Sổ Tay Toán Giải Tích: Công Thức, Quy Trình và Thủ Thuật Giải Nhanh

Sổ tay Calculus: Tổng hợp công thức, định lý, quy tắc tính toán đạo hàm, tích phân, giới hạn. Tài liệu tham khảo toán cao cấp hữu ích cho sinh viên.

Chuyên ngành

Giải Tích

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sổ tay

2019

236
4
0

Phí lưu trữ

55 Point

Mục lục chi tiết

1. Chapter 1: Functions and Limits

1.1. Functions

1.2. Continuity Examples

1.3. Limits

1.4. Techniques for Finding Limits

1.5. Indeterminate Forms

1.6. When Limits Fail to Exist

2. Chapter 2: Differentiation

2.1. Definition, Basic Rules, Product Rule

2.2. Quotient, Chain and Power Rules; Exponential and Logarithmic Functions

2.3. Trigonometric and Inverse Trigonometric Functions

2.4. Generalized Product Rule

2.5. Inverse Function Rule

2.6. Partial Differentiation

2.7. Implicit Differentiation

2.8. Logarithmic Differentiation

3. Chapter 3: Applications of Derivatives

3.1. Maxima and Minima (i., Extrema)

3.2. Inflection Points

3.3. Special Case: Extrema and Inflection Points of Polynomials

3.4. Key Points on f(x), f'(x) and f''(x)

3.5. Curve Sketching

3.6. Determining the Shape of a Curve Based On Its Derivatives

3.7. Rolles's Theorem and the Mean Value Theorem (MVT)

3.8. Related Rates

3.9. Kinematics (Particle Motion)

3.10. Differentials

3.11. Curvature

3.12. Newton's Method

4. Chapter 4: Integration

4.1. Indefinite Integration (Antiderivatives)

4.2. Exponential and Logarithmic Functions

4.3. Trigonometric Functions

4.4. Inverse Trigonometric Functions

4.5. Selecting the Right Function for an Intergral

5. Chapter 5: Techniques of Integration

5.1. u ‐Substitution

5.2. Integration by Partial Fractions

5.3. Integration by Parts

5.4. Integration by Parts ‐ Tabular Method

5.5. Integration by Trigonometric Substitution

5.6. Impossible Integrals

6. Chapter 6: Hyperbolic Functions

6.1. Definitions

6.2. Identities

6.3. Relationship to Trigonometric Functions

6.4. Inverse Hyperbolic Functions

6.5. Graphs of Hyperbolic Functions and Their Inverses

6.6. Derivatives

6.7. Integrals

7. Chapter 7: Definite Integrals

7.1. Riemann Sums

7.2. Rules of Definite Integration

7.3. Fundamental Theorems of Calculus

7.4. Properties of Definite Integrals

7.5. Solving Definite Integrals with Directed Line Segments

7.6. u ‐Subsitution

7.7. Special Techniques for Evaluation

7.8. Derivative of an Integral

8. Chapter 8: Applications of Integration

8.1. Area Under a Curve

8.2. Area Between Curves

8.3. Area in Polar Form

8.4. Areas of Limacons

8.5. Arc Length

8.6. Comparison of Formulas for Rectangular, Polar and Parametric Forms

8.7. Area of a Surface of Revolution

8.8. Volumes of Solids of Revolution

9. Chapter 9: Improper Integrals

9.1. Definite Integrals with Infinite Limits of Integration

9.2. Definite Integrals with Discontinuous Integrands

10. Chapter 10: Differential Equations

10.1. Definitions

10.2. Separable First Order Differential Equations

10.3. Slope Fields

10.4. Logistic Function

10.5. Numerical Methods

11. Chapter 11: Vector Calculus

11.1. Introduction

11.2. Special Unit Vectors

11.3. Vector Components

11.4. Properties of Vectors

11.5. Dot Product

11.6. Cross Product

11.7. Triple Products

11.8. Kinematics (Particle Motion)

11.9. Gradient

11.10. Divergence

11.11. Curl

11.12. Laplacian

12. Chapter 12: Sequences

12.1. Definitions and Types of Sequences

12.2. More Definitions and Theorems

12.3. Limits (Convergence and Divergence)

12.4. Basic Recursive Sequence Theory

13. Chapter 13: Series

13.1. Introduction

13.2. Key Properties

13.3. n‐th Term Convergence Theorems

13.4. Power Series

13.5. Telescoping Series

13.6. Geometric Series

13.7. Estimating the Value of Series with Positive Terms

13.8. Riemann Zeta Function (p ‐Series)

13.9. Bernoulli Numbers

13.10. Convergence Tests

13.11. Alternating Series

13.12. Radius and Interval of Convergence of Power Series

13.13. Summary of Convergence/Divergence Tests

14. Chapter 14: Taylor and MacLaurin Series

14.1. Taylor Series

14.2. MacLaurin Series

14.3. LaGrange Remainder

15. Chapter 15: Miscellaneous Cool Stuff

15.1. e

15.2. Derivation of Euler's Formula

15.3. Logarithms of Negative Real Numbers and Complex Numbers

15.4. What Is i i

15.5. z Derivative of e to a Complex Power (e )

