Математический анализ: дифференциальное исчисление

Дифференциальное исчисление

Базовые формулы производных, касательных, нормалей и правил дифференцирования для университетского курса анализа.

60 формул

Таблица формул

Формула Запись Тема Для чего нужна
Производная через предел разностного отношения $f'(x_0)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}$ Пределы, ряды Производная в точке задается пределом разностного отношения и описывает мгновенную скорость изменения функции. Без этой предельной записи производная превращается в набор правил, а не в проверяемое понятие.
Правило суммы производных $\frac{d}{dx}\bigl(f(x)+g(x)\bigr)=f'(x)+g'(x)$ Пределы, ряды Правило суммы говорит, что производную суммы можно находить по частям: отдельно продифференцировать каждое слагаемое и затем сложить результаты.
Правило разности производных $\frac{d}{dx}\bigl(f(x)-g(x)\bigr)=f'(x)-g'(x)$ Пределы, ряды Правило разности позволяет находить производную выражения с минусом по частям: производная разности равна разности производных.
Правило постоянного множителя в производной $\frac{d}{dx}\bigl(c f(x)\bigr)=c f'(x)$ Пределы, ряды Постоянный множитель можно вынести за знак производной: коэффициент перед функцией сохраняется и умножает производную этой функции.
Правило произведения производных $\frac{d}{dx}\bigl(f(x)g(x)\bigr)=f'(x)g(x)+f(x)g'(x)$ Пределы, ряды Производная произведения состоит из двух вкладов: сначала меняется первый множитель при фиксированном втором, затем второй при фиксированном первом.
Правило частного производных $\frac{d}{dx}\left(\frac{f(x)}{g(x)}\right)=\frac{f'(x)g(x)-f(x)g'(x)}{g^2(x)}$ Пределы, ряды Производная частного равна разности двух вкладов в числителе, деленной на квадрат знаменателя: меняется числитель и меняется знаменатель.
Правило сложной функции $\frac{d}{dx}f(g(x))=f'(g(x))\cdot g'(x)$ Пределы, ряды Правило сложной функции, или правило цепочки, говорит: производная внешней функции берется в внутреннем выражении и умножается на производную внутренней функции.
Производная обратной функции $(f^{-1})'(y_0)=\frac{1}{f'(x_0)},\quad y_0=f(x_0),\ f'(x_0)\ne 0$ Пределы, ряды Производная обратной функции равна обратной величине производной исходной функции в соответствующей точке, если исходная производная не равна нулю.
Логарифмическая производная $\frac{d}{dx}\ln y=\frac{y'}{y},\quad y'=y\frac{d}{dx}\ln y$ Пределы, ряды Логарифмическая производная переводит произведения, степени и частные в суммы и разности, а затем возвращает обычную производную умножением на y.
Производная неявной функции $\frac{dy}{dx}=-\frac{F_x(x,y)}{F_y(x,y)},\quad F_y(x,y)\ne 0$ Пределы, ряды Если связь между x и y задана уравнением F(x,y)=0, производную y по x можно найти через частные производные F_x и F_y без явного решения уравнения.
Производная параметрической кривой через параметр $\frac{dy}{dx}=\frac{dy/dt}{dx/dt},\quad \frac{dx}{dt}\ne 0$ Пределы, ряды Если кривая задана параметром t, ее наклон в координатах x-y равен отношению скорости изменения y к скорости изменения x.
Касательная как линейная модель $f(x_0+\Delta x)\approx f(x_0)+f'(x_0)\Delta x$ Пределы, ряды Касательная в прикладной постановке нужна не только как прямая на чертеже, но и как локальная линейная замена функции. Формула позволяет быстро оценивать малое изменение величины, если известны значение функции и ее производная в одной точке.
Нормаль как прикладное перпендикулярное направление $\vec n=(-f'(x_0),1),\quad y-f(x_0)=-\frac{1}{f'(x_0)}(x-x_0),\quad f'(x_0)\neq 0$ Пределы, ряды Нормаль удобно рассматривать как прикладное перпендикулярное направление к графику. Она нужна там, где важно не само касание, а ось, сила, отражение или геометрическая связь, задаваемая прямым углом к касательной.
