Analize˙s uždavinynas Vytautas Kazakevičius 2012 m. lapkričio 1 d. ii Vienmate˙ analize˙ Faktorialai,binominiaikoeficientai. Jeia R,n,k N 0 ,tai ∈ ∈ ∪{ } k!=1 2 3 k, (2k+1)!!=1 3 5 (2k+1), (2k)!!=2 4 6 (2k); · · ··· · · ··· · · ··· (cid:18)a(cid:19) a(a 1) (a k+1) (cid:18)n(cid:19) n! (cid:18) n (cid:19) = − ··· − ; = = . k k! k k!(n k)! n k − − Niutonobinomoformule˙. (a+b)n=an+(cid:18)n(cid:19)an−1b+(cid:18)n(cid:19)an−2b2+ +(cid:18) n (cid:19)abn−1+bn. 1 2 ··· n 1 − Trigonometrine˙sformule˙s. cos(x y)=cosxcosy sinxsiny, sin(x y)=sinxcosy cosxsiny; ± ∓ ± ± cos(x y) cos(x+y) sin(x+y)+sin(x y) cos(x+y)+cos(x y) sinxsiny= − − , sinxcosy= − , cosxcosy= − ; 2 2 2 sin2x+cos2x=1, cos2x=cos2x sin2x, sin2x=2sinxcosx, sin2x= 1−cos2x, cos2x= 1+cos2x; − 2 2 cos2x= 1 , sin2x= tg2x , cosx= 1−tg2x2, sinx= 2tgx2 . 1+tg2x 1+tg2x 1+tg2x 1+tg2x 2 2 Asimptotiniaiskleidiniai. Kaix 0, → (1+x)a=1+(cid:18)a(cid:19)x+(cid:18)a(cid:19)x2+ +(cid:18)a(cid:19)xn+O(xn+1); 1 2 ··· n ex=1+x+x2 +x3 + +xn +O(xn+1); 2 6 ··· n! ln(1+x)=x x2 +x3 + +( 1)n−1xn +O(xn+1); − 2 3 ··· − n cosx=1 x2 +x4 + +( 1)n x2n +O(x2n+2); − 2 24 ··· − (2n)! sinx=x x3 + x5 + +( 1)n x2n+1 +O(x2n+3); − 6 120 ··· − (2n+1)! arcsinx=x+1x3+ 3 x5+ + (2n−1)!! x2n+1+O(x2n+3); 6 40 ··· (2n)!!(2n+1) arctgx=x x3 +x5 + +( 1)nx2n+1 +O(x2n+3); − 3 5 ··· − 2n+1 tgx=x+x3 + 2 x5+O(x7); 3 15 ax=exlna=1+xlna+(xlna)2 + ; 2 ··· loga(1+x)= ln(l1n+ax) = ln1a(cid:16)x−x22 +···(cid:17). Ribos. Jeia>0,tai xa 0, xa ; 1 1 0; −−x−→−→0 −x−→−−∞→∞ xa −x−→−−0−+→∞ xa −x−→−−∞→ ex 0, ex ; lnx , lnx ; −x−→−−−−∞−→ −x−→−−∞→∞ −x−→−−0−+→−∞ −x−→−−∞→∞ π cosx,sinxneturiribos,kaix ; arctgx . →±∞ −x−→−−±−∞−→±2 Funkciju˛palyginimas. Teguk,a,b,ε>0. Tada: jeix ,tai1 lnkx xε,xa xb(kaia<b),xk eεx; jeix→0∞+,tai1≺ lnk(1≺/x) x−≺ε,x−a x−b(kaia≺<b),x−k eε/x. Išves→tiniu˛lentel≺e˙. ≺ ≺ ≺ (xa)′=axa−1, (ex)′=ex, (lnx)′= 1; x iii ′ ′ ′ 1 ′ 1 (cosx) = sinx, (sinx) =cosx, (tgx) = , (ctgx) = ; − cos2x −sin2x ′ 1 ′ 1 (arcsinx) = , (arccosx) = , p1 x2 −p1 x2 − − ′ 1 ′ 1 (arctgx) = , (arcctgx) = . 1+x2 −1+x2 Pirmaformule˙ teisingasubetkokiaisa,teigiamaisirneigiamais,sveikaisirtrupmeniniais. Pavyzdžiui, c′=0, x′=1, (x2)′=2x, (x3)′=3x2; (cid:16)1(cid:17)′= 1 , (cid:16) 1 (cid:17)′= 2 ; x −x2 x2 −x3 (√x)′= 1 , (√3x)′= 1 . 