15.6. Derivatives of a Circle

15.7. Derivatives of a Ellipse

15.8. Derivatives of a Hyperbola

15.9. Derivative of: (x+y)3=x3+y3

15.10. Inflection Points of the PDF of the Normal Distribution

Appendices

A. Appendix A: Key Definitions

B. Appendix B: Key Theorems

C. Appendix C: List of Key Derivatives and Integrals

D. Appendix D: Key Functions and Their Derivatives

E. Appendix E: Geometry and Trigonometry Formulas

F. Appendix F: Polar and Parametric Equations

G. Appendix G: Interesting Series

Tóm tắt

I. Toán Giải Tích Khám Phá Sức Mạnh Công Thức Ứng Dụng

Chào mừng đến với Sổ tay Toán Giải Tích toàn diện, nơi tập hợp những công thức Toán Giải Tích quan trọng nhất, mẹo Toán Giải Tích hay, và thủ thuật Toán Giải Tích độc đáo. Toán Giải Tích là nền tảng của nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Từ việc tính diện tích dưới đường cong đến mô phỏng sự thay đổi của các hệ thống phức tạp, Toán Giải Tích cung cấp công cụ mạnh mẽ để giải quyết các vấn đề thực tế. Sổ tay này được thiết kế để hỗ trợ bạn trong suốt hành trình khám phá Toán Giải Tích, từ những khái niệm cơ bản đến các ứng dụng nâng cao. Tài liệu tham khảo chính là "Math Handbook of Formulas, Processes and Tricks" của Earl L. Whitney. Mục tiêu là biến Toán Giải Tích từ một môn học khô khan thành một công cụ sáng tạo và hữu ích. Hãy sẵn sàng để mở rộng kiến thức và nâng cao kỹ năng giải quyết vấn đề của bạn. Theo Earl L. Whitney, mục tiêu chính của cuốn sách này là khuyến khích học sinh tự hỏi, đặt câu hỏi "điều gì về ...?" hoặc "điều gì sẽ xảy ra nếu ...?". Học sinh thường quá bận rộn để tìm thấy vẻ đẹp và sự kỳ diệu trong Toán học. "So be curious and seek it out."

1.1. Tổng Quan Về Giới Hạn Đạo Hàm Tích Phân Toán Giải Tích

Toán Giải Tích xoay quanh ba khái niệm chính: giới hạn, đạo hàm, và tích phân. Giới hạn cho phép chúng ta nghiên cứu hành vi của hàm số khi biến số tiến gần một giá trị cụ thể. Đạo hàm đo tốc độ thay đổi của hàm số, giúp chúng ta tìm cực trị, điểm uốn, và vẽ đồ thị hàm số. Tích phân là phép toán ngược của đạo hàm, dùng để tính diện tích, thể tích, và nhiều đại lượng khác. Mối liên hệ mật thiết giữa ba khái niệm này được thể hiện qua Định lý Cơ bản của Giải tích. Nắm vững ba khái niệm này là chìa khóa để chinh phục Toán Giải Tích. Theo tài liệu gốc, chương 1 giới thiệu về hàm sốgiới hạn, chương 2 tập trung vào đạo hàm và chương 4 bàn về tích phân. Chương 7 mô tả chi tiết về tích phân xác định.

1.2. Tại Sao Cần Sổ Tay Công Thức Mẹo Thủ Thuật Giải Tích

Việc học và áp dụng Toán Giải Tích có thể gặp nhiều khó khăn. Số lượng công thức Toán Giải Tích lớn, các bài tập Toán Giải Tích phức tạp, và yêu cầu tư duy logic cao có thể khiến nhiều người nản lòng. Sổ tay Toán Giải Tích này cung cấp giải pháp bằng cách: tập hợp công thức quan trọng một cách hệ thống, cung cấp mẹothủ thuật giải nhanh, đưa ra ví dụ minh họa chi tiết, và hướng dẫn cách chứng minh các định lý cơ bản. Sổ tay này không chỉ là một tài liệu tham khảo, mà còn là một người bạn đồng hành giúp bạn vượt qua mọi thử thách trong Toán Giải Tích. Theo Earl Whitney, nhiều mẹothủ thuật trong sổ tay này có thể không được chấp nhận bởi College Board hoặc giảng viên. Học sinh nên kiểm tra với giảng viên để xác định xem một kỹ thuật cụ thể mà họ thấy hữu ích có được chấp nhận hay không.