Возрастание и убывание через знак производной $f'(x)>0\Rightarrow f \text{ возрастает},\qquad f'(x)<0\Rightarrow f \text{ убывает}$ Пределы, ряды Знак первой производной переводит локальный наклон в глобальный вывод о монотонности. По нему удобно строить интервалы возрастания и убывания, не перебирая значения функции вручную на каждом отрезке.
Критические точки функции $x_c:\ f'(x_c)=0\ \text{или}\ f'(x_c)\text{ не существует}$ Пределы, ряды Критические точки - это кандидаты на экстремумы, перегибы и другие заметные особенности графика. Они возникают там, где производная обнуляется или вообще не определена, поэтому именно с них удобно начинать исследование функции.
Необходимое условие экстремума $f'(x_0)=0\quad \text{если }x_0\text{ - внутренняя точка экстремума и }f\text{ дифференцируема в }x_0$ Пределы, ряды Если функция имеет внутренний экстремум и в этой точке дифференцируема, ее производная обязана быть нулем. Это необходимое, но не достаточное условие, поэтому оно помогает отсеять лишние точки перед более точной проверкой.
Достаточный признак экстремума по смене знака производной $f'(x):\ +\to-\Rightarrow \text{локальный максимум},\qquad f'(x):\ -\to+\Rightarrow \text{локальный минимум}$ Пределы, ряды Смена знака первой производной дает уже достаточный вывод об экстремуме. Если функция переходит от роста к убыванию, возникает максимум; если от убывания к росту, получается минимум.
Вторая производная как мера изменения наклона $f''(x)=\frac{d}{dx}f'(x)=\frac{d^2f}{dx^2}$ Пределы, ряды Вторая производная показывает, как меняется сам наклон графика. Она связывает первую производную с кривизной поведения функции и подсказывает, ускоряется ли рост наклона или, наоборот, он выравнивается.
Выпуклость и вогнутость графика $f''(x)>0\Rightarrow \text{график выпукл вверх},\qquad f''(x)<0\Rightarrow \text{график выпукл вниз}$ Пределы, ряды Знак второй производной описывает, как изгибается график: вверх или вниз. Это помогает понять форму кривой глубже, чем один только знак первой производной, потому что уже речь идет не о движении, а о характере изгиба.
Точка перегиба $x_0\text{ - точка перегиба}\iff f''(x)\text{ меняет знак в }x_0$ Пределы, ряды Точка перегиба - это место, где график меняет выпуклость. Для надежного вывода нужно не только заметить ноль второй производной, но и проверить смену ее знака по обе стороны точки.
Схема исследования функции $D(f)\to f'(x)\to \text{знак }f'\to f''(x)\to \text{знак }f''\to \text{вывод о графике}$ Пределы, ряды Полная схема исследования функции объединяет область определения, производные, знаки, экстремумы, выпуклость и перегиб. Это рабочий алгоритм, который превращает сложную кривую в последовательность понятных проверок.
Понятие первообразной и связь с производной $F'(x)=f(x)$ Пределы, ряды Первообразная — это функция F(x), производная которой совпадает с исходной функцией f(x) на данном промежутке. В практическом смысле это обратное действие к дифференцированию: вместо того, чтобы искать скорость изменения, мы восстанавливаем функцию по известной скорости. Для непрерывной на интервале f(x) первообразная существует на каждом связном подотрезке этого интервала и определяется с точностью до добавления постоянной. Любая другая первообразная той же функции отличается от F(x) на константу. Это базовое понятие запускает блок неопределённого интегрирования.
Обозначение неопределённого интеграла $\int f(x) \,dx = F(x)+C$ Пределы, ряды Неопределённый интеграл — это запись класса всех первообразных функции f(x). В отличие от определённого интеграла, здесь не стоит предел интегрирования, и результат всегда даёт семейство функций, отличающихся константой. Запись \(\int f(x)dx\) является краткой формой для «все функции F, у которых производная равна f». Такая форма сохраняет единый смысл в вычислениях и упрощает использование правил интегрирования.
Линейность неопределенного интеграла $\int (\alpha f(x)+\beta g(x))\,dx = \alpha\int f(x)\,dx + \beta\int g(x)\,dx$ Пределы, ряды Линейность позволяет переносить константы и разносить сумму под интегральным знаком. Это одно из базовых правил вычисления неопределенных интегралов, напрямую вытекающее из линейности производной в обратную сторону. Если интеграл от суммы разложить на сумму интегралов, заметно упрощается вычисление и сводятся сложные выражения к базовым формам.
