高等数学基础知识点大全整理版.pdf

《高等数学基础知识点大全整理版.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高等数学基础知识点大全整理版.pdf（20页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1 10、函数极限的运算规则 前面已经学习了数列极限的运算规则，我们知道数列可作为一类特殊的函数，故函数极限的运算规则 与数列极限的运算规则相似。 、函数极限的运算规则 若已知 xx0(或 x)时，. 则： 推论： 在求函数的极限时，利用上述规则就可把一个复杂的函数化为若干个简单的函数来求极限。 例题： 求 解答： 例题： 求 此题如果像上题那样求解，则会发现此函数的极限不存在. 我们通过观察可以发现此分式的分子和分母 都没有极限 ，像这种情况怎么办呢？下面我们把它解出来。 解答： 注：通过此例题我们可以发现：当分式的分子和分母都没有极限时就不能运用商的极限的运算规则了， 应先把分式的分子分母

2、转化为存在极限的情形，然后运用规则求之。 函数极限的存在准则 学习函数极限的存在准则之前，我们先来学习一下左、右的概念。 我们先来看一个例子： 2 例：符号函数为 对于这个分段函数,x 从左趋于 0 和从右趋于0 时函数极限是不相同的. 为此我们定义了左、 右极限的概 念。 定义：如果 x 仅从左侧 (x x0) 趋近 x0时， 函数与常量 A无限接近，则称 A为函数当 时的 左极限 . 记： 如果 x 仅从右侧 (x x0) 趋近 x0时，函数与常量 A无限接近， 则称 A为函数当时 的右极限 . 记： 注： 只有当 xx0时，函数的左、右极限存在且相等，方称在 xx0时有极限 函数极限的存

3、在准则 准则一： 对于点x0的某一邻域内的一切x，x0点本身可以除外( 或绝对值大于某一正数的一切x) 有 ，且， 那末存在，且等于A 注： 此准则也就是夹逼准则. 准则二： 单调有界的函数必有极限. 注： 有极限的函数不一定单调有界 两个重要的极限 一： 注： 其中 e 为无理数，它的值为：e=2.718281828459045 . 二： 注： 在此我们对这两个重要极限不加以证明. 注： 我们要牢记这两个重要极限，在今后的解题中会经常用到它们. 例题： 求 3 解答： 令，则 x=-2t ，因为 x，故t， 则 注： 解此类型的题时，一定要注意代换后的变量的趋向情况，象x时，若用t 代换 1

4、/x ，则 t0. 无穷大量和无穷小量 无穷大量 我们先来看一个 例子 ： 已知函数，当 x0 时，可知，我们把这种情况称为趋向无穷大。为 此我们可定义如下：设有函数y=，在 x=x0的去心邻域内有定义，对于任意给定的正数N(一个任意大 的数 ) ，总可找到正数，当 时，成立，则称函数当时为 无穷大量 。 记为：（表示为无穷大量，实际它是没有极限的） 同样我们可以给出当x时，无限趋大的定义：设有函数y=，当 x 充分大时有定义， 对于任意给定的正数N( 一个任意大的数 ) ，总可以找到正数M，当时，成立，则称函 数当 x时是 无穷大量 ，记为： 无穷小量 以零为极限的变量称为无穷小量 。 定义

5、： 设有函数，对于任意给定的正数( 不论它多么小 ) ，总存在正数( 或正数M) ，使得对 于适合不等式( 或) 的一切x，所对应的函数值满足不等式，则称函 数当( 或 x)时为无穷小量 . 记作：( 或) 注意 ：无穷大量与无穷小量都是一个变化不定的量，不是常量，只有0 可作为无穷小量的唯一常量。 无穷大量与无穷小量的区别是：前者无界，后者有界，前者发散，后者收敛于0.无穷大量与无穷小量是互 4 为倒数关系的 . 关于无穷小量的两个定理 定理一：如果函数在( 或 x)时有极限A， 则差是当( 或 x)时的无穷小量，反之亦成立。 定理二： 无穷小量的有利运算定理 a) ：有限个无穷小量的代数和

