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常用公式

Wallis 公式

\[I_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^n xdx = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^n xdx=\begin{cases} \frac{(n-1)!!}{n!!}\frac{\pi}{2} & n \text{为偶数} \\ \frac{(n-1)!!}{n!!} & n \text{为奇数} \end{cases}\]
\[I_{m,n} = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^m x\cos^n xdx = \begin{cases} \frac{(m-1)!!(n-1)!!}{(m+n)!!}\frac{\pi}{2} & m,n \text{均为偶数} \\ \frac{(m-1)!!(n-1)!!}{(m+n)!!} & \text{其他} \end{cases}\]

积分,代换

  • \[\int_0^\infty \frac{1}{1+x^4}dx = \int_0^\infty \frac{x^2}{1+x^4}dx = \frac{\pi}{2\sqrt{2}}\]
  • \[d\left(x-\frac{1}{x} \right) = \left(1+\frac{1}{x^2}\right)dx\]
  • 高斯积分

    • \[\int_{-\infty}^\infty e^{-ax^2+bx}dx = \sqrt{\frac{\pi}{a}}e^{\frac{b^2}{4a}}\]
  • \[\int_{-\infty}^{\infty} \sin x^2dx=\int_{-\infty}^{\infty} \cos x^2 dx=\sqrt{\frac{\pi}{2}}\]
    • \(\sin x = \frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}\) 和 高斯积分结合

级数, 代换

  • \[a_n+2a_{n-1}+\cdots+na_1 =\sum \begin{pmatrix} a_1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ a_1 & a_2 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n \end{pmatrix} = S_1 + S_2 + \cdots +S_n\]
  • \[1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{n} = \ln n + \gamma + o(1)\]
  • \(a_n\to 0\), 则 \(S_{2n}\) 收敛到 \(S\), 意味着 \(S_{2n+1}\) 收敛到 \(S\) , 也就意味着 \(S_n\) 收敛到 \(S\)

    • 可推广为 \(S_{pn}\) 收敛到 \(S\) 意味着 \(S_n\) 收敛到 \(S\)
  • \[\sqrt[n]{n}-1\sim \ln[1+(\sqrt[n]{n}-1)]\sim \frac{\ln n}{n}\]
  • \[1^k+2^k+\cdots+n^k\sim\frac1{k+1}n^{k+1}\]

其他代换

  • \[\arctan x - \arctan y = \arctan \frac{x-y}{1+xy}\]
    • \[\arctan\frac{1}{2k^2} = \arctan\frac{1}{2k-1}-\arctan\frac{1}{2k+1}\]
  • \[\sqrt[n]{a_n} = \frac{a_{n+1}}{a_n}\]

等价代换

\[x\sim \sin x\sim \tan x\sim \arcsin x\sim \ln(x+1)\sim e^x-1\sim \frac{a^x-1}{\ln a}\sim \frac{(1+x)^b-1}{b}\]

Stirling 公式

\[n!\sim \sqrt{2\pi n}\left(\frac{n}{e}\right)^ne^\frac{\theta_n}{12}\]

Vieta 公式

\[ \frac\pi2=\frac1{\sqrt{\frac12}\sqrt{\frac12+\frac12\sqrt{\frac12}}\sqrt{\frac12+\frac12\sqrt{\frac12+\frac12\sqrt{\frac12}}\cdots}} \]
\[\frac{\sin x}{x}=\cos\frac{x}{2}\cos\frac{x}{4}\cos\frac{x}{8}\cdots\]

\(x=\frac{\pi}{2}\), 得到

\[\frac2\pi=\frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{\sqrt{2+\sqrt2}}{2}\cdot\frac{\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt2}}}{2}\cdots\]

中值公式

[!NOTE] 需要连续性和可导性

  • Lagrange 中值定理: \(f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a)\)

  • Cauchy 中值定理: \(\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}\)

  • Rolle 定理: 若\(f(a)=f(b)\), 则\(\exists \xi\in(a,b),s.t.f'(\xi)=0\)