II. TOP Cách Nắm Vững Công Thức Đạo Hàm Giải Tích Hiệu Quả

Đạo hàm là một trong những khái niệm quan trọng nhất của Toán Giải Tích. Việc nắm vững công thức đạo hàm là điều kiện tiên quyết để giải quyết các bài toán liên quan đến tốc độ thay đổi, cực trị, và vẽ đồ thị hàm số. Phần này sẽ cung cấp các công thức đạo hàm cơ bản và nâng cao, cùng với mẹothủ thuật giúp bạn áp dụng chúng một cách hiệu quả. Tài liệu gốc "Math Handbook of Formulas, Processes and Tricks" cung cấp danh sách công thức đạo hàm quan trọng ở Phụ lục C và danh sách hàm sốđạo hàm của chúng ở Phụ lục D. Bên cạnh đó, chương 2 trình bày chi tiết về các quy tắc đạo hàm cơ bản như quy tắc tích, quy tắc thương, và quy tắc chuỗi. Hãy tận dụng các nguồn tài liệu này để củng cố kiến thức của bạn.

2.1. Bảng Công Thức Đạo Hàm Cơ Bản Mở Rộng Kèm Ví Dụ

Bảng công thức đạo hàm cơ bản bao gồm đạo hàm của các hàm số thường gặp như hàm lũy thừa, hàm mũ, hàm logarit, hàm lượng giác, và hàm lượng giác ngược. Ngoài ra, cần nắm vững các quy tắc đạo hàm như quy tắc tổng, hiệu, tích, thương, và quy tắc chuỗi. Ví dụ, đạo hàm của hàm lũy thừa xnnxn-1, đạo hàm của hàm sin(x) là cos(x), và đạo hàm của hàm ex là ex. Áp dụng quy tắc chuỗi, đạo hàm của sin(f(x)) là cos(f(x)) * f'(x). Chương 2 trong tài liệu gốc cung cấp đầy đủ các công thức và quy tắc đạo hàm. Hãy luyện tập với nhiều ví dụ Toán Giải Tích để làm quen với việc áp dụng các công thức này.

2.2. Mẹo Nhớ Áp Dụng Công Thức Đạo Hàm Nhanh Chóng

Để nhớ công thức đạo hàm một cách hiệu quả, hãy sử dụng các mẹo sau: phân loại công thức theo nhóm hàm số, liên hệ công thức với hình ảnh trực quan, và luyện tập thường xuyên. Để áp dụng công thức nhanh chóng, hãy nhận diện dạng hàm số và quy tắc phù hợp, đơn giản hóa biểu thức, và kiểm tra lại kết quả. Một mẹo Toán Giải Tích quan trọng là sử dụng đạo hàm logarit cho các hàm số phức tạp có dạng lũy thừa hoặc tích/thương của nhiều hàm số. Earl L. Whitney cũng đề cập đến quy tắc tích tổng quát trong chương 2, giúp tính đạo hàm của tích nhiều hàm số một cách dễ dàng.

2.3. Các Lỗi Thường Gặp Khi Tính Đạo Hàm Cách Khắc Phục

Các lỗi thường gặp khi tính đạo hàm bao gồm: nhầm lẫn công thức, quên quy tắc chuỗi, sai sót trong tính toán đại số, và không đơn giản hóa kết quả. Để khắc phục, hãy kiểm tra lại công thức và quy tắc, cẩn thận trong từng bước tính toán, và sử dụng công cụ kiểm tra đạo hàm trực tuyến. Một lỗi phổ biến khác là không nhận diện được dạng hàm số. Hãy luyện tập nhiều bài tập Toán Giải Tích để nâng cao khả năng nhận diện và áp dụng công thức chính xác. Ngoài ra, hãy chú ý đến các điều kiện của định lý và quy tắc đạo hàm để tránh sai sót.

III. Bí Quyết Giải Bài Tập Tích Phân Giải Tích Gọn Gàng Nhất

Tích phân là một khái niệm trung tâm khác của Toán Giải Tích. Việc tính tích phân không chỉ giúp chúng ta tìm diện tích và thể tích, mà còn là công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Phần này sẽ cung cấp các công thức tích phân cơ bản và nâng cao, cùng với các kỹ thuật tích phân hiệu quả. Hãy tham khảo chương 5 trong tài liệu gốc "Math Handbook of Formulas, Processes and Tricks" để nắm vững các kỹ thuật tích phân như phép thay thế u, tích phân từng phần, và phân tích thành phân số đơn giản.