6、仍是无穷小量； b) ：有限个无穷小量的积仍是无穷小量；c) ：常数与无 穷小量的积也是无穷小量. 无穷小量的比较 通过前面的学习我们已经知道，两个无穷小量的和、差及乘积仍旧是无穷小. 那么 两个无穷小量的商会 是怎样的呢？ 好！接下来我们就来解决这个问题，这就是我们要学的两个无穷小量的比较。 定义： 设 ， 都是时的无穷小量，且 在 x0的去心领域内不为零， a) ：如果，则称 是 的高阶无穷小 或 是 的低阶无穷小 ； b) ：如果，则称 和 是同阶无穷小 ； c) ：如果，则称 和 是等价无穷小，记作：( 与 等价 ) 例： 因为，所以当x0 时， x 与 3x 是同阶无穷小； 因为，所

7、以当x0 时，x 2 是 3x 的高阶无穷小； 因为，所以当 x0 时， sinx 与 x 是等价无穷小。 等价无穷小的性质 设，且存在，则. 注： 这个性质表明：求两个无穷小之比的极限时，分子及分母都可用等价无穷小来代替，因此我们可 以利用这个性质来简化求极限问题。 例题： 1. 求 解答： 当 x0 时， sinaxax，tanbxbx，故： 5 例题： 2. 求 解答： 注： 注： 从这个例题中我们可以发现，作无穷小变换时，要代换式中的某一项，不能只代换某个因子。 函数的一重要性质连续性 在自然界中有许多现象，如气温的变化，植物的生长等都是连续地变化着的.这种现象在函数关系上的 反映，就

8、是函数的连续性 在定义函数的连续性之前我们先来学习一个概念增量 设变量 x 从它的一个初值x1变到终值 x2，终值与初值的差x2-x1就叫做 变量 x 的增量 ，记为：x 即： x=x2-x1 增量x 可正可负 . 我们再来看一个例子：函数在点 x0的邻域内有定义，当自变量x 在领域内从x0变到 x0+x 时，函数 y 相应地从变到，其对应的增量为： 这个关系式的几何解释如下图： 现在我们可对连续性的概念这样描述：如果当x 趋向于零时， 函数 y 对应的增量 y 也趋向于零， 即： ，那末就称函数在点 x0处连续。 函数连续性的定义： 设函数在点 x0的某个邻域内有定义，如果有称函数在点 x0

9、处 连续，且称 x0为函数的的连续点 . 下面我们结合着函数左、 右极限的概念再来学习一下函数左、右连续 的概念：设函数在区间 (a,b 6 内有定义，如果左极限存在且等于， 即：=， 那末我们就称函数 在点b 左连续 . 设函数在区间 a,b) 内有定义，如果右极限存在且等于，即： =，那末我们就称函数在点 a 右连续 . 一个函数在开区间(a,b)内每点连续 , 则为在 (a,b) 连续，若又在a 点右连续， b 点左连续，则在闭区间 a ，b 连续，如果在整个定义域内连续，则称为连续函数 。 注： 一个函数若在定义域内某一点左、右都连续，则称函数在此点连续，否则在此点不连续. 注： 连续

10、函数图形是一条连续而不间断的曲线。 通过上面的学习我们已经知道函数的连续性了，同时我们可以想到若函数在某一点要是不连续会出现 什么情形呢？接着我们就来学习这个问题：函数的间断点 函数的间断点 定义： 我们把不满足函数连续性的点称之为间断点 . 它包括三种情形： a)：在 x0无定义； b)：在 xx0时无极限； c) ：在 xx0时有极限但不等于； 下面我们通过例题来学习一下间断点的类型： 例 1： 正切函数在处没有定义，所以点是函数的间断点，因 ，我们就称为函数的无穷间断点 ； 例 2：函数在点 x=0 处没有定义；故当x0 时，函数值在 -1 与+1 之间变动无限多次，我 们就称点 x=0

11、 叫做函数的振荡间断点 ； 例 3：函数当 x0 时，左极限，右极限，从 这我们可以看出函数左、右极限虽然都存在，但不相等，故函数在点x=0 是不存在极限。我们还可以发现 7 在点 x=0 时，函数值产生跳跃现象，为此我们把这种间断点称为跳跃间断点 ；我们把上述三种间断点用几 何图形表示出来如下: 间断点的分类 我们通常把间断点分成两类：如果x0是函数的间断点，且其左、右极限都存在，我们把x0称为 函数的第一类间断点 ；不是第一类间断点的任何间断点，称为第二类间断点 . 可去间断点 若 x0是函数的间断点，但极限存在，那末x0是函数的第一类间断点。此时函 数不连续原因是：不存在或者是存在但。我

