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AP微积分考试满分高招

数论是一门学科,也是我的人生。有人把酒论英雄,我用数字描天下。
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每年的AP各科考试都在5月的第一、二两周举行;今年的AP Calculus考试在5月9日上午8点。AP意指Advanced Placement, 也就是大学内容提前考;通过的话,到了大学里,这门课就不用学了。AP Calculus AB时长3小时,分为两节:第一节105分钟,Part A 60分钟,30道选择题,不准用计算器;Part B 45分钟,15道选择题,可用计算器。第二节90分钟,Part A 30分钟,2道自由作答题,可用计算器;Part B 60分钟,4道自由作答题,不可用计算器。AP Calculus BC,时长与格式与AB一样,只是内容上增加了微分方程和无穷级数。考过BC的,也会有一个AB的分数。

从时间上来看,选择题2或3分钟一道;写过程的题,15分钟一道。计算器只用于积分计算,当被积函数的原函数不是初等函数的时候,可以给出一个数值答案。计算器不会算极限,更不会列方程式;它不懂收敛性的判定,也不懂得微元法。即使是计算题,如果知道方法的话,手算更快一些。

选择题自然都是些计算与判断。计算的内容有:(1)函数和数列的极限、极值,(2)导数、变化率,(3)不定积分,(4)定积分与非正常积分及其几何、物理应用,(5)无穷级数的和,(6)微分方程的解。判断题有(1)极限存在性、收敛性,(2)连续性、可微性,(3)单调性、凹凸性,(4)函数的实零点、渐近线。写过程的题目范围有,(1)列方程、求变化率,(2)解微分方程、积分方程,或者一般的函数方程,(3)函数作图(全过程),(4)零点(解)的存在性证明,

微分学最基本的、也是最难的概念和计算是极限;它的理论建立在一个基本公理上:单调有界序列必有极限。由此可以推出自然底数e的存在性;再由两边夹定理可以推出指数函数、对数函数的基本极限公式:当x→0时,(e^x – 1)/x,及 ln(x + 1)/x的极限都是1。还有sinx/x的极限也是1,如果x以幅度为单位。自此,16个基本初等函数的0/0型极限都可以算出。极限计算有加、减、乘、除四则运算法则。极限的ε-δ定义很难理解,中学里的师生们一般不会去碰它,而是把这个头痛留到大学里去煎熬。

一个变量相对于另一个变量的瞬时变化率就是一个0/0型的极限,如果存在的话,又称为导数或者微商。有四种情形,函数不可微(导数不存在):函数不连续、左/右极限不相等、极限值为无穷大、函数周期性振荡。连续指的是极限值等于函数值;初等函数(16个基本初等函数经过有限次的加、减、乘、除、复合运算所得)在其定义开区间上都是连续的。闭区间上的连续函数具有有界性、有最大/小值、有介值定理成立。

基本的导数公式有16个(常数、幂、指数、对数、6个三角函数、6个反三角函数),计算法则有五条(加、减、乘、除、链),再加三种特殊函数(隐函数、参数函数、分段函数)的导数计算方法,导数计算就齐活了。为了应用,还得需要5个中值定理:Fermat定理、Rolle定理、Lagrange定理、Cauchy定理、Taylor展开公式;由此可以推出:单调性判定、极值原理、凹凸性判定、实零点定位、L’hopital法则等,可用于证明恒等式/不等式、解方程、求极限、最优化、近似计算、函数作图,应用也全了。

总括极限计算的方法有:(1)L’hopital法则,(2)等价(高阶)无穷小代换,(3)换元,(4)根式共扼,(5)单调有界定理,(6)四则运算法则,(7)两边夹定理,(8)Stolz定理(离散型的L’hopital法则),(9)欧拉求和公式(需要积分)。