3.1. Phương Pháp Tích Phân Từng Phần Khi Nào Nên Sử Dụng

Tích phân từng phần là một kỹ thuật quan trọng để tính tích phân của tích hai hàm số. Phương pháp này dựa trên công thức: ∫udv = uv - ∫vdu. Việc lựa chọn udv phù hợp là chìa khóa để thành công. Nên sử dụng tích phân từng phần khi tích phân có dạng tích của một hàm đa thức và một hàm lượng giác, hàm mũ, hoặc hàm logarit. Ví dụ, ∫xsin(x)dx, ∫x2exdx, và ∫ln(x)dx là những trường hợp phù hợp. Chương 5 của tài liệu gốc mô tả chi tiết về tích phân từng phần, bao gồm cả phương pháp bảng giúp tính tích phân từng phần lặp lại một cách dễ dàng.

3.2. Tích Phân Bằng Phép Thay Thế Lượng Giác Hướng Dẫn Chi Tiết

Tích phân bằng phép thay thế lượng giác là một kỹ thuật hữu ích để tính tích phân chứa căn thức có dạng √(a2 - x2), √(a2 + x2), hoặc √(x2 - a2). Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng các đồng nhất thức lượng giác để đơn giản hóa biểu thức dưới dấu tích phân. Ví dụ, với √(a2 - x2), ta thay x = asin(θ). Chương 5 trong tài liệu gốc trình bày chi tiết về tích phân bằng phép thay thế lượng giác, cùng với các ví dụ minh họa cụ thể.

3.3. Thủ Thuật Biến Đổi Biểu Thức Để Đơn Giản Hóa Tích Phân

Trước khi áp dụng các kỹ thuật tích phân, việc biến đổi biểu thức có thể giúp đơn giản hóa tích phân một cách đáng kể. Các thủ thuật bao gồm: phân tích thành nhân tử, sử dụng đồng nhất thức lượng giác, hoàn thiện bình phương, và phân tích thành phân số đơn giản. Ví dụ, để tính ∫(x2 + 1)/(x2 - 1)dx, ta có thể phân tích thành phân số đơn giản: (x2 + 1)/(x2 - 1) = 1 + 2/(x2 - 1) = 1 + 1/(x-1) - 1/(x+1). Sau đó, tích phân trở nên dễ dàng hơn nhiều.

IV. Hướng Dẫn Ứng Dụng Toán Giải Tích Trong Các Lĩnh Vực Thực Tế

Toán Giải Tích không chỉ là một môn học lý thuyết, mà còn có nhiều ứng dụng Toán Giải Tích trong các lĩnh vực thực tế như vật lý, kỹ thuật, kinh tế, và khoa học máy tính. Phần này sẽ trình bày một số ứng dụng Toán Giải Tích tiêu biểu, giúp bạn thấy được giá trị thực tiễn của môn học này. Tài liệu gốc "Math Handbook of Formulas, Processes and Tricks" cũng đề cập đến một số ứng dụng Toán Giải Tích, ví dụ như trong chương 8 về ứng dụng của tích phân, bao gồm tính diện tích dưới đường cong, diện tích giữa hai đường cong, và thể tích của vật thể tròn xoay.

4.1. Toán Giải Tích Trong Vật Lý Chuyển Động Lực Trường Điện Từ

Trong vật lý, Toán Giải Tích được sử dụng để mô tả chuyển động của vật thể, tính lực tác dụng lên vật, và nghiên cứu trường điện từ. Đạo hàm được dùng để tính vận tốc và gia tốc, trong khi tích phân được dùng để tính quãng đường và công. Ví dụ, định luật Newton về chuyển động có thể được biểu diễn bằng phương trình vi phân, và việc giải phương trình này đòi hỏi kiến thức về Toán Giải Tích. Chương 3 của tài liệu gốc đề cập đến ứng dụng của đạo hàm trong động học (kinematics), mô tả chuyển động của hạt.