2√x 3√3x2 Išvestiniu˛skaičiavimotaisykle˙s. ′ ′ ′ ′ ′ (cu) =cu, (u v) =u v; ± ± (uv)′=u′v+uv′, (cid:16)u(cid:17)′= u′v−uv′; v v2 (cid:2)f(u)(cid:3)′=f′(u)u′. Integralu˛skaičiavimotaisykle˙s. Z Z Z Z Z Z Z cu=c u, (u v)= u v, udv=uv vdu; ± ± − Z Z f(x)dx=F(x) f(cid:0)u(x)(cid:1)du(x)=F(cid:0)u(x)(cid:1) ⇒ Integralu˛lentele˙. Z xadx= xa+1, Z dx =lnx, Z exdx=ex, Z sinxdx= cosx, Z cosxdx=sinx; a+1 x − Z dx Z dx Z dx x Z dx 1 x =tgx, = ctgx, =arcsin , = arctg , cos2x sin2x − pa2 x2 a a2+x2 a a − Z dx = 1 lna+x arba Z dx = 1 lnx−a. a2 x2 2a a x x2 a2 2a x+a − − − Pirmojeformule˙jeagalibu¯tibetkoksskaičius,nelygus 1(kaia= 1,taikomaantrojiformule˙):teigiamasirneigiamas, sveikasirtrupmeninis. Pavyzdžiui, − − Z 1dx=x, Z xdx= x2, Z x2dx= x3; 2 3 Z dx x−1 1 Z dx x−2 1 Z x3/2 2x√x Z dx x1/2 = = , = = , √xdx= = , = =2√x. x2 1 −x x3 2 −2x2 3/2 3 √x 1/2 − − Paskutine˙seformule˙seayrabetkoksteigiamasskaičius. I˛ke˙limas˛idiferencialą. dx= 1d(cx), dx=d(x+c), xadx= 1 dxa+1, dx =dlnx, exdx=dex; c a+1 x dx dx sinxdx= dcosx, cosxdx=dsinx, =darcsinx, =darctgx. − p1 x2 1+x2 − Trečiojeformule˙jeagalibu¯tibetkoksskaičius,nelygus 1: teigiamasirneigiamas,sveikasirtrupmeninis. Pavyzdžiui, − xdx= 1dx2, x2dx= 1dx3, dx = d1, dx = 1d 1 , √xdx= 2dx3/2, dx =2d√x. 2 3 x2 − x x3 −2 x2 3 √x Kintamojokeitiniai. Z p(x) dx integrale: u=x+a; (x+a)m iv Z p(x) dx integrale: u=x+a; (x+a)2+b2 Z R(x, m√x+a)dx integrale: u= m√x+a; Z R(tgx)dx integrale: u=tgx; u=cosx (jeiR(cos, sin)= R(cos,sin)); Z R(cosx,sinx)dx integrale: u=sinx (jeiR( co−s,sin)=−R(cos,sin)); u=tgx (jeiR(−cos, sin)=−R(cos,sin)). − − Netiesioginiaiintegralai. jeif(x) const,kaix ,taiR∞f(x)dxintegralaskonverguoja,kaia>1,irdiverguoja,kaia61; • ∼ xa →∞ const jeif(x) ,kaix c ,taiRcf(x)dxintegralaskonverguoja,kaia<1,irdiverguoja,kaia>1; • ∼ (x c)a → − − const jeif(x) ,kaix c+,taiR f(x)dxintegralaskonverguoja,kaia<1,irdiverguoja,kaia>1. • ∼ (c x)a → c − Eilute˙s. conts • jeian∼ na ,kain→∞,taiPnaneilute˙konverguoja,kaia>1,irdiverguoja,kaia61; • jei n√an→c,kain→∞,taiPnaneilute˙konverguoja,kaic<1,irdiverguoja,kaic>1; • jei anan+1 →c,kain→∞,taiPnaneilute˙konverguoja,kaic<1,irdiverguoja,kaic>1. Stirlingoformule˙. n! √2πnnne−n, (2n)!!=2nn!, (2n+1)!!= (2n+1)! = (2n+1)(2n)!. ∼ (2n)!! 2nn! Daugiamate˙ analize˙ Diferencialas. Jeiy=y(x1,...,xm),tai ∂y ∂y dy= ∂x1dx1+···+∂xmdxm, d2y=Xi ∂∂xy2i2(dxi)2+2iX<j∂x∂i2∂yxjdxidxj, y(x+dx) y(x)+dy+1d2y. ≈ 2 Sude˙tine˙sfunkcijosdiferencijavimas. Jeiy=y(x1,...,xm),tai ∂y = ∂y ∂x1 + + ∂y ∂xm. ∂t ∂x1 ∂t ··· ∂xm ∂t Ekstremumai. Jeiataškeyray=f(x)funkcijosekstremumas,taidf(a)=0,t.y. ∂f ∂f (a)= = (a)=0. ∂x1 ··· ∂xm