极限定义:
limx→af(x)=L⟺∀ϵ>0,∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ϵ
重要极限:
limx→0xsinx=1
limx→0x1−cosx=0
limx→∞(1+x1)x=e
limx→0(1+x)x1=e
连续性定义:
limx→af(x)=f(a)
中值定理:
f(b)−f(a)=f′(c)(b−a),c∈(a,b)
导数定义:
f′(x)=limh→0hf(x+h)−f(x)
基本导数公式:
dxd(xn)=nxn−1
dxd(ex)=ex
dxd(ax)=axlna
dxd(lnx)=x1
dxd(logax)=xlna1
三角函数导数:
dxd(sinx)=cosx
dxd(cosx)=−sinx
dxd(tanx)=sec2x
dxd(cotx)=−csc2x
dxd(secx)=secxtanx
dxd(cscx)=−cscxcotx
反三角函数导数:
dxd(arcsinx)=1−x21
dxd(arccosx)=−1−x21
dxd(arctanx)=1+x21
求导法则:
链式法则:
dxd[f(g(x))]=f′(g(x))⋅g′(x)
乘积法则:
dxd[f(x)g(x)]=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)
商法则:
dxd[g(x)f(x)]=[g(x)]2f′(x)g(x)−f(x)g′(x)
不定积分基本公式:
∫xndx=n+1xn+1+C(n=−1)
∫x1dx=ln∣x∣+C
∫exdx=ex+C
∫axdx=lnaax+C
三角函数积分:
∫sinxdx=−cosx+C
∫cosxdx=sinx+C
∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C=ln∣secx∣+C
∫sec2xdx=tanx+C
∫csc2xdx=−cotx+C
∫secxtanxdx=secx+C
定积分基本定理(牛顿-莱布尼茨公式):
∫abf(x)dx=F(b)−F(a)
分部积分:
∫udv=uv−∫vdu
换元积分法:
∫f(g(x))g′(x)dx=∫f(u)du,u=g(x)
反常积分:
∫a∞f(x)dx=limb→∞∫abf(x)dx
几何级数:
∑n=0∞arn=1−ra,∣r∣<1
调和级数(发散):
∑n=1∞n1=∞
p-级数:
∑n=1∞np1{收敛,发散,p>1p≤1
泰勒级数:
f(x)=∑n=0∞n!f(n)(a)(x−a)n
麦克劳林级数(a=0):
ex=∑n=0∞n!xn=1+x+2!x2+3!x3+⋯
sinx=∑n=0∞(2n+1)!(−1)nx2n+1=x−3!x3+5!x5−⋯
cosx=∑n=0∞(2n)!(−1)nx2n=1−2!x2+4!x4−⋯
ln(1+x)=∑n=1∞n(−1)n+1xn=x−2x2+3x3−⋯,∣x∣<1
(1+x)α=∑n=0∞(nα)xn,∣x∣<1
收敛性判别:
比值判别法:
limn→∞anan+1=L⎩⎨⎧<1,>1,=1,收敛发散不确定
根值判别法:
limn→∞n∣an∣=L{<1,>1,收敛发散
偏导数定义:
∂x∂f=limh→0hf(x+h,y)−f(x,y)
全微分:
df=∂x∂fdx+∂y∂fdy
链式法则:
dtdz=∂x∂zdtdx+∂y∂zdtdy
方向导数:
Duf=∇f⋅u=∂x∂fcosθ+∂y∂fsinθ
梯度:
∇f=(∂x∂f,∂y∂f,∂z∂f)
散度:
∇⋅F=∂x∂F1+∂y∂F2+∂z∂F3
旋度:
∇×F=i∂x∂F1j∂y∂F2k∂z∂F3
拉普拉斯算子:
∇2f=Δf=∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f
二重积分:
∬Df(x,y)dA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y)dydx
极坐标下的二重积分:
∬Df(x,y)dA=∫αβ∫r1(θ)r2(θ)f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ
三重积分:
∭Vf(x,y,z)dV
柱坐标:
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z
dV=rdrdθdz
球坐标:
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
dV=ρ2sinϕdρdϕdθ
线积分(第一类):
∫Cf(x,y)ds=∫abf(x(t),y(t))(dtdx)2+(dtdy)2dt
线积分(第二类):
∫CF⋅dr=∫abF(r(t))⋅r′(t)dt
格林公式(平面):
∮C(Pdx+Qdy)=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dA
高斯散度定理:
∭V(∇⋅F)dV=∬SF⋅ndS
斯托克斯定理:
∫CF⋅dr=∬S(∇×F)⋅ndS
保守场条件:
∂y∂P=∂x∂Q(2D)
∇×F=0(3D)
矩阵乘法:
(AB)ij=∑k=1naikbkj
矩阵转置性质:
(AB)T=BTAT
矩阵的迹:
tr(A)=∑i=1naii
tr(AB)=tr(BA)
2×2 矩阵行列式:
det(A)=acbd=ad−bc
3×3 矩阵行列式:
det(A)=a11a21a31a12a22a32a13a23a33
=a11(a22a33−a23a32)−a12(a21a33−a23a31)+a13(a21a32−a22a31)
行列式性质:
det(AB)=det(A)det(B)
det(AT)=det(A)
det(A−1)=det(A)1
det(kA)=kndet(A)(n 为矩阵阶数)
特征方程:
Av=λv
det(A−λI)=0
特征多项式:
p(λ)=det(λI−A)
迹与特征值的关系:
tr(A)=∑i=1nλi
det(A)=∏i=1nλi
对角化:
A=PDP−1
其中 D 是对角矩阵,P 的列是特征向量
内积(点积):
⟨u,v⟩=u⋅v=∑i=1nuivi
向量的范数:
∥v∥=v⋅v=∑i=1nvi2
柯西-施瓦茨不等式:
∣⟨u,v⟩∣≤∥u∥∥v∥
正交性:
u⊥v⟺⟨u,v⟩=0
投影:
projvu=⟨v,v⟩⟨u,v⟩v
格拉姆-施密特正交化:
v1=u1
vk=uk−∑j=1k−1⟨vj,vj⟩⟨uk,vj⟩vj
LU 分解:
A=LU
其中 L 是下三角矩阵,U 是上三角矩阵
QR 分解:
A=QR
其中 Q 是正交矩阵,R 是上三角矩阵
奇异值分解 (SVD):
A=UΣVT
其中 U,V 是正交矩阵,Σ 是对角矩阵
谱分解(对称矩阵):
A=QΛQT
可分离变量:
dxdy=g(x)h(y)⇒∫h(y)dy=∫g(x)dx
一阶线性微分方程:
dxdy+P(x)y=Q(x)
解的公式:
y=e−∫P(x)dx[∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C]
积分因子:
μ(x)=e∫P(x)dx
伯努利方程:
dxdy+P(x)y=Q(x)yn
代换 v=y1−n 转化为线性方程
恰当方程:
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
恰当条件:
∂y∂M=∂x∂N
二阶齐次线性微分方程:
ay′′+by′+cy=0
特征方程:
ar2+br+c=0
解的形式:
- 两个不同实根 r1,r2:y=C1er1x+C2er2x
- 重根 r:y=(C1+C2x)erx
- 复根 α±βi:y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)
二阶非齐次线性微分方程:
ay′′+by′+cy=f(x)
通解:
y=yh+yp
参数变易法:
yp=u1(x)y1(x)+u2(x)y2(x)
常系数非齐次方程特解形式:
- f(x)=eαx:特解 yp=Aeαx
- f(x)=cosβx 或 sinβx:特解 yp=Acosβx+Bsinβx
- f(x)=Pn(x):特解 yp=Qn(x)(同次多项式)
定义:
L{f(t)}=F(s)=∫0∞e−stf(t)dt
基本变换:
L{1}=s1
L{tn}=sn+1n!
