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高等数学

①函数、极限、连续

1.函数

一、函数的概念

  1. 函数的定义

    y=f(x),xD

    x自变量y因变量
    x的变化范围定义域,函数值构成的集合{y=f(x)xD}值域

  2. 三种常用特殊函数

    • 分段函数
    • 隐函数
    • 参数方程确定的函数

二、函数的性质

  1. 函数的单调性
    增函数减函数

  2. 函数的奇偶性
    奇函数:f(x)=f(x),图像关于原点对称
    偶函数:f(x)=f(x),图像关于y轴对称

  3. 函数的有界性
    x恒有|f(x)|M有界函数
    上界下界
    无界函数

  4. 函数的周期性
    f(x+T)=f(x)周期函数

三、反函数

  • x=g(y)=f1(y)gf反函数
  • 只有一一对应的函数才有反函数
  • y=f(x)y=f1(x)图像关于y=x对称

四、函数的四则运算与复合运算

  1. 函数的四则运算

    加法f(x)+g(x)=(f+g)(x)xD
    数乘kf(x)=(kf)(x)xD
    乘法f(x)g(x)=(fg)(x)xD
    除法f(x)g(x)=(fg)(x)g(x)0,xD
  2. 函数的复合运算
    设函数y=f(u)的定义域Df,函数u=g(x)的定义域Dg,且值域RgDf

    y=f[g(x)],xDg

    y=f(u)u=g(x)构成的复合函数,函数的复合运算记作fg

五、基本初等函数

  • 常值函数,y=C
  • 幂函数,y=xα
  • 指数函数,y=ax
  • 对数函数,y=logax
  • 三角函数,y=sinxy=cosxy=tanx
  • 反三角函数,y=arcsinxy=arccosxy=arctanx

2.极限

一、数列极限

  1. 数列的定义a1,a2,,an,数列{an}an通项
  2. 数列极限的定义limnan=aa数列的极限
  3. 数列极限的性质
    • 唯一性:数列极限的结果唯一
    • 有界性:收敛数列必有界
    • 夹逼定理:当左数列与右数列的极限相同时,夹在其中间数列的极限相同
    • 单调有界性:单调有界数列必有极限
    • 四则运算法则:limn(αxn+βyn)=αA+βBlimn(xnyn)=ABlimnxnyn=AB,(B0)

二、函数在xx0时的极限

  • 极限左极限右极限
  • limxx0+f(x)=A,limxx0f(x)=Alimxx0=A

三、函数在无穷远的极限

  • 函数在x时的极限

3.函数极限的性质与运算

一、函数极限的运算

  1. 极限的四则运算limxx0[f(x)±g(x)]=A±Blimxx0[f(x)g(x)]=ABlimxx0f(x)g(x)=AB,(B0)
  2. 夹逼定理g(x)f(x)h(x),limxx0g(x)=A,limxx0h(x)=Alimxx0f(x)=A
  3. 两个重要极限*limx0sinxx=1limx(1+1x)x=e

4.无穷小量与无穷大量

一、无穷小量与无穷大量的概念

  1. 无穷小量

    limxx0f(x)=0
  2. 无穷大量

    limxx0f(x)=
    正无穷大量limxx0f(x)=+
    负无穷大量limxx0f(x)=
  • 无穷小量与有界量的乘积仍是无穷小量
  • 无穷小量的倒数为无穷大,无穷大的倒数为无穷小

二、无穷小量的比较

  1. 无穷小量的比较
    f(x)g(x)都是xx0时的无穷小量,且g(x)x0的去心邻域内不为0

    limxx0f(x)g(x)=c,则当f(x)g(x)xx0时的
    c=0高阶无穷小量
    c=1等价无穷小量
    c=低阶无穷小量
    c0cR同阶无穷小量
  2. 极限x0时的等价无穷小量
    常用等价无穷小替换公式

    sinxxex1xxln(1+x)12x2
    tanxx1cosx12x21+x112x
    arcsinxxax1xlnatanxsinx12x3
    arctanxxln(1+x)x1+x1xx
  3. 等价无穷小的重要性质
    等价无穷小的传递性:在同一极限中,若α(x)β(x)β(x)γ(x),则α(x)γ(x)

5.连续函数的概念与性质

一、函数的连续与间断

  1. 函数在一点连续的概念
    设函数f(x)x0及其附近有定义,若limxx0f(x)=f(x0)成立,则函数f(x)x0处连续,x0称为函数f(x)的连续点

  2. 左连续、右连续
    设函数y=f(x)x0的某个邻域内有定义,

    条件称函数f(x)在点x0
    limxx0f(x)=f(x0)左连续
    limxx0+f(x)=f(x0)右连续
  3. 函数间断点的定义
    设函数y=f(x)x0的某个邻域内有定义,如果函数f(x)有下列三种情形之一:
    · 在点x=x0处无定义
    · limxx0f(x)不存在
    · limxx0f(x0)
    则函数f(x)在点x0处不连续,点x0称为函数f(x)的间断点