Jeidf(a)=0,tai: jeid2f(a)>0suvisaisdx=0,taiayralokalausminimumotaškas; • 6 jeid2f(a)<0suvisaisdx=0,taiayralokalausmaksimumotaškas; • 6 jeid2f(a)>0suvienudxird2f(a)<0sukitudx,taiayrabalnotaškas; • kitaisatvejaisreikalingaspapildomastyrimas. • v Silvestrokriterijus. Tegu ϕ(dx,dy)=a11(dx)2+2a12dxdy+a22(dy)2 ir D=(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)aa1112 aa1222(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12). Tada • jeiD>0ira11>0,taiϕ(dx,dy)>0suvisais(dx,dy)6=(0,0); • jeiD>0ira11<0,taiϕ(dx,dy)<0suvisais(dx,dy)6=(0,0); jeiD<0,taiϕ(dx,dy)>0suvienu(dx,dy)irϕ(dx,dy)<0sukitu(dx,dy). • Tegu ϕ(dx,dy,dz)=a11(dx)2+a22(dy)2+a33(dz)2+2a12dxdy+2a13dxdz+2a23dydz. ir D1=a11, D2=(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)aa1112 aa1222(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12), D3=(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)aaa111123 aaa122223 aaa123333(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12). Tada • jeiD1>0,D2>0irD3>0,taiϕ(dx,dy,dz)>0suvisais(dx,dy,dz)6=(0,0,0); • jeiD1<0,D2>0irD3<0,taiϕ(dx,dy,dz)<0suvisais(dx,dy,dz)6=(0,0,0). Matricine˙ notacija. Jeix Rm,tai ∈ 0x11 x=(x1,...,xm)=BB ... CCA6=(cid:0)x1 ··· xm(cid:1). xm Jeiy : Rm R,tai → 0 ∂y 1 ∂x1 y′= ∂(x1,.∂.y.,xm) =(cid:16)∂∂xy1 ··· ∂∂xym(cid:17), ∇y=BBBB ... CCCC=(cid:16)∂∂xy1,...,∂∂xym(cid:17). ∂y A ∂xm Jeiy=(y1,...,yn): Rm→Rn,tai 0∂y1 ∂y1 1 ∂x1 ··· ∂xm y′= ∂∂((xy11,,......,,xymn)) =BBBB ... ... ... CCCC. ∂yn ∂ynA ∂x1 ··· ∂xm Paviršiai. JeiMyrak-matispaviršiusRmerdve˙jeira M,taitamtikraaaplinkaMpoerdvyjeparametrizuojama lygtimis ∈ 8>>><.x1=x1(u1,...,uk), . . >>>:xm=xm(u1,...,uk). Vektoriai ∂(x1,...,xm)(u), i=1,...,k, ∂ui tadasudaroliestiniu˛taškex=x(u)poerdvioTxM bazę. Jeipaviršiusužrašytaslygtimis ϕ1(x)=···=ϕm−k(x)=0, (0.1) taivektoriai ∇ϕj(x), j=1,...,m−k, sudaronormaliu˛poerdviobazętaškex. vi Sąlyginiai ekstremumai. Jeif : M R,oM užrašytas(0.1)lygtimis,taisąlyginiaif funkcijosekstremumai galibu¯titiktaškuosex,kuriuose f(x)yraM→normale˙ xtaške,t.y. ∇ ∇f(x)=λ1∇ϕ1(x)+···+λm−k∇ϕm−k(x) sutamtikraisλ1,...,λm−k∈R. Kritiniaitaškairandamiišsprenduslygčiu˛sistemą 8∂L < (x)=0, i=1,...,m; ∂xi :ϕj(x)=0, j=1,...,m−k; čiaLžymiLagranžofunkcijas: L(x)=f(x)−λ1ϕ1(x)−···−λm−kϕm−k(x). JeiayrakritinistaškasirL—atitinkamaLagranžofunkcija(t.y.funkcija,sukuria L(a)=0),analizuojamosjos antrojodiferencialod2L(a,dx)reikšme˙s,atitinkančiosdx∈TaM,t.y.tokiusdx=(dx1,..