L{eat}=s−a1
L{sin(at)}=s2+a2a
L{cos(at)}=s2+a2s
导数的拉普拉斯变换:
L{f′(t)}=sF(s)−f(0)
L{f′′(t)}=s2F(s)−sf(0)−f′(0)
卷积定理:
L{f∗g}=F(s)G(s)
幂级数解:
y=∑n=0∞anxn
弗罗贝尼乌斯方法:
y=∑n=0∞anxn+r
热传导方程(抛物型):
∂t∂u=α2∂x2∂2u
波动方程(双曲型):
∂t2∂2u=c2∂x2∂2u
拉普拉斯方程(椭圆型):
∇2u=∂x2∂2u+∂y2∂2u=0
泊松方程:
∇2u=f
假设解的形式:
u(x,t)=X(x)T(t)
代入偏微分方程后分离变量,得到两个常微分方程
周期为 2L 的函数:
f(x)=2a0+∑n=1∞(ancosLnπx+bnsinLnπx)
傅里叶系数:
a0=L1∫−LLf(x)dx
an=L1∫−LLf(x)cosLnπxdx
bn=L1∫−LLf(x)sinLnπxdx
傅里叶变换:
F{f(t)}=F(ω)=∫−∞∞f(t)e−iωtdt
傅里叶逆变换:
f(t)=2π1∫−∞∞F(ω)eiωtdω
卷积定理:
F{f∗g}=F{f}⋅F{g}
概率公理:
- 0≤P(A)≤1
- P(S)=1
- P(A∪B)=P(A)+P(B)(若 A,B 互斥)
条件概率:
P(A∣B)=P(B)P(A∩B)
贝叶斯定理:
P(A∣B)=P(B)P(B∣A)⋅P(A)
全概率公式:
P(B)=∑i=1nP(B∣Ai)P(Ai)
期望值:
离散型:
E[X]=∑i=1nxipi
连续型:
E[X]=∫−∞∞xf(x)dx
期望性质:
E[aX+b]=aE[X]+b
E[X+Y]=E[X]+E[Y]
方差:
Var(X)=E[(X−E[X])2]=E[X2]−(E[X])2
标准差:
σ=Var(X)
协方差:
Cov(X,Y)=E[(X−E[X])(Y−E[Y])]=E[XY]−E[X]E[Y]
相关系数:
ρXY=σXσYCov(X,Y)
二项分布 B(n,p):
P(X=k)=(kn)pk(1−p)n−k
E[X]=np,Var(X)=np(1−p)
泊松分布 Poisson(λ):
P(X=k)=k!λke−λ
E[X]=λ,Var(X)=λ
正态分布 N(μ,σ2):
f(x)=σ2π1e−2σ2(x−μ)2
标准正态分布 N(0,1):
ϕ(x)=2π1e−2x2
指数分布:
f(x)=λe−λx,x≥0
E[X]=λ1,Var(X)=λ21
大数定律(弱形式):
limn→∞P(n1∑i=1nXi−μ>ϵ)=0
中心极限定理:
σn∑i=1nXi−nμdN(0,1)
样本均值:
Xˉ=n1∑i=1nXi
样本方差:
S2=n−11∑i=1n(Xi−Xˉ)2
置信区间(正态总体):
Xˉ±zα/2nσ
t 统计量:
t=S/nXˉ−μ
卡方统计量:
χ2=σ2(n−1)S2
度量:
d:X×X→R
满足:
- d(x,y)≥0,且 d(x,y)=0⟺x=y
- d(x,y)=d(y,x)
- d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z)(三角不等式)
欧几里得度量:
d(x,y)=∑i=1n(xi−yi)2
柯西序列:
∀ϵ>0,∃N:m,n>N⇒∣xm−xn∣<ϵ
绝对收敛:
∑n=1∞∣an∣<∞⇒∑n=1∞an 收敛
狄利克雷判别法:若 {an} 单调趋于零,∑bn 部分和有界,则 ∑anbn 收敛
阿贝尔判别法:若 {an} 单调有界,∑bn 收敛,则 ∑anbn 收敛
一致连续:
∀ϵ>0,∃δ>0:∣x−y∣<δ⇒∣f(x)−f(y)∣<ϵ
利普希茨连续:
∣f(x)−f(y)∣≤L∣x−y∣
黎曼和:
S=∑i=1nf(ξi)Δxi
达布上和与下和:
U(f,P)=∑i=1nMiΔxi,L(f,P)=∑i=1nmiΔxi
可积准则:
f 可积⟺∀ϵ>0,∃P:U(f,P)−L(f,P)<ϵ
勒贝格测度:
μ(E)=inf{∑i=1∞∣Ii∣:E⊆⋃i=1∞Ii}
勒贝格积分:
∫Efdμ=sup{∫Esdμ:s≤f,s 简单函数}
单调收敛定理:
0≤f1≤f2≤⋯,fn→f⇒∫fndμ→∫fdμ
控制收敛定理:
∣fn∣≤g,∫gdμ<∞,fn→f⇒∫fndμ→∫fdμ
法图引理:
fn≥0⇒∫liminffndμ≤liminf∫fndμ
欧拉公式:
eiθ=cosθ+isinθ
德莫弗公式:
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)
复数的极坐标形式:
z=r(cosθ+isinθ)=reiθ
柯西-黎曼方程:
∂x∂u=∂y∂v,∂y∂u=−∂x∂v
柯西积分定理:
∮Cf(z)dz=0
(f 在 C 内部解析)
柯西积分公式:
f(z0)=2πi1∮Cz−z0f(z)dz
高阶导数公式:
f(n)(z0)=2πin!∮C(z−z0)n+1f(z)dz
泰勒级数:
f(z)=∑n=0∞n!f(n)(z0)(z−z0)n
洛朗级数:
f(z)=∑n=−∞∞an(z−z0)n
留数定理:
∮Cf(z)dz=2πi∑Res(f,zk)
留数计算(一阶极点):
Res(f,z0)=limz→z0(z−z0)f(z)
留数计算(n 阶极点):
Res(f,z0)=(n−1)!1limz→z0dzn−1dn−1[(z−z0)nf(z)]
分式线性变换:
w=cz+daz+b,ad−bc=0
儒可夫斯基变换:
w=21(z+z1)
群的定义:(G,∗) 是群当且仅当:
- 封闭性:∀a,b∈G,a∗b∈G
- 结合律:(a∗b)∗c=a∗(b∗c)
- 单位元:∃e∈G:a∗e=e∗a=a
- 逆元:∀a∈G,∃a−1:a∗a−1=a−1∗a=e
拉格朗日定理:
∣H∣∣∣G∣
(H 是 G 的子群)
群的阶:
ord(a)=min{n∈N:an=e}
循环群:
G=⟨a⟩={an:n∈Z}
同态定理:
G/ker(ϕ)≅Im(ϕ)
环的定义:(R,+,⋅) 是环当且仅当:
- (R,+) 是交换群
- 乘法结合律
- 分配律
理想:I⊆R 是理想当且仅当:
- (I,+) 是子群
- ∀r∈R,a∈I:ra,ar∈I
商环:
R/I={a+I:a∈R}
主理想:
⟨a⟩={ra:r∈R}
域的定义:(F,+,⋅) 是域当且仅当:
- (F,+) 是交换群
- (F∖{0},⋅) 是交换群
- 分配律
特征:
char(F)=min{n∈N:n⋅1=0}
域扩张:
[K:F]=dimFK
最大公约数:
gcd(a,b)=d⟺d∣a,d∣b,且 d 最大
贝祖等式:
gcd(a,b)=ax+by
欧几里得算法:
gcd(a,b)=gcd(b,amodb)
