在考研数学一二三中,有一些常见的超纲方法,利用它们可以更快的解题或者帮助记忆一些结论。本文主要总结了一些超纲方法与结论,并附上相关的例题。
这些题目可通过考纲内的方法解出,读者需要注意不要舍本逐末,先确保不用超纲方法会做。
极限
Stolz 定理
例题:
Stolz 定理:设数列 是从某项起严格单调递增的正无穷大量,且 (其中 是有限值或 ),则有 。
定理证明: 先考虑 的情形。由 以及 可知,,有 以及。于是,两边同时除以可得。由,对固定的,,有,从而,由 的任意性可知。
当 是非零有限值时,令,则有,因此,而。
当 时,,有 以及,因此数列 从某项起严格单调递增的正无穷大量。因此,故。
当 时,同理可得。证毕。
Stirling 公式
例题:
Stirling 公式: ,其中
公式证明:考虑数列。
首先证明其极限存在。 ,利用 ,可知 。因此 单调递减, 单调递增,它们均收敛于同一个值,记为 ,因此 ,其中 。
考虑 Wallis 积分,利用 时,,可得,整理后有。由夹逼定理有,即。经过变形可得,由此可得。证毕。
积分
有界收敛定理
例题:设,则
有界收敛定理:设函数 与 均在区间 上可积,存在,使得对任意,有,且对任意,,则有。
上述定理是实变函数中的结论,并可推广为控制收敛定理,略去证明。
留数定理
例题:
例题:
留数是复变函数中的一个重要概念。有理函数 如果在 处不可导,则称 为 的奇点,且 在 的一个去心邻域可展开为双边幂级数,称 为 在 处的留数,记作。
对于有理函数,若 是一个非零的有限值,则。
进而对于下面两类积分可以用留数定理求解。
- 设 是 的有理函数,在 上连续,则,其中 在 内的奇点为,而在 上无奇点。
- 设 是多项式, 无实根,且,则,其中 是 在上半平面的孤立奇点。
拉氏变换
例题:(常规方法提示:利用)
例题:
的拉氏变换定义为。容易证明,,,。
设,则拉式变换具有如下性质:
初值、终值等性质略去。
设,利用拉式变换的性质可得下面两类积分的结果。
欧拉积分
例题:
Beta 函数,显然 Beta 函数有对称性,即。
Gamma 函数,可注意到 以及。
利用分部积分可得递推公式 以及。
此外有。证明:。证毕。
多元微积分
古尔丁定理
例题: 绕 轴旋转一周所得旋转体的表面积和体积
有一条平面曲线,跟它的同一个平面上有一条轴。由该平面曲线以该条轴与旋转而产生的旋转曲面的表面积 ,等于曲线的长度 乘以曲线的形心经过的距离 ,即 。
有一条封闭的平面曲线,跟它的同一个平面上有一条轴。由该平面曲线以该条轴与旋转而产生的旋转体的体积 ,等于曲线围成的面积 乘以曲线的形心经过的距离 ,即 。
格林第一、第二公式
例题:设 在单位圆盘 上有二阶连续偏导,且,计算。
格林第一公式:设 在闭区域 上有二阶连续偏导,则。对应的三维形式为。
格林第二公式:设 在闭区域 上有二阶连续偏导,则。对应的三维形式为。
证明:只证明二维情形,三维类似。,即有。
而同样有,相减即有。证毕。
微分形式与外微分
例题(此题超纲):若坐标变换为 ,则 。
设 是 中的一个区域,记,将 视为一组基,(每个)称为一次微分形式,全体一次微分形式构成 线性空间,记为,可微函数 的全微分 就是一次微分形式。
若在 中选择 个构成有序元 ,规定 时 ,并规定若 中有两个相同时 。 个有序元 ( )构成 线性空间,即 次微分形式,记为 。 次微分形式可视为有向的 维体积微元, 中的函数称为零次微分形式。
微分形式可定义外积运算,设 , ,定义 。