4.2. Giải Tích Trong Kỹ Thuật Thiết Kế Tối Ưu Hóa Mô Phỏng

Trong kỹ thuật, Toán Giải Tích được sử dụng để thiết kế các công trình, tối ưu hóa hiệu suất, và mô phỏng các hệ thống phức tạp. Đạo hàm được dùng để tìm cực trị (maxima và minima), giúp tối ưu hóa kích thước và hình dạng. Tích phân được dùng để tính diện tích, thể tích, và các đại lượng khác liên quan đến thiết kế. Ví dụ, trong thiết kế cầu, Toán Giải Tích được sử dụng để tính lực tác dụng lên cầu và đảm bảo độ bền của công trình. Chương 3 cũng trình bày về việc tìm cực trị của hàm số, có ứng dụng lớn trong kỹ thuật.

4.3. Toán Giải Tích Trong Kinh Tế Mô Hình Dự Báo Tối Đa Hóa Lợi Nhuận

Trong kinh tế, Toán Giải Tích được sử dụng để xây dựng mô hình kinh tế, dự báo xu hướng thị trường, và tối đa hóa lợi nhuận. Đạo hàm được dùng để tìm điểm cực trị của hàm lợi nhuận, giúp các doanh nghiệp đưa ra quyết định kinh doanh tối ưu. Tích phân được dùng để tính tổng doanh thu, tổng chi phí, và thặng dư tiêu dùng. Ví dụ, hàm lợi nhuận có thể được biểu diễn bằng một hàm số, và việc tìm điểm cực đại của hàm này đòi hỏi kiến thức về Toán Giải Tích.

V. Thử Thách Với Bài Tập Toán Giải Tích Nâng Cao Lời Giải

Để nâng cao kỹ năng giải Toán Giải Tích, việc luyện tập với các bài tập Toán Giải Tích nâng cao là vô cùng quan trọng. Phần này sẽ cung cấp một số bài tập Toán Giải Tích khó, cùng với lời giải chi tiết, giúp bạn rèn luyện tư duy và kỹ năng giải quyết vấn đề. Hãy coi đây là cơ hội để thử thách bản thân và khám phá những khía cạnh sâu sắc hơn của Toán Giải Tích. Dù tài liệu gốc không trực tiếp cung cấp bài tập, nhưng việc tham khảo các ví dụ trong đó và tự tạo ra các bài tập tương tự là một cách tốt để rèn luyện kỹ năng.

5.1. Bài Tập Về Giới Hạn Tính Liên Tục Các Dạng Vô Định

Các bài tập về giới hạntính liên tục thường liên quan đến việc tìm giới hạn của các hàm số phức tạp, chứng minh tính liên tục của hàm số, và xử lý các dạng vô định như 0/0, ∞/∞, 0 * ∞, ∞ - ∞, 1, 00, và ∞0. Để giải quyết, cần áp dụng các quy tắc tính giới hạn, định lý L'Hopital, và các thủ thuật đại số. Ví dụ, bài tập có thể yêu cầu tìm giới hạn của (sin(x) - x)/x3 khi x tiến đến 0. Khi gặp dạng vô định, hãy cố gắng biến đổi biểu thức để áp dụng được định lý L'Hopital. Chương 1 của tài liệu gốc cung cấp các kỹ thuật tìm giới hạn và các dạng vô định thường gặp.

5.2. Bài Tập Về Ứng Dụng Đạo Hàm Trong Tìm Cực Trị Vẽ Đồ Thị

Các bài tập về ứng dụng đạo hàm thường liên quan đến việc tìm cực trị của hàm số, xác định khoảng đồng biến và nghịch biến, tìm điểm uốn, và vẽ đồ thị hàm số. Để giải quyết, cần tính đạo hàm cấp mộtđạo hàm cấp hai, giải phương trình đạo hàm bằng 0, và xét dấu đạo hàm. Ví dụ, bài tập có thể yêu cầu tìm cực trị và vẽ đồ thị của hàm số f(x) = x3 - 3x2 + 2. Hãy nhớ rằng, đạo hàm cấp một cho biết thông tin về sự tăng giảm của hàm số, trong khi đạo hàm cấp hai cho biết thông tin về độ lõm.

5.3. Bài Tập Về Tích Phân Bất Định Xác Định Ứng Dụng Tính Diện Tích

Các bài tập về tích phân thường liên quan đến việc tính tích phân bất địnhtích phân xác định, và áp dụng tích phân để tính diện tích giữa các đường cong. Để giải quyết, cần áp dụng các công thức tích phân cơ bản và các kỹ thuật tích phân như phép thay thế u, tích phân từng phần, và phân tích thành phân số đơn giản. Ví dụ, bài tập có thể yêu cầu tính diện tích giữa đường cong y = x2 và đường thẳng y = x. Hãy chú ý đến dấu của hàm số và chia nhỏ miền tích phân nếu cần thiết.