Правило интегрирования степени \int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}+C,\; n\neq -1 Пределы, ряды Это базовая формула для степенных функций, обратная производной степени x^{n+1}. Важное условие: показатель n не равен −1, иначе интеграл сводится к \(\ln|x|\). Формула ускоряет интегрирование многочленов и большинства рациональных выражений после разложения.
Интеграл от 1/x и логарифмическая форма $\int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x|+C$ Пределы, ряды Интеграл от обратной функции 1/x — особый ключевой случай. Здесь формула степенного правила неприменима, потому что показатель равен −1, для которого получаем логарифм. Знак модуля делает ответ корректным на интервалах x>0 и x<0 и показывает, что первообразная определена с учётом области.
Интеграл экспоненциальной функции \int e^{kx} \,dx = \frac{e^{kx}}{k}+C,\; k\neq 0 Пределы, ряды Экспоненциальная функция интегрируется обратно почти в себя: интеграл e^{kx} даёт e^{kx}/k. Эта формула — центральная для дифференциальных уравнений, финансовых и физических задач, где процессы роста и затухания описываются показательной зависимостью. Необходимо учитывать коэффициент k в знаменателе.
Интегралы синуса и косинуса $\int \sin x\,dx = -\cos x + C, \quad \int \cos x\,dx = \sin x + C$ Пределы, ряды Интегралы тригонометрических базовых функций сводятся к взаимной смене функций с поправкой знака: производная косинуса даёт минус синус, а синуса — косинус. Поэтому интеграл синуса даёт -cos x + C, а косинуса — sin x + C.
Метод подстановки в интегрировании $\int f(g(x))g'(x)\,dx = \int f(u)\,du, \quad u=g(x)$ Пределы, ряды Подстановка (или метод замены переменной) переносит интеграл к более удобной переменной. Идея: если подынтегральное выражение содержит композицию f(g(x)) и рядом стоит производная g'(x), делаем замену u=g(x), тогда dx заменяется через du. Это переводит задачу в более простую форму.
Интегрирование по частям $\int u\,dv = uv - \int v\,du$ Пределы, ряды Интегрирование по частям — это обратное правило произведения для производных. Когда подынтегральное выражение является произведением двух функций, один из множителей берут для дифференцирования, другой — для интегрирования, чтобы упростить вычисление. Правило основано на формуле (uv)'=u'v+uv'.
Константа интегрирования и класс решений $\frac{d}{dx}(F(x)+C)=f(x)$ Пределы, ряды Константа интегрирования C фиксирует неопределенность, возникающую при переходе от производной к исходной функции. Любая первообразная отличается от другой ровно на добавление постоянной. В задаче с начальными условиями C позволяет выбрать конкретный представитель класса.
Формула Ньютона-Лейбница $\int_a^b f(x)\,dx = F(b)-F(a),\quad F'(x)=f(x)$ Пределы, ряды Смысл формулы: если есть первообразная F функции f, определённая на отрезке [a,b], то определённый интеграл на этом отрезке равен разности значений первообразной на концах.
Функция накопления $F(x)=\int_a^x f(t)\,dt$ Пределы, ряды Функция накопления задаёт площадь отрезка от фиксированной точки a до переменного x и связывает площадь с первообразной.
Площадь под графиком $S = \int_a^b f(x)\,dx$ Пределы, ряды Сформулировка площади (с учётом знака) для функции на отрезке [a,b] при геометрической интерпретации как интегральной суммы.
Свойства определенного интеграла $\int_a^b f(x)dx = -\int_b^a f(x)dx, \quad \int_a^a f(x)dx=0, \quad \int_a^b (f\pm g)dx=\int_a^b fdx \pm \int_a^b gdx$ Пределы, ряды Набор базовых алгебраических свойств определенного интеграла: линейность, смена знаков пределов, нулевой интеграл на пустом отрезке.
Аддитивность на промежутке $\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^c f(x)\,dx + \int_c^b f(x)\,dx$ Пределы, ряды Интеграл по большому отрезку равен сумме интегралов по частям, если c принадлежит [a,b]. Эта страница показывает не только формулу, но и условия ее применения, типичные ошибки и связь с соседними правилами определенного интеграла.