12、们令，则 可使函数在点 x0处连续，故这种间断点x0称为可去间断点 。 连续函数的性质及初等函数的连续性 连续函数的性质 函数的和、积、商的连续性 我们通过函数在某点连续的定义和极限的四则运算法则，可得出以下结论： a) ：有限个在某点连续的函数的和是一个在该点连续的函数； b) ：有限个在某点连续的函数的乘积是一个在该点连续的函数； c) ：两个在某点连续的函数的商是一个在该点连续的函数( 分母在该点不为零) ； 反函数的连续性 若函数在某区间上单调增( 或单调减 ) 且连续，那末它的反函数也在对应的区间 上单调增 ( 单调减 ) 且连续 例： 函数在闭区间上单调增且连续， 故它的反函数在闭

13、区间 -1,1 上也是单调增且连续的。 复合函数的连续性 设函数当 xx0时的极限存在且等于a，即：. 而函数在点 u=a 8 连续，那末复合函数当 xx0时的 极限也存在 且等于.即： 例题： 求 解答： 注：函数可看作与复合而成，且函数在点 u=e 连续，因此可得出上述结论。 设函数在点 x=x0连续，且，而函数在点 u=u0连续，那末复合函数 在点 x=x0也是连续 的 初等函数的连续性 通过前面我们所学的概念和性质，我们可得出以下结论：基本初等函数在它们的定义域内都是连续的； 一切初等函数在其定义域内也都是连续的. 闭区间上连续函数的性质 闭区间上的连续函数则是在其连续区间的左端点右连

14、续，右端点左连续 . 对于闭区间上的连续函数有几 条重要的性质，下面我们来学习一下： 最大值最小值定理：在闭区间上连续的函数一定有最大值和最小值。( 在此不作证明 ) 例：函数 y=sinx 在闭区间 0 ， 2 上连续，则在点 x=/2 处，它的函数值为1， 且大于闭区间 0 ， 2 上其它各点出的函数值；则在点x=3/2 处，它的函数值为-1，且小于闭区间0 ，2 上其它各点出的函 数值。 介值定理在闭区间上连续的函数一定取得介于区间两端点的函数值间的任何值。即： ， 在 、 之间，则在 a ，b 间一定有一个，使 推论：在闭区间连续的函数必取得介于最大值最小值之间的任何值。 二、导数与微

15、分 导数的概念 在学习到数的概念之前，我们先来讨论一下物理学中变速直线运动的瞬时速度的问题。例：设一质点 沿 x 轴运动时，其位置x 是时间 t 的函数，求质点在t0的瞬时速度？我们知道时间从t0有增 量t时，质点的位置有增量，这就是质点在时间段t的位移。因此，在此 段时间内质点的平均速度为：. 若质点是匀速运动的则这就是在t0的瞬时速度， 若质 9 点是非匀速直线运动，则这还不是质点在t0时的瞬时速度。我们认为当时间段t无限地接近于0 时，此 平 均 速 度 会 无 限 地 接 近 于 质 点t0时 的 瞬 时 速 度 ， 即 ： 质 点 在t0时 的 瞬 时 速 度 =为此就产生了导数的定

16、义，如下： 导数的定义： 设函数在点 x0的某一邻域内有定义，当自变量x 在 x0处有增量 x(x+x 也 在该邻域内 ) 时，相应地函数有增量，若y 与x 之比当 x0 时极限存 在，则称这个极限值为在 x0处的 导数 。记为：还可记为：， 函数在点 x0处存在导数简称函数在点 x0处可导 ，否则不可导。 若函数在区间 (a,b) 内每一点都可导，就称函数在区间 (a,b) 内可导。这时函数对于区间 (a,b) 内的每一个确 定的 x 值，都对应着一个确定的导数，这就构成一个新的函数，我们就称这个函数为原来函数的 导函数。 注：导数也就是差商的极限 左、右导数 前面我们有了左、右极限的概念，