VI. Tương Lai Toán Giải Tích Hướng Nghiên Cứu Ứng Dụng Mới

Toán Giải Tích tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Phần này sẽ thảo luận về các hướng nghiên cứu Toán Giải Tích hiện tại và ứng dụng Toán Giải Tích mới, giúp bạn hình dung về tương lai của môn học này. Từ giải tích số đến giải tích hàm, và từ học máy đến tài chính định lượng, Toán Giải Tích đang mở ra những chân trời mới cho sự khám phá và sáng tạo.

6.1. Giải Tích Số Tính Toán Gần Đúng Mô Phỏng Trên Máy Tính

Giải tích số là một lĩnh vực của Toán Giải Tích tập trung vào việc phát triển các thuật toán để tính toán gần đúng các bài toán giải tích mà không thể giải chính xác bằng phương pháp truyền thống. Các thuật toán này được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng trên máy tính, giúp giải quyết các bài toán phức tạp trong khoa học và kỹ thuật. Ví dụ, phương pháp Newton được sử dụng để tìm nghiệm gần đúng của phương trình, và phương pháp Monte Carlo được sử dụng để tính tích phân nhiều chiều.

6.2. Giải Tích Hàm Nghiên Cứu Không Gian Hàm Ứng Dụng Trong Vật Lý

Giải tích hàm là một lĩnh vực của Toán Giải Tích tập trung vào việc nghiên cứu không gian hàm, là không gian mà các hàm số đóng vai trò như các "điểm". Lĩnh vực này có nhiều ứng dụng trong vật lý, đặc biệt là trong cơ học lượng tửlý thuyết trường. Ví dụ, không gian Hilbert là một loại không gian hàm quan trọng được sử dụng để mô tả trạng thái của các hệ lượng tử.

6.3. Toán Giải Tích Trong Học Máy Thuật Toán Tối Ưu Phân Tích Dữ Liệu

Toán Giải Tích đóng vai trò quan trọng trong học máy, đặc biệt là trong việc phát triển thuật toán, tối ưu hóa mô hình, và phân tích dữ liệu. Đạo hàm được sử dụng để tìm điểm cực tiểu của hàm mất mát, giúp huấn luyện mô hình học máy. Tích phân được sử dụng để tính xác suất và đánh giá hiệu suất của mô hình. Ví dụ, thuật toán gradient descent là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên đạo hàm, được sử dụng rộng rãi trong học máy.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Math Handbook of Formulas, Processes and Tricks (www.us) Calculus Prepared by: Earl L. Whitney, FSA, MAAA Version 4.5 January 2, 2019 Copyright 2008‐19, Earl Whitney, Reno NV. All Rights Reserved Note to Students This Calculus Handbook was developed primarily through work with a number of AP Calculus classes, so it contains what most students need to prepare for the AP Calculus Exam (AB or BC) or a first‐year college Calculus course. In addition, a number of more advanced topics have been added to the handbook to whet the student’s appetite for higher level study.

It is important to note that some of the tips and tricks noted in this handbook, while generating valid solutions, may not be acceptable to the College Board or to the student’s instructor. The student should always check with their instructor to determine if a particular technique that they find useful is acceptable. Why Make this Handbook? One of my main purposes for writing this handbook is to encourage the student to wonder, to ask “what about … ?” or “what if … ?” I find that students are so busy today that they don’t have the time, or don’t take the time, to find the beauty and majesty that exists within Mathematics. And, it is there, just below the surface.

So be curious and seek it out. The answers to all of the questions below are inside this handbook, but are seldom taught.  What is oscillating behavior and how does it affect a limit?  Is there a generalized rule for the derivative of a product of multiple functions?  What’s the partial derivative shortcut to implicit differentiation?  What are the hyperbolic functions and how do they relate to the trigonometric functions?  When can I simplify a difficult definite integral by breaking it into its even and odd components?  What is Vector Calculus? Additionally, ask yourself:  Why … ? Always ask “why?”  Can I come up with a simpler method of doing things than I am being taught?  What problems can I come up with to stump my friends? Those who approach math in this manner will be tomorrow’s leaders. Are you one of them? Please feel free to contact me at mathguy.com if you have any comments.