  4. 间断点的分类

    • 第一类间断点:x0是函数f(x)的间断点,且limxx0f(x)limxx0+f(x)都存在

      条件结论
      limxx0f(x)=limxx0+f(x)可去间断点
      limxx0f(x)limxx0+f(x)跳跃间断点
    • 第二类间断点

      条件结论
      limxx0f(x)=limxx0+f(x)=无穷间断点
      limxx0f(x)不存在振荡间断点
  5. 函数连续的性质
    · 设函数f(x)g(x)在点x0处连续,f±gfg[fg,(g(x0)0)]都在点x0处连续
    · 设函数y=f[g(x)]由函数y=f(u)与函数u=g(x)复合而成,U(x)Dfg,若函数u=g(x)x=x0处连续,且g(x0)=u0,而函数y=f(u)u=u0处连续,则复合函数y=f[g(x)]x=x0处连续

  6. 闭区间上连续函数的性质
    · 最大值和最小值定理:若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则函数f(x)在闭区间[a,b]上必定取得最大值和最小值
    · 有界性定理:若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则函数f(x)在闭区间[a,b]上必有界
    · 界值定理:若函数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)=Af(b)=B,则对于AB之间的任意一个数C,在开区间(a,b)内至少有一点ξ,使得f(ξ)=C(a<ξ<b)
    · 推论1:若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,Mm分别是f(x)[a,b]上的最大值和最小值,则对于满足m<μ<M的任何实数μ,至少存在一点ξ(a,b)使得f(ξ)=μ
    · 推论2(零点定理):若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,且f(a)f(b)异号(即f(a)f(b)<0),则至少存在一点ξ(a,b)使得f(ξ)=0

  7. 初等函数的连续性
    · 基本初等函数在其定义域内为初等函数
    · 初等函数在其定义区间内为连续函数

②一元函数微分学

1.导数与微分的概念

一、导数的概念

  1. 函数在一点处的导数定义
    y=f(x)x0及其附近有定义,如果极限limxx0f(x)f(x0)xx0存在,则称函数f(x)x=x0处可导,极限的值称为函数y=f(x)x0处的导数f(x)dydx|x=x0df(x)dx|x=x0

    f(x)=limΔ0f(x+Δ)f(x)Δ
  2. 左导数与右导数

    左导数f(x0)=limΔ0f(x+Δ)f(x)Δ
    右导数f+(x0)=limΔ0+f(x+Δ)f(x)Δ
    • f(x)=f(x0)=f+(x0)函数y=f(x)在点x0处可导
  3. 导数的几何意义
    (x0,f(x0))y=f(x)上,则

    条件切线方程法线方程
    f(x0)0yf(x0)=f(x0)(xx0)yf(x0)=1f(x0)(xx0)
    f(x0)=0y=f(x0)x=x0
    f(x0)=x=x0y=f(x0)
  4. 可导与连续的关系
    如果函数y=f(x)在点x0处可导,则函数y=f(x)在点x0处连续
    可导一定连续,连续不一定可导

二、微分的概念

  1. 函数在一点处的微分
    设函数y=f(x)x0及其附近有定义,如果函数值f(x)在点x0处的变化量Δf(x)可表示成自变量变化量的一次项a(x0)Δx与自变量变化量的高阶无穷小o(Δx)之和,即Δf(x0)=a(x0)Δx+o(Δx)则函数y=f(x)x0处可微,a(x0)Δx称为f(x)x0处的微分
    函数的微分表达式:df(x)=f(x)dx
  2. 可导与微分的关系
    dy|x=x0=f(x0)Δx=f(x0)dx,可导与可微等价

三、相关变化率

  1. 相关变化率的定义
    · 设x=x(t)y=y(t)都是可导函数,而变量x与变量y之间存在某种关系,从而变化率dxdt与变化率dydt之间也存在一定关系,这两个可以相互依赖的变化率称为相关变化率
    · 相关变化率是研究这两个变化率之间的关系,以便从一个变化率求出另一个变化率

2.导数的运算

一、基本导数公式

原函数导函数原函数导函数
y=Cy=0y=tanxy=sec2x
y=xαy=αxα1y=cotxy=csc2x
y=axy=axlnay=secxy=secxtanx
y=exy=exy=cscxy=secxcotx
y=logaxy=1xlnay=arcsinxy=11x2
y=lnxy=1xy=arccosxy=11x2
y=sinxy=cosxy=arctanxy=11+x2
y=cosxy=sinxy=arccotxy=11+x2

二、导数的四则运算

[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)[g(x)]2

三、复合函数的导数与微分

  1. 复合函数的链式求导法则[f(g(x))]=f(g(x))g(x)
  2. 复合函数的微分
    如果函数y=f(u)和函数u=g(x)可微,则复合函数y=f(u(x))的微分dy=f(u)g(x)dx=f(u)du