Среднее значение функции на отрезке $f_{\text{ср}} = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx$ Пределы, ряды Формула среднего значения связывает значение функции на отрезке с ее интегралом и даёт характеристику типичного уровня функции на [a,b].
Подстановка в определенном интеграле $\int_a^b f(g(x))g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du,\quad u=g(x)$ Пределы, ряды Подстановка меняет переменную в определенном интеграле и меняет также пределы интегрирования на соответствующие значения новой переменной.
Интегрирование по частям в определенном интеграле $\int_a^b u\,dv = \left.uv\right|_a^b - \int_a^b v\,du$ Пределы, ряды Интегрирование по частям переносит дифференцирование с одного фактора на другой, удобно для произведений функций. Эта страница показывает не только формулу, но и условия ее применения, типичные ошибки и связь с соседними правилами определенного интеграла.
Частные производные функции двух переменных $f_x(a,b)=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h},\quad f_y(a,b)=\lim_{k\to0}\frac{f(a,b+k)-f(a,b)}{k}$ Пределы, ряды Частная производная показывает скорость изменения функции по одной переменной при фиксированной второй переменной, то есть локальный наклон сечения поверхности.
Градиент функции двух переменных $\nabla f(a,b)=(f_x(a,b), f_y(a,b))$ Пределы, ряды Градиент собирает частные производные в вектор и показывает направление наибольшего локального роста функции двух переменных.
Полный дифференциал функции двух переменных $df(a,b)=f_x(a,b)\,dx+f_y(a,b)\,dy$ Пределы, ряды Полный дифференциал задает линейную главную часть изменения функции при малых одновременных изменениях x и y.
Касательная плоскость к графику z=f(x,y) $z=f(a,b)+f_x(a,b)(x-a)+f_y(a,b)(y-b)$ Пределы, ряды Касательная плоскость к графику z=f(x,y) дает линейное приближение поверхности около точки через значения частных производных.
Необходимые условия экстремума для двух переменных $\nabla f(a,b)=(0,0)$ Пределы, ряды Необходимые условия экстремума требуют, чтобы в гладкой внутренней точке локального максимума или минимума обе частные производные обращались в ноль.
Критерий Гессе для двух переменных D=f_{xx}(a,b)f_{yy}(a,b)-f_{xy}(a,b)^2; D>0, f_{xx}>0 \Rightarrow min; D>0, f_{xx}<0 \Rightarrow max; D<0 \Rightarrow saddle Пределы, ряды Критерий Гессе классифицирует стационарную точку функции двух переменных через вторые производные и определитель матрицы Гессе.
Якобиан для смены переменных $J=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}x_u & x_v\\ y_u & y_v\end{vmatrix},\quad dA_{xy}=|J|dA_{uv}$ Пределы, ряды Якобиан показывает локальный коэффициент изменения площади или объема при замене переменных и входит в формулу кратных интегралов.
Двойной интеграл по области $\iint_D f(x,y)\,dA=\lim_{\max\Delta A_i\to0}\sum_i f(\xi_i,\eta_i)\,\Delta A_i$ Пределы, ряды Двойной интеграл складывает значения функции по плоской области и дает общий вклад распределенной величины. Страница показывает не только запись формулы, но и смысл области интегрирования, элемента меры и типичных ограничений метода.
Повторный интеграл $\iint_D f(x,y)\,dA=\int_a^b\int_{\alpha(x)}^{\beta(x)} f(x,y)\,dy\,dx=\int_c^d\int_{\gamma(y)}^{\delta(y)} f(x,y)\,dx\,dy$ Пределы, ряды Повторный интеграл записывает двойной интеграл как два обычных интегрирования по подходящим пределам. Страница показывает не только запись формулы, но и смысл области интегрирования, элемента меры и типичных ограничений метода.
Якобиан замены координат $J=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}x_u & x_v\\ y_u & y_v\end{vmatrix},\qquad dA_{xy}=|J|\,dA_{uv}$ Пределы, ряды Якобиан измеряет, во сколько раз локально растягивается или сжимается площадь или объем при замене переменных. Страница показывает не только запись формулы, но и смысл области интегрирования, элемента меры и типичных ограничений метода.