17、导数是差商的极限，因此我们可以给出左、右导数的概念。若极限 存在，我们就称它为函数在 x=x0处的 左导数 。若极限存在，我们就称它为 函数在 x=x0处的 右导数 。 注： 函数在 x0处的左右导数存在且相等是函数在 x0处的可导的充分必要条件 函数的和、差求导法则 函数的和差求导法则 法 则 ： 两 个 可 导 函 数 的 和 ( 差 ) 的 导 数 等 于 这 两 个 函 数 的 导 数 的 和 ( 差 ). 用 公 式 可 写 为 ： 。其中 u、v 为可导函数。 例题 ：已知，求 10 解答： 例题： 已知，求 解答： 函数的积商求导法则 常数与函数的积的求导法则 法则： 在求一个常

18、数与一个可导函数的乘积的导数时，常数因子可以提到求导记号外面去。用公式可 写成： 例题： 已知，求 解答： 函数的积的求导法则 法则： 两个可导函数乘积的导数等于第一个因子的导数乘第二个因子，加上第一个因子乘第二个因子 的导数。用公式可写成： 例题： 已知，求 解答： 注： 若是三个函数相乘，则先把其中的两个看成一项。 函数的商的求导法则 法则： 两个可导函数之商的导数等于分子的导数与分母导数乘积减去分母导数与分子导数的乘积，在 除以分母导数的平方。用公式可写成： 例题： 已知，求 解答： 11 复合函数的求导法则 在学习此法则之前我们先来看一个例子! 例题： 求=? 解答： 由于，故这个解答

19、 正确吗 ? 这个解答是错误的，正确的解答 应该如下： 我们发生错误的原因是是对自变量x 求导，而不是对2x 求导。 下面我们给出复合函数的求导法则 复合函数的求导规则 规则： 两个可导函数复合而成的复合函数的导数等于函数对中间变量的导数乘上中间变量对自变量的 导数。用公式表示为： ，其中 u 为中间变量 例题： 已知，求 解答： 设, 则可分解为,因此 注： 在以后解题中，我们可以中间步骤省去。 例题： 已知，求 解答： 反函数求导法则 根据反函数的定义，函数为单调连续函数，则它的反函数, 它也是单调连续的. 为此我们可给出反函数的求导法则，如下( 我们以定理的形式给出) ： 12 定理：

20、若是单调连续的，且，则它的反函数在点x 可导，且有： 注：通过此定理我们可以发现：反函数的导数等于原函数导数 的倒数 。注：这里的反函数 是以 y 为自变量的，我们没有对它作记号变换。 即：是对 y 求导，是对 x 求导 例题： 求的导数 . 解答： 此函数的反函数为，故则： 例题： 求的导数 . 解答： 此函数的反函数为，故则： 高阶导数 我们知道，在物理学上变速直线运动的速度v(t) 是位置函数s(t) 对时间 t 的导数，即：， 而加速度 a 又是速度 v 对时间 t 的变化率，即速度 v 对时间 t 的导数：， 或。 这种导数的导数叫做 s 对 t 的二阶导数。下面我们给出它的数学定义

21、： 定义 ：函数的导数仍然是x 的函数 . 我们把的导数叫做函数 的二阶导数 ，记作或，即：或. 相应地，把 的导数叫做函数的一阶导数 . 类似地，二阶导数的导数，叫做三阶导数 ，三阶导数 13 的导数，叫做 四阶导数 ，一般地 (n-1) 阶导数的导数叫做n 阶导数 . 分别记作：，或， 二阶及二阶以上的导数统称高阶导数 。由此可见，求高阶导数就是多次接连地求导，所以，在求高阶 导数时可运用前面所学的求导方法。 例题： 已知，求解答： 因为=a，故=0 例题： 求对数函数的 n 阶导数。 解答：， 一般地，可得 隐函数及其求导法则 我们知道用解析法表示函数，可以有不同的形式. 若函数 y 可

22、以用含自变量x 的算式表示，像y=sinx ， y=1+3x 等，这样的函数叫显函数 . 前面我们所遇到的函数大多都是显函数. 一般地，如果方程F(x,y)=0中，令 x 在某一区间内任取一值时，相应地总有满足此方程的y 值存在， 则我们就说方程F(x,y)=0在该区间上确定了x 的隐函数 y. 把一个隐函数化成显函数的形式，叫做 隐函数的 显化 。注： 有些隐函数并不是很容易化为显函数的，那么在求其导数时该如何呢？下面让我们来解决这个 问题！ 隐函数的求导 若已知 F(x,y)=0，求时，一般按下列步骤进行求解： a) ：若方程 F(x,y)=0，能化为的形式，则用前面我们所学的方法进行求导