3.特殊函数求导法,高阶导数与近似运算

一、特殊函数的求导法

二、高阶导数

三、隐函数的导数

4.微分中值定理

5.洛必达法则

6.利用导数研究函数性质

7.曲率

8.泰勒公式

③一元函数积分学

1.原函数与不定积分的概念

2.基本积分公式

3.换元积分法

4.分部积分法

5.定积分的概念及其基本性质

6.微积分基本定理

7.定积分的换元积分法和分部积分法

8.反常积分

9.定积分在几何学上的应用

10.定积分在物理学上的应用

④向量代数与空间解析几何

1.向量代数

一、空间直角坐标系与向量代数

  1. 空间直角坐标系概述
    • 空间直角坐标系
    • 坐标轴与卦限
      x轴、y轴、z轴,xOy面、yOz面、zOx面,三个坐标面将空间分割成八个卦限
    • 空间中的点与坐标的对应关系 M(x,y,z)
    • 空间中两点间的距离公式
      M1=(x1,y1,z1)M2=(x2,y2,z2)d=(x1x2)2+(y1y2)2+(z1z2)2
  2. 向量代数概述
    • 向量的定义
      向量数量

    • 向量的模
      向量的长度称为|a|
      单位向量:模为1的向量
      零向量:长度为0的向量
      对两个向量的夹角θ,规定0θπ

    • 基本单位向量
      与空间直角坐标系中的x轴、y轴、z轴同方向的单位向量,ijk

    • 向量的方向角与方向余弦
      方向角:非零向量分别与x轴、y轴、z轴正向的夹角αβγ
      方向余弦cosαcosβcosγ

      cos2α+cos2β+cos2γ=1
    • 向量的坐标表示
      M1=(x1,y1,z1)M2=(x2,y2,z2)

      M1M2={x2x1,y2y1,z2z1}

      a=ai+bj+cka={a,b,c}|a|=a2+b2+c2

    • 向量的线性运算

      加法交换律α+β=β+α
      加法结合律(α+β)+γ=α+(β+γ)
      数乘结合律λ(μα)=μ(λα)=(λμ)αλ,μR
      数乘对于数量加法的分配律(λ+μ)α=λα+μαλ,μR
      数乘对于向量加法的分配律λ(α+β)=λα+λβλR
    • 向量的数量级αβ

      αβ=|α||β|cosθ
      交换律αβ=βα
      结合律λ(αβ)=(λα)β=α(λβ)λR
      分配律(α+β)γ=αγ+βγ
      (αβ)γα(βγ)
    • 向量的向量积α×β

      |α×β|=|α||β|sinθ

      向量积的模|α×β|几何意义上表示以α,β为邻边的平行四边形的面积

      反交换律α×β=(β×α)
      结合律λ(α×β)=(λα)×β=α×(λβ)λR
      左分配律γ×(α+β)=γ×α+γ×β
      右分配律(α+β)×γ=α×γ+β×γ
    • 向量及其坐标的有关公式
      λα={λa1,λa2,λa3}α±β={a1±b1,a2±b2,a3±b3}
      αβ=|α||β|cosθ=a1b1+a2b2+a3b3
      α×β=|ijka1a2a3b1b2b3|
      αβ平行的充要条件是它们对应的坐标成比例,即a1b1=a2b2=a3b3
      αβ垂直的充要条件是αβ=0
      ⑥ 若α={a1,a2,a3}0,则α=1|α|α称为α的单位化向量,表示与α同方向的单位向量,且有α=|α|α,此时α={a1a12+a22+a32,a2a12+a22+a32,a3a12+a22+a32},即

      α={cosα,cosβ,cosγ}

      其中cosαcosβcosγα的方向余弦

2.空间中的曲面与曲线

3.空间中的平面与直线

4.二次曲面

⑤多元函数微分学

1.多元函数的概念与偏导数

2.利用公式法求隐函数的导数

3.二元函数的极值

4.多元微分学的几何应用

5.方向导数与梯度

⑥多元函数积分学-重积分

1.二重积分

2.三重积分

3.重积分的应用

⑦多元函数积分学-曲线曲面积分

1.第一类曲线积分

2.第二类曲线积分

3.格林公式及其应用

4.第一类曲面积分

5.第二类曲面积分

6.高斯公式与斯托克斯公式

⑧常微分方程

1.微分方程的基本概念

2.一阶微分方程

3.可降阶得二阶微分方程

4.二阶线性微分方程解的结构

5.二阶常系数线性微分方程的解法

⑨无穷级数

1.常数项级数的概念和性质

2.正向级数的审敛法

3.一般项级数的审敛法

4.幂级数

5.函数展开成幂级数

6.傅里叶级数