Криволинейный интеграл первого рода $\int_C f\,ds=\int_a^b f(\mathbf r(t))\,\|\mathbf r'(t)\|\,dt$ Пределы, ряды Криволинейный интеграл 1 рода суммирует скалярную функцию вдоль кривой, взвешивая ее значение элементом длины дуги. Он применяется, когда величина распределена по траектории: плотность по дороге, массовая распределенность вдоль проволоки или среднее значение по контуру.
Криволинейный интеграл второго рода $\int_C \mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_a^b \left(P\,x'(t)+Q\,y'(t)+R\,z'(t)\right)dt$ Пределы, ряды Криволинейный интеграл 2 рода учитывает направление движения вдоль траектории. Его удобно записывать как интеграл скалярного произведения векторного поля с дифференциалом перемещения, поэтому он чувствителен к ориентации и может быть положительным или отрицательным.
Дивергенция векторного поля $\nabla\cdot\mathbf F=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}$ Пределы, ряды Дивергенция измеряет локальную плотность источников и стоков поля: насколько в этой точке поле «вытекает» или «втягивается» из окрестности. Она служит точной связкой между локальной производной поля и глобальным потоком через границу.
Ротор векторного поля \nabla\times\mathbf F=\left(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z},\;\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x},\;\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right) Пределы, ряды Ротор описывает локальную циркуляцию (вихревость) поля. Он показывает, в каком направлении и с какой интенсивностью маленький элемент среды «крутится» под действием поля в окрестности точки.
Теорема Грина $\oint_{\partial D} P\,dx+Q\,dy=\iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)dA$ Пределы, ряды Теорема Грина связывает ориентированный интеграл по замкнутому контуру с двойным интегралом по области в плоскости. Это ключевая связь между циркуляцией по границе и «внутренней» завихренностью через Q_x−P_y.
Теорема Стокса $\iint_S (\nabla\times\mathbf F)\cdot \mathbf n\,dS=\oint_{\partial S}\mathbf F\cdot d\mathbf r$ Пределы, ряды Теорема Стокса связывает поток ротора через поверхность с интегралом 2 рода по ее ориентированному краю. Она обобщает идею Грина на трехмерные поверхности и связывает локальную завихренность с граничной циркуляцией.
Потенциальное поле и независимость пути \mathbf F=\nabla\varphi \Rightarrow \int_C \mathbf F\cdot d\mathbf r=\varphi(B)-\varphi(A),\;\nabla\times\mathbf F=0\;\text{в односвязной области} Пределы, ряды Поле называется потенциальным, если его криволинейный интеграл 2 рода зависит только от концов пути. В такой ситуации интеграл по любому замкнутому контуру равен нулю, а поле представляется градиентом потенциала.
Формула Тейлора с остаточным членом $f(x)=\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+R_n(x),\quad R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}$ Пределы, ряды Формула Тейлора описывает функцию через начальные производные в точке a и остаточный член, который контролирует точность обрезки. В задачах это даёт не только аппроксимацию, но и механизм проверки погрешности через ξ между a и x. Такой подход делает разложение вычислительно безопасным.
Ряд Маклорена для e^x $e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!},\quad x\in\mathbb R$ Пределы, ряды Это базовый специальный случай Тейлора в точке a=0. Ключевой плюс разложения в нуле — все производные e^x в 0 равны 1, поэтому коэффициенты просты и серия даёт очень удобную рабочую модель для вычислений, линейных аппроксимаций и решения задач на оценку роста.
Ряд Маклорена для sin x $\sin x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!},\quad x\in\mathbb R$ Пределы, ряды Маклореновский ряд синуса — стандартное чередующееся разложение с только нечётными степенями. Это делает его удобным для численного приближения на малых x и для сравнения с рядом косинуса в задачах на дифференцирование и интегрирование.
Дифференцирование и интегрирование степенных рядов $f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-a)^n \Rightarrow f'(x)=\sum_{n=1}^{\infty} n a_n(x-a)^{n-1},\quad \int f(x)\,dx=C+\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_n}{n+1}(x-a)^{n+1}$ Пределы, ряды Внутри круга сходимости степень по степеням можно дифференцировать и интегрировать член за членом, сохраняя тот же центр и радиус сходимости. Это делает ряды удобным вычислительным контуром: сложная функция заменяется полиномиальной моделью, которая легко подвергается операциям.