23、； b) ：若方程 F(x,y)=0 ，不能化为的形式，则是方程两边对x 进行求导，并把y 看成 x 的函 数，用复合函数求导法则进行。 例题： 已知，求 解 答 ： 此 方 程 不 易 显 化 ， 故 运 用 隐 函 数 求 导 法 . 两 边 对x进 行 求 导 ， 14 ，故= 注： 我们对隐函数两边对x 进行求导时， 一定要把变量y 看成 x 的函数 ，然后对其 利用复合函数求导 法则 进行求导。 例题： 求隐函数，在 x=0 处的导数 解答： 两边对x 求导，故，当x=0 时， y=0. 故 。 有些函数在求导数时，若对其直接求导有时很不方便，像对某些幂函数进行求导时，有没有一种比较

24、 直观的方法呢？下面我们再来学习一种求导的方法：对数求导法 对数求导法 对数求导的法则：根据隐函数求导的方法，对某一函数先取函数的自然对数，然后在求导。注：此方 法特别适用于幂函数的求导问题。 例题： 已知x0，求 此题若对其直接求导比较麻烦，我们可以先对其两边取自然对数，然后再把它看成隐函数进行求导， 就比较简便些。如下 解答： 先两边取对数：，把其看成隐函数，再两边求导 因为，所以 例题： 已知，求 此题可用复合函数求导法则进行求导，但是比较麻烦，下面我们利用对数求导法进行求导 解 答 ： 先 两 边 取 对 数再 两 边 求 导 15 因为，所以 函数的微分 学习函数的微分之前，我们先来

25、分析一个具体问题：一块正方形金属薄片受温度变化的影响时，其边 长由 x0变到了 x0+x，则此薄片的面积改变了多少？ 解答： 设此薄片的边长为x，面积为 A，则 A 是 x 的函数：薄片受温度变化的影响面积的改 变 量 ， 可 以 看 成 是 当 自 变 量x从x0取 的 增 量 x 时 ， 函 数A相 应 的 增 量 A， 即 ： 。从上式我们可以看出，A 分成两部分， 第一部分 是x的线性函数，即下图中红色部分； 第二部分即图中的黑色部分， 当x0 时，它是x 的高阶无穷小，表示为： 由此我们可以发现，如果边长变化的很小时，面积的改变量可以近似的用地一部分来代替。下面我们 给出微分的数学定

26、义： 函数微分的定义：设函数在某区间内有定义，x0及 x0+x 在这区间内，若函数的增量可表示为 ，其中 A是不依赖于x 的常数，是x的高阶无穷小， 则称函数 在点 x0可微的 。叫做函数在点 x0相应于自变量增量x的微分 ， 记作 dy， 即：=。 通过上面的学习我们知道：微分是自变量改变量x的线性函数， dy 与y的差是关于x 的高阶无穷小量， 我们把 dy 称作y的线性主部 。于是我们又得出： 当x0 时，ydy. 导数的记号为： ，现在我们可以发现，它不仅表示导数的记号，而且还可以表示两个微分的比值( 把x看成 dx, 即: 定义自变量的增量等于自变量的微分) ，还可表示为： 16 由

27、此我们得出： 若函数在某区间上可导，则它在此区间上一定可微，反之亦成立。 微分形式不变性 什么是微分形式不边形呢？ 设，则复合函数的微分为： ， 由于，故我们可以把复合函数的微分写成 由此可见，不论u 是自变量还是中间变量，的微分 dy 总可以用与 du 的乘积来表示， 我们把这一性质称为微分形式不变性。 例题： 已知，求 dy 解答： 把 2x+1 看成中间变量u，根据微分形式不变性，则 通过上面的学习，我们知道微分与导数有着不可分割的联系，前面我们知道基本初等函数的导数公式和导数 的运算法则，那么基本初等函数的微分公式和微分运算法则是怎样的呢？ 下面我们来学习基本初等函数的微分公式与微分的