同余定义:
a≡b(modm)⟺m∣(a−b)
费马小定理:
p 是质数,gcd(a,p)=1⇒ap−1≡1(modp)
欧拉定理:
gcd(a,n)=1⇒aϕ(n)≡1(modn)
欧拉函数:
ϕ(n)=∣{k:1≤k≤n,gcd(k,n)=1}∣
ϕ(pk)=pk−pk−1=pk−1(p−1)
中国剩余定理:
x≡ai(modmi),gcd(mi,mj)=1
有唯一解 modM,其中 M=∏mi
前向差分:
f′(x)≈hf(x+h)−f(x)
中心差分:
f′(x)≈2hf(x+h)−f(x−h)
二阶导数:
f′′(x)≈h2f(x+h)−2f(x)+f(x−h)
梯形法则:
∫abf(x)dx≈2h[f(a)+2∑i=1n−1f(xi)+f(b)]
辛普森法则:
∫abf(x)dx≈3h[f(a)+4∑i=1,3,5,...n−1f(xi)+2∑i=2,4,6,...n−2f(xi)+f(b)]
牛顿法:
xn+1=xn−f′(xn)f(xn)
割线法:
xn+1=xn−f(xn)f(xn)−f(xn−1)xn−xn−1
不动点迭代:
xn+1=g(xn)
高斯消元法:转化为上三角形式后回代
雅可比迭代:
xi(k+1)=aii1(bi−∑j=iaijxj(k))
高斯-赛德尔迭代:
xi(k+1)=aii1(bi−∑j<iaijxj(k+1)−∑j>iaijxj(k))
欧拉数:
e=limn→∞(1+n1)n=∑n=0∞n!1≈2.71828
圆周率:
π=∫−∞∞1+x2dx≈3.14159
黄金比例:
ϕ=21+5≈1.61803
欧拉-马斯刻若尼常数:
γ=limn→∞(∑k=1nk1−lnn)≈0.57721
伽马函数:
Γ(z)=∫0∞tz−1e−tdt
Γ(n)=(n−1)!,n∈N
Γ(z+1)=zΓ(z)
贝塔函数:
B(x,y)=∫01tx−1(1−t)y−1dt=Γ(x+y)Γ(x)Γ(y)
误差函数:
erf(x)=π2∫0xe−t2dt
贝塞尔函数(第一类):
Jn(x)=∑k=0∞k!(n+k)!(−1)k(2x)2k+n
牛顿第二定律:
F=ma=mdt2d2r
动能:
T=21mv2
势能(引力):
U=−rGMm
拉格朗日方程:
dtd∂q˙i∂L−∂qi∂L=0
其中 L=T−V(拉格朗日量)
哈密顿方程:
dtdqi=∂pi∂H,dtdpi=−∂qi∂H
麦克斯韦方程组:
高斯定律:
∇⋅E=ϵ0ρ
高斯磁定律:
∇⋅B=0
法拉第电磁感应定律:
∇×E=−∂t∂B
安培-麦克斯韦定律:
∇×B=μ0J+μ0ϵ0∂t∂E
洛伦兹力:
F=q(E+v×B)
薛定谔方程(含时):
iℏ∂t∂Ψ(r,t)=H^Ψ(r,t)
薛定谔方程(定态):
H^ψ=Eψ
海森堡不确定性原理:
ΔxΔp≥2ℏ
狄拉克方程:
(iγμ∂μ−m)ψ=0
洛伦兹变换:
t′=γ(t−c2vx),x′=γ(x−vt)
其中 γ=1−v2/c21
质能方程:
E=mc2
E2=(pc)2+(m0c2)2
微积分(单变量、多变量、向量)
线性代数(矩阵、特征值、分解)
微分方程(常微分、偏微分)
概率统计(分布、推断、大数定律)
实分析(度量空间、勒贝格积分)
复分析(解析函数、留数定理)
抽象代数(群、环、域)
数论(同余、欧拉定理)
数值分析(数值微分、积分、求根)
物理数学(麦克斯韦方程、薛定谔方程等)