Thank you and best wishes! Cover art by Rebecca Williams, Earl Twitter handle: @jolteonkitty Version 4.5 Page 2 of 236 January 2, 2019 www.com Calculus Handbook Table of Contents Page Description Chapter 1: Functions and Limits 8 Functions 10 Continuity Examples 11 Limits 12 Techniques for Finding Limits 14 Indeterminate Forms 16 When Limits Fail to Exist Chapter 2: Differentiation 17 Definition, Basic Rules, Product Rule 18 Quotient, Chain and Power Rules; Exponential and Logarithmic Functions 19 Trigonometric and Inverse Trigonometric Functions 23 Generalized Product Rule 25 Inverse Function Rule 26 Partial Differentiation 27 Implicit Differentiation 30 Logarithmic Differentiation Chapter 3: Applications of Derivatives 31 Maxima and Minima (i., Extrema) 33 Inflection Points 34 Special Case: Extrema and Inflection Points of Polynomials 35 Key Points on f(x), f'(x) and f''(x) 38 Curve Sketching 43 Determining the Shape of a Curve Based On Its Derivatives 44 Rolles's Theorem and the Mean Value Theorem (MVT) 45 Related Rates 48 Kinematics (Particle Motion) 50 Differentials 51 Curvature 52 Newton's Method Chapter 4: Integration 54 Indefinite Integration (Antiderivatives) 55 Exponential and Logarithmic Functions 55 Trigonometric Functions 58 Inverse Trigonometric Functions 60 Selecting the Right Function for an Intergral Version 4.5 Page 3 of 236 January 2, 2019 www.com Calculus Handbook Table of Contents Page Description Chapter 5: Techniques of Integration 61 u ‐Substitution 63 Integration by Partial Fractions 66 Integration by Parts 70 Integration by Parts ‐ Tabular Method 71 Integration by Trigonometric Substitution 72 Impossible Integrals Chapter 6: Hyperbolic Functions 73 Definitions 74 Identities 75 Relationship to Trigonometric Functions 76 Inverse Hyperbolic Functions 77 Graphs of Hyperbolic Functions and Their Inverses 78 Derivatives 79 Integrals Chapter 7: Definite Integrals 81 Riemann Sums 86 Rules of Definite Integration 86 Fundamental Theorems of Calculus 88 Properties of Definite Integrals 89 Solving Definite Integrals with Directed Line Segments 90 u ‐Subsitution 92 Special Techniques for Evaluation 94 Derivative of an Integral Chapter 8: Applications of Integration 95 Area Under a Curve 96 Area Between Curves 97 Area in Polar Form 99 Areas of Limacons 101 Arc Length 104 Comparison of Formulas for Rectangular, Polar and Parametric Forms 105 Area of a Surface of Revolution 106 Volumes of Solids of Revolution Chapter 9: Improper Integrals 112 Definite Integrals with Infinite Limits of Integration 113 Definite Integrals with Discontinuous Integrands Version 4.5 Page 4 of 236 January 2, 2019 www.com Calculus Handbook Table of Contents Page Description Chapter 10: Differential Equations 114 Definitions 115 Separable First Order Differential Equations 117 Slope Fields 118 Logistic Function 119 Numerical Methods Chapter 11: Vector Calculus 123 Introduction 123 Special Unit Vectors 123 Vector Components 124 Properties of Vectors 125 Dot Product 126 Cross Product 128 Triple Products 129 Kinematics (Particle Motion) 130 Gradient 131 Divergence 132 Curl 133 Laplacian Chapter 12: Sequences 134 Definitions and Types of Sequences 135 More Definitions and Theorems 136 Limits (Convergence and Divergence) 137 Basic Recursive Sequence Theory Chapter 13: Series 141 Introduction 142 Key Properties 142 n‐th Term Convergence Theorems 142 Power Series 143 Telescoping Series 144 Geometric Series 145 Estimating the Value of Series with Positive Terms 146 Riemann Zeta Function (p ‐Series) 150 Bernoulli Numbers 152 Convergence Tests 157 Alternating Series 159 Radius and Interval of Convergence of Power Series 162 Summary of Convergence/Divergence Tests Version 4.5 Page 5 of 236 January 2, 2019 www.com Calculus Handbook Table of Contents Page Description Chapter 14: Taylor and MacLaurin Series 163 Taylor Series 163 MacLaurin Series 165 LaGrange Remainder Chapter 15: Miscellaneous Cool Stuff 166 e 167 Derivation of Euler's Formula 169 Logarithms of Negative Real Numbers and Complex Numbers 170 What Is i i 171 z Derivative of e to a Complex Power (e ) 172 Derivatives of a Circle 173 Derivatives of a Ellipse 174 Derivatives of a Hyperbola 175 Derivative of: (x+y)3=x3+y3 176 Inflection Points of the PDF of the Normal Distribution Appendices 177 Appendix A: Key Definitions 197 Appendix B: Key Theorems 201 Appendix C: List of Key Derivatives and Integrals 208 Appendix D: Key Functions and Their Derivatives 212 Appendix E: Geometry and Trigonometry Formulas 217 Appendix F: Polar and Parametric Equations 228 Appendix G: Interesting Series 229 Index Useful Websites Mathguy.us – Developed specifically for math students from Middle School to College, based on the author's extensive experience in professional mathematics in a business setting and in math tutoring. Contains free downloadable handbooks, PC Apps, sample tests, and more.us Wolfram Math World – A premier site for mathematics on the Web. This site contains definitions, explanations and examples for elementary and advanced math topics.5 Page 6 of 236 January 2, 2019 www.com Calculus Handbook Table of Contents Schaum’s Outlines An important student resource for any high school math student is a Schaum’s Outline. Each book in this series provides explanations of the various topics in the course and a substantial number of problems for the student to try.