积分学的最基本、也是最难的概念是微元。其实,微元的概念早于微商的概念而诞生。人们为了计算一些连续的、不规则的密度分布f(x),先把它细分、累加(作黎曼和 sigma(f(xi)Δxi),再取极限:让每一个小块缩成一点,自然就得到了准确值(记为s(f(x)dx: a ≤x≤b)。那个近似的黎曼和的极限的存在性,需要由函数的连续性、或者单调有界性来保证。在实变函数中,数学家们才弄明白,黎曼可积的充分必要条件是,函数的不连续点构成的集合,其Lebesgue测度为零。

按照和式的运算法则,可以推出黎曼积分的线性运算公式、分段计算公式,比较不等式,以及积分中值定理。

微积分基本定理揭示了积分值与反导数的关系:s(f(x)dx: a ≤ x ≤ b) = F(b) – F(a),其中,F(x)必须在闭区间[a, b]中连续,而且其导函数就是f(x)。此式又被称为Newton-Leibniz公式,有多种不同的证明方法。其中一种是引入变限积分式g(x) = s(f(t)dt: a ≤ t ≤ x),当f(t)为连续函数时,g(x)可微,而且它的导数就等于f(x)。另一种证明方法是,在黎曼和式中,根据Lagrange中值定理,取一个特殊的分点,由拆项法可以直接算出黎曼和的值。

一个函数f(x)的不定积分,指的是其所有反导数/原函数的全体,用记号s(f(x)dx)表示。根据Lagrange中值定理,这些原函数仅相差一个常数,故记为s(f(x)dx) = F(x) + C,C是积分常数。这里的dx到底是什么呢?自变量x的微小改变量,或称微元;f(x)dx就是F(x)的微元dF(x),或者说f(x)是微商:dF(x)/dx。一个直观的理解就是,把求导数的Leibniz记号看成两个式子相除,如果不想卷入微分的严格定义的话。

积分的运算法则就是把导数的运算法则倒过来写。比如,du + dv = d(u + v),udv + vdu = d(uv),udv – vdu = u^2d(v/u), f’(u)du = df(u),其中的u, v是任意表达式。等式两边同时积分时,当积分号s碰到微分号d时,互相抵消即可:s(d(u)) = u + C,d(s(u)) = u。积分与微分,就是一对互逆的运算。由此可以导出两种积分方法,一是分部积分法,s(udv) = uv + C – s(vdu);需要vdu比udv更简单,至少不能更麻烦。二是换元积分法,在积分s(f(x)dx)中,可以设x = g(t),直接代入得s(f(g(t))g’(t)dt),然后对变量t进行积分;这其实就是链式求导法则的翻版。如何选择函数g呢?只有一个目的,就是要简化被积函数f(x)。

一些特定类型函数的积分,需要特殊的技巧。有理函数,必须得先分解为部分分式;平方根式,可以用三角函数代换、或者欧拉代换去掉根式;三角有理式,可以用半角代换化为有理函数。遇到对数、反三角函数时,一般把它直接代换出来。幂指函数,不论求导或积分,都是取对数加底数:f(x)^g(x) = e^(g(x)lnf(x))。分段函数的微积分,需要分段计算,然后统一积分常数,使其连续。

需要明白一点的是:绝大多数函数的原函数,不是初等函数!也就是说,不能用那16个基本初等函数,经过有限次的五种运算,表示出来;除非用到无穷级数。当然,这种问题多半不会考的。在一些定积分中,如果被积函数具有某种对称性,比如奇偶性、周期性,那么,经过某种代换,即使原函数非初等,定积分的准确值,也是可以计算出来的。

在定积分的几何、物理应用中,弧长、面积、体积、表面积,功能、流量、静力矩、重心、转动惯量、行程等等,公式太多,不同的形状有不同的表达式,死记公式是不现实的。唯一的办法是掌握微元法:分小块,算近似值f(x)dx,做积分s(f(x)dx: a ≤ x ≤ b)。原函数算不出的,再用计算器。