∇.,dxm),sukuriais ∂∂ϕx1j(a)dx1+···+∂∂xϕmj (a)dxm=0, j=1,...,m−k. Tada: • jeid2L(a)>0suvisaisdx∈TaM\{0},taiataškeyrafunkcijossąlyginisminimumas; • jeid2L(a)<0suvisaisdx∈TaM\{0},taiataškeyrafunkcijossąlyginismaksimumas; • jeid2L(a)>0suvienudx∈TxM ird2L<0sukitudx∈TxM,ayrasąlyginiobalnotaškas. Orientacijos. Jeia1,...,ak yrabazine˙spaviršiausliestine˙skokiamenorstaške,tai ξ= a1∧···∧ak ka1∧···∧akk yravienaišpaviršiausorientaciju˛tametaške(kitaorientacijayra ξ). Daugialypiaiintegralai. Jeixyrak-matis,y—l-matiskin−tamasisirC Rk+l,tai ⊂ Z Z Z f(x,y)dxdy= dx f(x,y)dy; C A B(x) čia A= x y(x,y) C , B(x)= y (x,y) C . { |∃ ∈ } { | ∈ } Jeix=x(u)yradifeomorfizmastarpO′irOaibiu˛irA O,tai ⊂ Z Z f(x)dx= f(cid:0)x(u)(cid:1)J(u)du; A A′ čia A′= u O′ x(u) A , J(u)=(cid:12)det∂x(u)(cid:12). { ∈ | ∈ } (cid:12) ∂u (cid:12) Poline˙sirsferine˙skoordinate˙s. Jeirirϕyra(x,y)taškopoline˙skoordinate˙s,tai (x =rcosϕ; ′ O = (r,ϕ) r>0, 0<ϕ<2π , ir dxdy=rdrdϕ. y =rsinϕ; { | } Jeir,θirϕyra(x,y,z)taškosferine˙skoordinate˙s,tai 8x =rcosθcosϕ; ><y =rcosθsinϕ; O′= (r,θ,ϕ) r>0, π/2<θ<π/2, 0<ϕ<2π , ir dxdydz=r2cosθdrdθdϕ. { | − } >:z =rsinθ; Oileriofunkcijos. Apibre˙žimas: sux,y>0 Γ(x)=Z∞tx−1e−tdt, B(x,y)=Z1(1 t)x−1ty−1dt. 0 0 − vii Pagrindine˙ssavybe˙s: π Γ(n)=(n 1)!, Γ(x+1)=xΓ(x), Γ(1/2)=√π, Γ(x)Γ(1 x)= ; − − sinπx Γ(x)Γ(y) B(x,y)=B(y,x)= . Γ(x+y) Paviršiniaiintegralai. JeiM yrak-matispaviršiusRm erdve˙je,x=x(u),u U,—joparametrizacija,A M irf : A R,tai ∈ ⊂ → Z Z Z σk(A)= Adσk(x), Af(x)dσk(x)= A′f(cid:0)x(u)(cid:1)J(u)du; čia ′ ∂x(u) A ={u∈U|x(u)∈A}, J(u)=k∂1(u)∧···∧∂k(u)k, ∂i(u)= ∂ui . Kitaformule˙ jakobianuiskaičiuoti: J(u)=qdet(aij(u)); čiaaij(u)=∂i(u)·∂j(u). Atskiriatvejai: m=2, k=1:(x =x(t); J=qx′2(t)+y′2(t); y =y(t); 8x =x(t); m=3, k=1:><y =y(t);J=qx′2(t)+y′2(t)+z′2(t); >:z =z(t); 8x =x(u,v); m=3, k=2:><y =y(u,v); J=pEG F2, − >:z =z(u,v); E=x′u2+yu′2+zu′2, G=x′v2+yv′2+zv′2,F =x′ux′v+yu′yv′ +zu′zv′. Formu˛ integravimas. Tegu M yra k-matisorientuotas paviršiusRm erdve˙je, x = x(u), u U, — jo teigiama parametrizacijairA M. Jei ∈ ⊂ ω= X fi1...ik(x)dxi1...dxik, i1<···<ik tai (cid:12)(cid:12)(cid:12)∂x∂iu11(u) ··· ∂x∂iu1k(u)(cid:12)(cid:12)(cid:12) ZAω=ZA′ω∗(u)du; čiaω∗(u)=i1<X···<ikfi1...ik(cid:0)x(u)(cid:1)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)∂xik...(u) ... ∂xik...