28、运算法则 基本初等函数的微分公式与微分的运算法则 基本初等函数的微分公式 由于函数微分的表达式为：，于是我们通过基本初等函数导数的公式可得出基本初等函数微分的公式，下面我们 表格来把基本初等函数的导数公式与微分公式对比一下：(部分公式 ) 导数公式微分公式 17 微分运算法则 由函数和、差、积、商的求导法则，可推出相应的微分法则. 为了便于理解，下面我们用表格来把微分的运算法则与导数的运算法 对照一下： 函数和、差、积、商的求导法则函数和、差、积、商的微分法则 复合函数的微分法则就是前面我们学到的微分形式不变性，在此不再详述。 例题： 设，求对 x 3 的导数 解答： 根据微分形式的不变性 微

29、分的应用 微分是表示函数增量的线性主部. 计算函数的增量， 有时比较困难， 但计算微分则比较简单，为此我们用函数的微分来近似的代替 数的增量，这就是微分在近似计算中的应用. 例题： 求的近似值。 解答： 我们发现用计算的方法特别麻烦，为此把转化为求微分的问题 18 故其近似值为1.025( 精确值为 1.024695) 三、导数的应用 微分学中值定理 在给出微分学中值定理的数学定义之前，我们先从几何的角度看一个问题，如下： 设有连续函数，a 与 b 是它定义区间内的两点(a b) ，假定此函数在 (a,b) 处处可导，也就是 在(a,b) 内的函数图形上处处都由切线，那末我们从图形上容易直到，

30、 差商就是割线 AB的斜率， 若我们把割线AB作平行于自身的移动，那么至少有一次 机会达到离割线最远的一点P(x=c) 处成为曲线的切线，而曲线的斜率为，由于切线与割线是平行的，因 此 成立。 注： 这个结果就称为微分学中值定理，也称为拉格朗日中值定理 拉格朗日中值定理 如果函数在闭区间 a,b上连续，在开区间(a,b) 内可导，那末在(a,b) 内至少有一点c，使 成立。 这个定理的特殊情形，即：的情形，称为 罗尔定理 。描述如下： 19 若在闭区间 a,b上连续，在开区间 (a,b) 内可导，且，那末在 (a,b) 内至少有一点c， 使成立。 注： 这个定理是罗尔在17 世纪初，在微积分发

31、明之前以几何的形式提出来的。 注： 在此我们对这两个定理不加以证明，若有什么疑问，请参考相关书籍 下面我们在学习一条通过拉格朗日中值定理推广得来的定理柯西中值定理 柯西中值定理 如果函数，在闭区间 a ，b 上连续，在开区间(a ，b) 内可导，且0，那末在 (a，b) 内至少有一点c，使成立。 例题： 证明方程在 0 与 1 之间至少有一个实根 证明： 不难发现方程左端是函数的导数： 函数在0 ，1 上连续，在 (0,1) 内可导，且， 由罗尔定理 可知，在 0 与 1 之间至少有一点c，使，即 也就是：方程在 0 与 1 之间至少有一个实根 未定式问题 问题： 什么样的式子称作未定式呢？

32、答案 ：对于函数,来说，当xa(或 x)时，函数,都趋于零或无穷大 20 则极限可能存在，也可能不存在， 我们就把式子称为 未定式 。 分别记为 型 我们容易知道， 对于未定式的极限求法，是不能应用 “商的极限等于极限的商“这个法则来求解的，那么我 们该如何求这类问题的极限呢？ 下面我们来学习 罗彼塔 (LHospital)法则 ，它就是这个问题的答案 注： 它是根据柯西中值定理推出来的。 罗彼塔 (LHospital)法则 当 xa(或 x)时，函数,都趋于零或无穷大，在点a 的某个去心邻域内( 或当x N) 时，与都存在，0，且存在 则：= 这种通过分子分母求导再来求极限来确定未定式的方法，就是所谓的罗彼塔(LHospital)法则 注： 它是以前求极限的法则的补充，以前利用法则不好求的极限，可利用此法则求解。 例题： 求 解答： 容易看出此题利用以前所学的法则是不易求解的，因为它是未定式中的型求解问题，因此我们 就可以利用上面所学的法则了。