[spec] clean up
[notes.git] / spec / calculus.md
index 9025d374ff7d109681790eed2e2c04cc07df36b2..3ed01c3fa748c39df9f0f503d883f99f11d24975 100644 (file)
@@ -254,6 +254,66 @@ $$\int_a^b f(x) \cdot dx = [F(x)]_a^b=F(b)-F(a)$$
 - *Integrand* is $f$.
 - $F(x)$ may be any integral, i.e. $c$ is inconsequential
 
+#### Properties
+
+$$\int^b_a f(x) \> dx = \int^c_a f(x) \> dx + \int^b_c f(x) \> dx$$
+
+$$\int^a_a f(x) \> dx = 0$$
+
+$$\int^b_a k \cdot f(x) \> dx = k \int^b_a f(x) \> dx$$
+
+$$\int^b_a f(x) \pm g(x) \> dx = \int^b_a f(x) \> dx \pm \int^b_a g(x) \> dx$$
+
+$$\int^b_a f(x) \> dx = - \int^a_b f(x) \> dx$$
+
+### Integration by substitution
+
+$$\int f(u) {du \over dx} \cdot dx = \int f(u) \cdot du$$
+
+Note $f(u)$ must be one-to-one $\implies$ one $x$ value for each $y$ value
+
+e.g. for $y=\int(2x+1)\sqrt{x+4} \cdot dx$:  
+let $u=x+4$  
+$\implies {du \over dx} = 1$  
+$\implies x = u - 4$  
+then $y=\int (2(u-4)+1)u^{1 \over 2} \cdot du$  
+Solve as a normal integral
+
+#### Definite integrals by substitution
+
+For $\int^b_a f(x) {du \over dx} \cdot dx$, evaluate new $a$ and $b$ for $f(u) \cdot du$.
+
+### Trigonometric integration
+
+$$\sin^m x \cos^n x \cdot dx$$
+
+**$m$ is odd:**  
+$m=2k+1$ where $k \in \mathbb{Z}$  
+$\implies \sin^{2k+1} x = (\sin^2 z)^k \sin x = (1 - \cos^2 x)^k \sin x$  
+Substitute $u=\cos x$
+
+**$n$ is odd:**  
+$n=2k+1$ where $k \in \mathbb{Z}$  
+$\implies \cos^{2k+1} x = (\cos^2 x)^k \cos x = (1-\sin^2 x)^k \cos x$  
+Subbstitute $u=\sin x$
+
+**$m$ and $n$ are even:**  
+Use identities:
+
+- $\sin^2x={1 \over 2}(1-\cos 2x)$
+- $\cos^2x={1 \over 2}(1+\cos 2x)$
+- $\sin 2x = 2 \sin x \cos x$
+
+## Partial fractions
+
+On CAS: Action $\rightarrow$ Transformation $\rightarrow$ `expand/combine`  
+or Interactive $\rightarrow$ Transformation $\rightarrow$ `expand` $\rightarrow$ Partial
+
+## Graphing integrals on CAS
+
+In main: Interactive $\rightarrow$ Calculation $\rightarrow$ $\int$ ($\rightarrow$ Definite)  
+Restrictions: `Define f(x)=...` $\rightarrow$ `f(x)|x>1` (e.g.)
+
 ## Applications of antidifferentiation
 
 - $x$-intercepts of $y=f(x)$ identify $x$-coordinates of stationary points on $y=F(x)$
@@ -262,13 +322,44 @@ $$\int_a^b f(x) \cdot dx = [F(x)]_a^b=F(b)-F(a)$$
 
 To find stationary points of a function, substitute $x$ value of given point into derivative. Solve for ${dy \over dx}=0$. Integrate to find original function.
 
+## Solids of revolution
+
+Approximate as sum of infinitesimally-thick cylinders
+
+### Rotation about $x$-axis
+
+\begin{align*}
+  V &= \int^{x=b}_{x-a} \pi y^2 \> dx \\
+    &= \pi \int^b_a (f(x))^2 \> dx
+\end{align*}
+
+### Rotation about $y$-axis
+
+\begin{align*}
+  V &= \int^{y=b}_{y=a} \pi x^2 \> dy \\
+    &= \pi \int^b_a (f(y))^2 \> dy
+\end{align*}
+
+### Regions not bound by $y=0$
+
+$$V = \pi \int^b_a f(x)^2 - g(x)^2 \> dx$$  
+where $f(x) > g(x)$
+
+## Length of a curve
+
+$$L = \int^b_a \sqrt{1 + ({dy \over dx})^2} \> dx \quad \text{(Cartesian)}$$
+
+$$L = \int^b_a \sqrt{{dx \over dt} + ({dy \over dt})^2} \> dt \quad \text{(parametric)}$$
+
+Evaluate on CAS. Or use Interactive $\rightarrow$ Calculation $\rightarrow$ Line $\rightarrow$ `arcLen`.
+
 ## Rates
 
 ### Related rates
 
 $${da \over db} \quad \text{(change in } a \text{ with respect to } b)$$
 
-#### Gradient at a point on parametric curve
+### Gradient at a point on parametric curve
 
 $${dy \over dx} = {{dy \over dt} \div {dx \over dt}} \> \vert \> {dx \over dt} \ne 0$$
 
@@ -283,3 +374,52 @@ $$f(x) = {P(x) \over Q(x)} \quad \text{where } P, Q \text{ are polynomial functi
 - when two graphs have the same ordinate, $y$-coordinate is double the ordinate
 - when two graphs have opposite ordinates, $y$-coordinate is 0 i.e. ($x$-intercept)
 - when one of the ordinates is 0, the resulting ordinate is equal to the other ordinate
+
+## Fundamental theorem of calculus
+
+If $f$ is continuous on $[a, b]$, then
+
+$$\int^b_a f(x) \> dx = F(b) - F(a)$$
+
+where $F$ is any antiderivative of $f$
+
+## Differential equations
+
+One or more derivatives
+
+**Order** - highest power inside derivative  
+**Degree** - highest power of highest derivative  
+e.g. ${\left(dy^2 \over d^2 x\right)}^3$: order 2, degree 3
+
+### Verifying solutions
+
+Start with $y=\dots$, and differentiate. Substitute into original equation.
+
+### Function of the dependent variable
+
+If ${dy \over dx}=g(y)$, then ${dx \over dy} = 1 \div {dy \over dx} = {1 \over g(y)}$. Integrate both sides to solve equation. Only add $c$ on one side. Express $e^c$ as $A$.
+
+### Mixing problems
+
+$$\left({dm \over dt}\right)_\Sigma = \left({dm \over dt}\right)_{\text{in}} - \left({dm \over dt}\)_{\text{out}}$$
+
+### Separation of variables
+
+If ${dy \over dx}=f(x)g(y)$, then:
+
+$$\int f(x) \> dx = \int {1 \over g(y)} \> dy$$
+
+### Using definite integrals to solve DEs
+
+Used for situations where solutions to ${dy \over dx} = f(x)$ is not required.
+
+In some cases, it may not be possible to obtain an exact solution.
+
+Approximate solutions can be found by numerically evaluating a definite integral.
+
+### Using Euler's method to solve a differential equation
+
+$${{f(x+h) - f(x)} \over h } \approx f^\prime (x) \quad \text{for small } h$$
+
+$$\implies f(x+h) \approx f(x) + hf^\prime(x)$$
+