在无穷级数sigma(a(n): n = 1,2, …, ) 中,需要做三件事情:收敛性判定、级数求和、函数表示为幂级数(或三角级数)。级数收敛的必要条件是,一般项a(n)当n趋于无穷大时为无穷小。充分必要条件有Cauchy准则(未学ε-N语言者不会用),正项级数则用单调有界公理。充分条件有十几种,包括正项级数的部分和有界、比较判别法、极限形式的比较判别法、比值法、根值法、积分判别法,交错级数的Dirichlet判别法,一般级数的Dirichlet判别法、以及Abel判别法,绝对收敛必定收敛。笼统来说,就是要|a(n)|充分小,级数才能收敛。可以与1/n比较:更高阶的无穷小,或者与(1/n)^p,(p>1)同阶者,必定绝对收敛;与1/[n(ln^q(n))]同阶者,需要q>1才收敛。如果无穷小的阶比几何级数r^n (|r|

级数求和的方法少得可怜。除了(1)加项是R(n)*r^n的级数之外(R(n)为n的有理式,可包含n! 在分母中 ),(2)可拆项的级数,即a(n) = b(n) – b(n+1)者,其它收敛级数的和都不是初等函数;能够用欧拉求和公式表示为收敛的广义积分,已堪称完美。条件收敛的级数,可以交换各项的位置,让它收敛于任何一个数,也可以让它发散到正无穷大或者负无穷大。

把一个初等函数展开为幂级数,可以套用Taylor公式,但最快的办法,还是先把它写为部分分式、幂函数、指数式、正/余弦函数的线性组合。如果会用复数的欧拉公式的话,三角函数都可省。幂积数的乘法,按幂次累加即可;除法与普通的长除法无异,如果会用待定系数法去找递推公式,则已完善。幂级数在其收敛区间上,可以逐项求导和积分。

把一个周期函数展开为正/余弦级数(Fourier),只要使用待定系数法,记住三角函数的正交性即可。其收敛性由Dirichlet定理确定。Fourier级数可以逐项积分,即使它是发散的。到了实变函数中才知道,Fourier级数只不过是L^2函数空间的一个子类。

在一阶常微分方程部分,解的存在性由欧拉方法演示。在方向场中,按指定的步长前进,形成一系列的折线;当步长趋于零时,折线就变成了一条连续的曲线。初值问题的唯一性,可由李亚普罗夫条件保证。解法上,只有两种类型,变量分离方程和线性方程,积分曲线可以用积分式表出。对于y’=f(x)g(y)者,写为dy/g(y) = f(x)dx后,两边同时积分即可;对于线性方程,y’ +p(x)y = q(x),通常采用积分因子法求解:两边同时乘以一个待定函数I(x),使得左边可以配成一个导函数 (Iy)’,I所满足的,是一个变量分离型方程;然后两边同时对x积分即可。

其它类型的一阶方程,如Bernoulli方程,齐次方程,全微分方程,参数方程等,其解法是特定的,但没有必要逐个去记。只要一边凑微分,一边换元,变到变量分离或者线性,就可解出。当然,并非任何一个方程的积分曲线都可以用积分表出。

在微分方程的应用中,如果问题给出了显式方程,如电路方程,力学运动方程,化学反应速率,只需直接求解。但是,一些几何切线问题、面积问题,化学混合问题,液流问题,等等,需要自己先列方程。切线斜率就是导数,曲线的曲率表示的是切线的变化率,有公式可套:|y”|/[(1 + (y’)^2)]^(3/2);面积也有积分式可表,按要求写出等式即可。现实中的运动、流量问题,列方程的唯一依据就是流体连续、物质守恒。纯粹实验性的结果,是不会出现在数学考试当中的。

以上内容不少,除了一般方法,还有一些技巧,但只要适当练习,完全可以熟练掌握。内容得靠记,方法靠理解,这样才能快速答题。要在AP中得满分,也不是每道题都答对,可以错个三、五题;何况那些些写过程的问题,全凭阅卷者一时的心态。写得工整点,思路清晰点,完全可以得满分!

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