  • 积分中值定理

    • \(\int_a^bf(x)g(x)dx=f(\xi)\int_a^bg(x)dx\)

      • \(\xi\in (a,b)\) 书上是取闭区间,但是可以强化成开区间
    • \(g(x)\) 单增且 \(g(a)\geq 0\) ,则 \(\int_a^bg(x)f(x)dx=g(b)\int_\eta^bf(x)dx\)

    • \(g(x)\) 单减且 \(g(b)\geq 0\) ,则 \(\int_a^bg(x)f(x)dx=g(a)\int_a^\eta f(x)dx\)

    • \(g(x)\) 单调,则 \(\int_a^bg(x)f(x)dx=g(a)\int_a^\xi f(x)dx+g(b)\int_\xi^bf(x)dx\)

      • 记忆方法,总之 \(g\geq 0\) 单调,取 \(g\) 的最大值点和靠近那个点的 \(f\) 的积分

Cauchy 不等式

  • \[\left(a_1^2+a_2^2+\cdots+a_n^2\right)\left(b_1^2+b_2^2+\cdots+b_n^2\right)\geq \left(a_1b_1+a_2b_2+\cdots+a_nb_n\right)^2\]
  • \[\left(\sum\limits_{i=1}^{n} a_ib_i\right)^2\leq \left(\sum\limits_{i=1}^{n} a_i^2\right)\left(\sum\limits_{i=1}^{n} b_i^2\right)\]

Schwarz 不等式

  • \[\left(\int_a^b f(x)g(x)dx\right)^2\leq \int_a^b f^2(x)dx\int_a^b g^2(x)dx\]

[!NOTE] 就是 Cauchy 不等式的积分形式

Holder 不等式

  • \(\frac1p+\frac1q=1,p,q>1\)

    • \[\sum\limits_{i=1}^{n} a_ib_i \leq \left(\sum\limits_{i=1}^{n} a_i^p\right)^{\frac1p}\left(\sum\limits_{i=1}^{n} b_i^q\right)^{\frac1q}\]
    • \[\int_a^b f(x)g(x)dx\leq \left(\int_a^b f^p(x)dx\right)^{\frac1p}\left(\int_a^b g^q(x)dx\right)^{\frac1q}\]

[!NOTE] \(p,q<1\) 的时候不等号反向

Minkowski 不等式

  • \(r>1\)

    • \[\left(\sum\limits_{i=1}^{n} (a_i+b_i)^r\right)^{\frac1r}\leq \left(\sum\limits_{i=1}^{n} a_i^r\right)^{\frac1r}+\left(\sum\limits_{i=1}^{n} b_i^r\right)^{\frac1r}\]
    • \[\left(\int_a^b (f(x)+g(x))^r dx\right)^{\frac1r}\leq \left(\int_a^b f^r(x)dx\right)^{\frac1r}+\left(\int_a^b g^r(x)dx\right)^{\frac1r}\]
  • \(r<1\)

    • \[\left(\sum\limits_{i=1}^{n} (a_i+b_i)^r\right)^{\frac1r}\geq \left(\sum\limits_{i=1}^{n} a_i^r\right)^{\frac1r}+\left(\sum\limits_{i=1}^{n} b_i^r\right)^{\frac1r}\]
  • 推广到 \(n\) 元, \(r>1\)

    • \[\left(\sum\limits_{i=1}^{n} \left(\sum\limits_{j=1}^{m} a_{ij}\right)^r\right)^{\frac1r}\leq \sum\limits_{j=1}^{m}\left(\sum\limits_{i=1}^{n} a_{ij}^r\right)^{\frac1r}\]

Young 不等式

  • \(f(x)\)\((a,b)\) 连续且单增, \(f(0)=0,a,b>0\), 则

    • \[ab\leq \int_0^a f(x)dx+\int_0^b f^{-1}(x)dx\]
    • 当且仅当 \(f(a)=b\) 时取得等号,其中 \(f^{-1}(x)\)\(f(x)\) 的反函数