微积分学习笔记(一)极限、导数

等价无穷小与等价无穷大

很多时候“封底估算”比实际计算来的方便,因为我们只关系“大头”,而不关心对结果无关紧要的“零头”,比如:

三生三世≈10^{10}秒

宇宙至今≈10^{21}秒

极限也是同样的道理,当取极限的时候,“大头”与“零头”相差无限大,以至于“零头”对结果毫无影响。

x \rightarrow +\infty 时:

x^2+2x^3+3x^4 \sim 3x^4

因为 3x^4 是“大头”, x^2+2x^3 是“零头”。

x \rightarrow 0 时:

x^2+2x^3+3x^4 \sim x^2

因为 x^2 是“大头”, 2x^3+3x^4 是“零头”,当 x \rightarrow 0 时的“零头”称为极大无穷小,记作 o(x^n) 。所以也可以写成:

x^2+2x^3+3x^4 = x^2+o(x^2)

常用等价无穷小

\begin{array} {|c|} \hline \sin x \sim x\\ \hline \tan x \sim x\\ \hline \arcsin x \sim x\\ \hline \arctan x \sim x\\ \hline \ln (1+x) \sim x\\ \hline e^{x}-1 \sim x\\ \hline \cos x -1 \sim -\frac { 1 } { 2 }x ^ { 2 }\\ \hline \end{array}

通过对 \ln (1+x) \sim x 的逆用,可得到:

\begin{array} {|c|} \hline \cos ^ { a } x -1 \sim -\frac { a} { 2 }x ^ { 2 }\\ \hline a^{x}-1 \sim x \ln a\\ \hline (1+\alpha(x))^{\beta(x)}-1\sim \alpha(x) \beta(x)\\ \hline \end{array}

这三个等价无穷小的结论要求会证明,下面是个例子:

\begin{align} I=&\lim_{x\to0}\frac{\cos^\alpha x-1}{x^2}\\ =&\lim_{x\to0}\frac{\ln[1+(\cos^\alpha x-1)]}{x^2}\\ =&\lim_{x\to0}\frac{\alpha\ln\cos x}{x^2}\\ =&\alpha\lim_{x\to0}\frac{\ln[1+(\cos x-1)]}{x^2}\\ =&\alpha\lim_{x\to0}\frac{\cos x-1}{x^2}\\ =&-\frac{\alpha}2 \end{align}

何时能用等价无穷小

x\rightarrow 0 时, x 的高次项会被忽略,只关注 x 的低次项即可。这也是等价无穷小的原理,只留了 x 的低次项。例如, \sin x 的等价无穷小为:

\sin x\sim x

但是如果分子或分母中出现了加减法, x 的低次项可能会改变,所以就不能直接用等价无穷小,例如:

\lim_{x \rightarrow 0} \frac{x-\sin x}{x^3}

分子中 x 被加减法抵消掉了, -\frac{x^{3}}{3 !} 成为分子中 x 最低次项,这里要用泰勒公式:

\lim_{x \rightarrow 0} \frac{x-\sin x}{x^3} = \frac{x-(x-\frac{x^{3}}{3 !})}{x^3} = \frac{1}{6}

对于乘除关系,不存在 x 低次项被加减抵消的情况,所以可以直接用等价无穷小。

总的规则是,乘除关系可以直接用等价无穷小替换;加减关系应该使用泰勒公式。

泰勒公式

泰勒公式只需要熟记这3个公式:

e^{x}=1+x+\frac{x^{2}}{2 !}+\cdots

\sin x=x-\frac{x^{3}}{3 !}+\cdots

\frac{1}{1-x}=1+x+x^{2}+\cdots \quad \text{(等比数列前n项和)}

\cos x 可以由 \sin x 求导得出, \tan x 可以由 \sin x \cos x 多项式除法得出:

\cos x=1-\frac{x^{2}}{2 !}+\cdots

\tan x=x+\frac{x^{3}}{3}+\cdots

\frac{1}{1-x} 可得 \frac{1}{1+x} \frac{1}{1+x^2} :

\frac{1}{1+x}=1-x+x^{2}+\cdots

\frac{1}{1+x^2}=1-x^2+x^{4}+\cdots

\frac{1}{1+x} 积分可得 \ln (1+x) :

\ln (1+x)=x-\frac{x^{2}}{2}+\cdots

\arcsin x \arctan x \sin x \tan x 第二项差了一个符号:

\arcsin x=x+\frac{x^{3}}{3 !}+\cdots

\arctan x=x-\frac{x^{3}}{3}+\cdots

求导公式

\begin{array} {|c|c|} \hline \left( x ^ a \right) ^ { \prime } = a x ^ { a - 1 } \\(\sqrt{x})^{\prime}=\frac{1}{2 \sqrt{x}}\\ \left(\frac{1}{x}\right)^{\prime}=-\frac{1}{x^{2}} \\ \hline ( \tan x ) ^ { \prime } =\frac{1}{ \cos ^ { 2 }x} =1+\tan^2 x\\ ( \cos x ) ^ { \prime } = - \sin x \\ ( \sin x ) ^ { \prime } = \cos x \\ \hline \left( \log _ { a } x \right) ^ { \prime } = \frac { 1 } { x \ln a } \\ \left( \ln x \right) ^ { \prime } = \frac{1}{x} \\ \hline \left( a ^ { x } \right) ^ { \prime } = a ^ { x } \ln a \\\left( e ^ { x } \right) ^ { \prime } = e ^ { x } \\ \hline \end{array}

对于反三角函数的导数难于记忆,我们可以记忆其推导方法:
y = \sin x
y^{\prime} = \frac{dy}{dx} = \cos x

x = \arcsin y
x^{\prime} =\frac{dx}{dy} = \frac{1}{\cos x} = \frac{1}{\sqrt{1-\sin^2 x}} = \frac{1}{\sqrt{1-y^2}}

常用的反三角函数导数:

\begin{array} {|c|c|} \hline ( \operatorname { arccot } x ) ^ { \prime } = - \frac { 1 } { 1 + x ^ { 2 } } \\ ( \arctan x ) ^ { \prime } = \frac { 1 } { 1 + x ^ { 2 } } \\ ( \arccos x ) ^ { \prime } = - \frac { 1 } { \sqrt { 1 - x ^ { 2 } } } \\ (\arcsin x ) ^ { \prime } = \frac { 1 } { \sqrt { 1 - x ^ { 2 } } } \\ \hline \end{array}

还有几个不常用的,用的时候现推导也行。

\begin{array} {|c|c|} \hline \left( x ^ { x } \right) ^ { \prime } = ( 1 + \ln x ) x ^ { x } \\ ( \csc x ) ^ { \prime } = - \csc x \cot x \\ ( \sec x ) ^ { \prime } = \sec x \tan x \\ ( \cot x ) ^ { \prime } = - \csc ^ { 2 } x\\ \hline \end{array}

posted @ 2025/07/02 04:44:59