Many of the problems are worked out in the book, so the student can see how they can be solved. Schaum’s Outlines are available at Amazon.com, Barnes & Noble and other booksellers. Other Useful Books Version 4.5 Page 7 of 236 January 2, 2019 www.com Chapter 1 Functions and Limits Functions Definitions  Expression: A meaningful arrangement of mathematical values, variables and operations.  Relation: An expression that defines a connection between a set of inputs and a set of outputs.

The set of inputs is called the Domain of the relation. The set of outputs is called the Range of the relation.  Function: A relation in which each element in the domain corresponds to exactly one element in the range.  One‐to‐One Function: A function in which each element in the range is produced by exactly one element in the domain.

 Continuity: A function, , is continuous at iff: o is defined, o lim exists, and Note: lim exists if and only if: → → o lim lim lim. → → → Continuity Rules If and are continuous functions at a point , , and if is a constant, then the following are also true at , :  is continuous. Addition  is continuous. Subtraction  ∙ is continuous.

Scalar Multiplication  ∙ is continuous. Multiplication  is continuous if 0. Division  is continuous if exists. Exponents  is continuous if exists.

Roots Note: All polynomial functions are continuous on the interval ∞, ∞ .5 Page 8 of 236 January 2, 2019 www.com Chapter 1 Functions and Limits Types of Discontinuities A Discontinuity occurs at a location where the graph of a relation or function is not connected. A discontinuity that can be “repaired” by adding a single point to the graph. Typically, this will show up as a hole in a graph. In the function , a removable discontinuity exists at 1.

Mathematically, a removable discontinuity is a point at which the limit of at exists but does not equal. That is, lim lim → → Note: a removable discontinuity exists at whether or not exists. A discontinuity that is not removable. Mathematically, a removable discontinuity is a point at which the limit of at does not exist.

This includes: o Jump Discontinuity. A discontinuity at which the limit from the left does not equal the limit from the right. That is, lim lim → → In the function , a jump discontinuity exists at 1. These occur at vertical asymptotes.

In the function , infinite discontinuities exist at 3, 2 .5 Page 9 of 236 January 2, 2019 www.com Chapter 1 Functions and Limits Continuity Examples Case 1 Jump Discontinuity Not continuous Limit does not exist 5 may or may not exist (it does not exist in the graph shown) Case 2 Removable Discontinuity Not continuous Limit exists 5 does not exist Case 3 Removable Discontinuity Not continuous Limit exists 5 exists but does not equal the limit Case 4 No Discontinuity Continuous Limit exists 5 exists and is equal the limit Version 4.5 Page 10 of 236 January 2, 2019 www.com Chapter 1 Functions and Limits Limits Definitions Formal Definition: Let be a function defined on an open interval containing , except possibly at , and let be a real number. Then, the statement: lim → means that for each 0, there exists a 0 such that: 0 | | implies | |. Written using math symbols: ∀ 0 ∃ 0 ∋ 0 | | ⇒ | |. Informal Definition: The limit is the value that a function approaches as the value of the input variable approaches the desired value.

Limits may exist approaching from either the left lim or the right lim. → → If the limits from the left and right are the same (e., they are both equal to ), then the limit exists at and we say lim. → Limit Rules Assuming that each of the requisite limits exist, the following rules apply:  lim lim lim Addition of Limits → → →  lim lim lim Subtraction of Limits → → →  lim ∙ ∙ lim Scalar Multiplication → →  lim ∙ lim ∙ lim Multiplication of Limits → → →  lim → Division of Limits → →  lim lim Powers → →  lim lim Roots → → Also, assuming that each of the requisite limits exists, the typical properties of addition and multiplication (e., commutative property, associative property, distributive property, inverse property, etc.) apply to limits.5 Page 11 of 236 January 2, 2019 www.com Chapter 1 Functions and Limits Techniques for Finding Limits Substitution The easiest method, when it works, for determining a limit is substitution.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