3r + 2 = 0$, корни $1$ и $2$, общее решение $y = C_1 e^{x} + C_2 e^{2x}$.

Где ошибаются

  • Путают знак корня в показателе: корню $r = -2$ соответствует $e^{-2x}$.
  • Находят общее решение и забывают про начальные условия.
  • Неверно берут производную при подстановке во второе условие: $\left(C_2 e^{2x}\right)' = 2C_2 e^{2x}$.

Пример

Ряды ОткрытьСвернуть

Сумма бесконечной геометрической прогрессии.

Как решать

Геометрические ряды

Бесконечная сумма $1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{8} + \dots$ равна конечному числу, $2$: каждое новое слагаемое закрывает половину оставшегося пути. Так ведёт себя любая геометрическая прогрессия, у которой знаменатель по модулю меньше единицы.

По шагам

  1. Найдите первый член $b_1$, то есть то слагаемое, с которого начинается сумма. Внимательно посмотрите на нижний индекс суммы: при $k = 2$ первым будет член с $k = 2$.
  2. Найдите знаменатель $q$: во сколько раз каждый член больше предыдущего.
  3. Проверьте, что $|q| < 1$. Иначе ряд расходится и суммы нет.
  4. Посчитайте сумму по формуле.
Первый член суммы. Знаменатель прогрессии, $|q| < 1$. Пример: $\sum_{k=0}^{\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^k = \frac{1}{1 - \frac{1}{2}} = 2$.

Где ошибаются

  • Берут первым член при $k = 0$, хотя сумма начинается с $k = 2$.
  • Путаются со знаком при отрицательном $q$: $1 - \left(-\frac{1}{2}\right) = \frac{3}{2}$.
  • Применяют формулу при $|q| \ge 1$, когда ряд расходится.

Пример

Главы курса