微分形式还可定义外微分运算,对于 次微分形式 定义其外微分为 。
具体的,有如下结果(可便于记忆)。
容易看出格林公式、高斯公式、斯托克斯公式可以统一为广义的 Stokes 公式。
例题证明:若坐标变换为 ,则 。
级数
A-D 判别法
例题:判断 的敛散性
Abel 判别法: 单调有界, 收敛,则 收敛
Dirichlet 判别法: 单调趋于 0, 有界,则 收敛
A-D 判别法也有对应的积分形式。
最佳平方逼近
例题:若,求 。
设 在 上可积或平方可积, 是傅里叶展开,其部分和,,则,其中,且。
设 在 上可积或平方可积,则有 Parseval 等式 。
微分方程
拉式变换法
例题:
例题求解:两边拉式变换, ,即 ,求逆变换,得到 。
数三解差分方程有 Z 变换法与之类似。
微分算子法
例题: 的特解
例题: 的特解
考虑微分方程,为求出此方程的一个特解,引入算子,,则只需形式上求解。
这需要利用微分算子的相关性质:
- 设 且,则
- 设 且,则,
- 设 是 次多项式, 且,把 按 的升幂排列后用多项式除法去除 1,在 步得到的商式记为,则
例题求解: 的特解
,此方程的一个特解为
例题求解: 的特解
,用 除 得到 ,故方程的一个特解为
线性代数
Jordan 标准型
例题:证明 与 相似
对任意 阶矩阵 ,存在可逆矩阵 以及正整数 ,使得 ,其中 可能相同,每个 Jordan 块形如 。不计 的次序时,Jordan 标准型唯一。
分析 的秩容易看出特征值 对应的几何重数即为取值为 的 Jordan 块个数。
矩阵分解——谱分解
例题:三阶实对称矩阵 的特征值为 ,属于 的特征向量为 ,求
若 可正交对角化, ,其中 ,则有 。由于 为属于特征值 的单位特征向量,可把系数相同的项放在一起,将矩阵分解为若干正交投影矩阵的线性组合,即谱分解 ,对于任意 , 。
矩阵分解——正交三角分解
例题:设 ,求出三阶正交矩阵 和对角线元素都大于零的三阶上三角矩阵 ,使得
设 是实满秩矩阵,则存在唯一的正交矩阵 和对角线元素都大于零的上三角矩阵 ,满足 。
证明:设 ,利用 Gram-Schmidt 正交化依次求出 , 。然后进行归一化, ,则可得 ,其中 , 。若分解不唯一, ,则 ,左边为正交矩阵,右边为上三角矩阵,因此 。证毕。
矩阵函数
例题: ,求正定矩阵 使得
例题(本题超纲): ,求特征值非负的矩阵 使得
对于对角线为 的 阶 Jordan 块 , 在 处收敛,则 。
而对于一般的矩阵 ,设其 Jordan 标准型为 , , 在所有特征值处均收敛,则 。
例题求解: ,求特征值非负的矩阵 使得
其 Jordan 标准型为 , , 。考虑 ,则
概率统计
矩母函数
例题:证明二项分布、泊松分布的可加性
随机变量 的矩母函数定义为 ,矩母函数反过来也唯一确定了相应的分布。应用矩母函数可以容易求出随机变量的各阶矩,即 。另外容易得到,独立随机变量的和的矩母函数等于各自矩母函数的乘积,即 。
常见分布的矩母函数如下:
- 服从二项分布时
- 服从泊松分布时
- 服从正态分布时
- 服从指数分布时
Beta 分布与 Gamma 分布
例题:卡方分布 与指数分布 相同
Beta 分布 的概率密度函数为 ,期望 ,方差 。
Gamma 分布 的概率密度函数为 ,期望 ,方差 ,矩母函数为 。
Gamma 分布具有如下性质:
- 若 ,则
- 若 ,则
- 若 ,则
- 为指数分布
- 时为卡方分布 。