(u)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:12). (cid:12) ∂u1 ··· ∂uk (cid:12) Srities krašto išorine˙ orientacija. TeguOyraatvirasRm poaibis,∂O—jokraštoišorine˙ puse˙ irx=x(u)— kokianors∂Oparametrizacija. Tegue1,...,emyrastandartine˙Rmerdve˙sbaze˙,∂i(u)= ∂∂xu(ui) irn(u)—išorine˙krašto normale˙ x(u)taške,t.y.tokianormale˙,kadx(u)+εn(u) Osupakankamaimažaisε. Jeisuvisaisu 6∈ n(u)∧∂1(u)∧···∧∂m−1(u)=c(u)e1∧···∧em sutamtikruc(u)>0,tainagrine˙jamaparametrizacijateigiama. viii Turinys Formule˙s ii Pratarme˙ xiv I Vienmate˙ analize˙ 1 1 Funkciju˛ asimptotika 3 1.1 O ir o simboliai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Asimptotiniu˛ skleidiniu˛ dalyba . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3 Elementariosios funkcijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2 Ribos 37 2.1 Pagrindinis ribu˛ skaičiavimo metodas . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2 Specialu¯s uždaviniu˛ tipai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 ix x 3 Funkciju˛ tyrimas 51 3.1 Grafiku˛ eskizai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2 Išvestine˙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3 Funkciju˛ tyrimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4 Neapibre˙žtinis integralas 87 4.1 Kintamojo keitimo metodas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.1.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2 Racionaliu˛ju˛ funkciju˛ integravimas . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.2.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3 Iracionalios ir trigonometrine˙s funkcijos . . . . . . . . . . . . . 117 4.3.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.3.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.4 Dalinio integravimo metodas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.4.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.4.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.4.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5 Apibre˙žtinis integralas 139 5.1 Niutono-Leibnico formule˙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.1.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.1.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.1.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.2 Netiesioginiai integralai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.1 Teorija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.2 Uždaviniai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5.2.3 Sprendimai ir atsakymai . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Description: