0. 空间解析几何

学习空间解析集合可能有助于更好地理解多元函数微积分学(?)

空间直角坐标系有八个卦限,先是 z>0z>0 按照平面直角坐标系顺序的四个,然后是 z<0z<0

点积 / 内积:ab=abcosθ\vec a \cdot \vec b=|\vec a||\vec b|\cos \theta

叉积 / 外积:a×b=ijkx1y1z1x2y2z2=(y1z2z1y2,  z1x2x1z2,  x1y2y1x2)\vec{a} \times \vec{b} = \begin{vmatrix} \bm i & \bm j & \bm k \\ x_1 & y_1 & z_1 \\ x_2 & y_2 & z_2 \end{vmatrix} = (y_1 z_2 - z_1 y_2,\; z_1 x_2 - x_1 z_2,\; x_1 y_2 - y_1 x_2)

外积的模长等于 absinθ|\vec a| |\vec b|\sin \theta(也就是围成的平行四边形的面积)。方向垂直于 a,b\vec a,\vec b张成的平面,具体方向由右手定则确定:食指旋转小于 180180^\circ,拇指指向的方向即为 c\vec c的方向。

张量积 / 并积 / 直积:uv=uv\vec u\otimes \vec v=\vec u\vec v^\top

方向余弦是指与坐标轴单位向量的夹角余弦。

向量的混合积 [abc]=(a×b)c[\bm a\bm b\bm c]=(\bm a\times \bm b)\cdot \bm c,也就是 x3y3z3x1y1z1x2y2z2\begin{vmatrix} x_3 & y_3 & z_3 \\ x_1 & y_1 & z_1 \\ x_2 & y_2 & z_2 \end{vmatrix},其绝对值代表平行六面体的面积。

0.0 球坐标

球坐标系以原点为参考点,球坐标 P(r,ϕ,θ)P(r,\phi,\theta) 的极角(polar angle)ϕ\phi 代表 OPOPzz 轴正半轴的夹角(0ϕπ0\le \phi \le \pi),方位角 θ\thetaOPOPxyxy 平面上的投影与正 xx 轴的旋转角(0θ<2π0\le \theta<2\pi)。这样的话转成直角坐标,x=rcosθsinϕ,y=sinθsinϕ,z=cosϕx=r\cos\theta \sin\phi,y=\sin\theta\sin\phi,z=\cos\phi

0.1 平面方程

一般用点法式方程描述一个平面,法向量即为 n=(A,B,C)\vec n = (A,B,C)

三点式方程,本质先求法向量,然后与任意一条平面上的向量都垂直:

xx1yy1zz1x2x1y2y1z2z1x3x1y3y1z3z1=0\begin{vmatrix} x-x_1 & y-y_1 & z-z_1 \\ x_2-x_1 & y_2-y_1 & z_2-z_1 \\ x_3-x_1 & y_3-y_1 & z_3-z_1 \end{vmatrix} = 0

截距式方程:xa+yb+zc=1\frac x a + \frac y b + \frac z c = 1

平面的夹角通过法向量求得 cosθ\cos \theta。点到平面的距离 d=Ax0+By0+Cz0+Dnd=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{|\vec n|}

0.2 直线方程

空间直线由两个平面的夹线确定,方向向量 s=n1×n2\vec s = \vec n_1 \times \vec n_2

可以方便地用参数方程表示。

两点方程:xx1x1x2=yy1y1y2=zz1z1z2\displaystyle \frac{x-x_1}{x_1-x_2}=\frac{y-y_1}{y_1-y_2}=\frac{z-z_1}{z_1-z_2}

两直线夹角可以求得 cosφ\cos \varphi,直线与平面夹角求得 sinφ\sin \varphi

PP 到过 P0P_0 的直线的距离 d=P0P×ssd=\dfrac{|\overrightarrow{P_0 P}\times \vec s|}{|\vec s|}

两异面直线之间的距离:d=P1P2(s1×s2)s1×s2d=\displaystyle\frac{|\overrightarrow{P_1P_2}\cdot(\vec s_1\times \vec s_2)|}{|\vec s_1\times \vec s_2|}

s1×s2\vec s_1\times \vec s_2 是公垂线的方向向量 n\vec n,而 P1P2\overrightarrow{P_1P_2} 在公垂线上的投影就是 P1P2nn\displaystyle \left|\overrightarrow{P_1P_2}\cdot \frac{\vec n}{|\vec n|}\right|

0.3 曲面与曲线

已知曲线的切向量 T=(A,B,C)\mathbf T = (A,B,C),则切线方程:

xx0A=yy0B=zz0C\displaystyle \frac{x-x_0}{A} = \frac{y-y_0}{B} = \frac{z-z_0}{C}

法平面方程:

A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0A(x-x_0) + B(y-y_0) + C(z-z_0) = 0


已知曲面的法向量 N=(A,B,C)\mathbf N = (A,B,C),则法线方程:

xx0A=yy0B=zz0C\displaystyle \frac{x-x_0}{A} = \frac{y-y_0}{B} = \frac{z-z_0}{C}

切平面方程:

A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0A(x-x_0) + B(y-y_0) + C(z-z_0) = 0


观察二次曲面

这里不记录退化的二次柱面。

  • 椭球面x2a2+y2b2+z2c2=1\displaystyle\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1
  • 单叶双曲面x2a2+y2b2z2c2=1\displaystyle\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1
  • 双叶双曲面x2a2+y2b2z2c2=1\displaystyle\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=-1
  • 椭圆抛物面x2a2+y2b2=z\displaystyle\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=z
  • 双曲抛物面(马鞍面)x2a2y2b2=z\displaystyle\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=z
  • 二次锥面x2a2+y2b2z2c2=0\displaystyle\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=0

0.4 例题选解

  1. 求曲面 x2+y2+az=4a2x^2+y^2+az=4a^2 将球体 x2+y2+z24azx^2+y^2+z^2\le 4az 分成的两部分的体积比。

不是标准的二次曲面,通过 x=0x=0 之类的手段观察实际上是个抛物面,顶点在球上是 (0,0,4a)(0,0,4a),交点是 (x,y,a)(x,y,a)

因此要算体积,是 [0,a],[a,4a][0,a],[a,4a] 两部分的定积分。

因此 37:2737:27

1. 多元函数微分学

在多元函数中,邻域泛指圆邻域和方邻域。任意一个点 AR2A\in \mathbb R^2 都可以被归类为 ER2E\sub \mathbb R^2 的内点、外点和界点。界点的集合称为边界,记作 E\partial E

如果 EE 中的每一个点都是内点,则 EE开集。若 EE 为连通的开集,那么 EE 称为 R2\mathbb R^2 中的开区域,简称区域,E=EE\overline E=E\cup \partial E 称作闭区域

聚点:点 AA 的任意 U˚(A)\mathring U(A) 内都含有 EE 中的点,则称 AA 为聚点,等价于任何 U(A)U(A) 包含 EE 的无穷多个点。

孤立点:AEA\in E,但是 AA 不是聚点。比如 E={(1,1)}E=\{(1,1)\},就只含有一个孤立点。

显然,孤立点一定是界点,内点和非孤立的界点一定是聚点,既不是聚点又不是孤立点一定是外点。

如果 EE 的所有聚点都属于 EE,那么 EE 是闭集。可以证明,ER2E\sub \mathbb R^2 是开集,则 EcE^c 是闭集,反之同理。

重极限:f(P)f(P) 是定义在 DD 上的多元函数,设 P0P_0DD 的一个聚点,ϵ>0,δ>0,i.e.PDU˚(P0,δ),f(P)A<ϵ\forall \epsilon>0,\exist \delta >0,\ie P\in D\cap \mathring U(P_0,\delta),|f(P)-A|<\epsilon,则 limPP0f(P)=A\lim_{P\to P_0} f(P)=A

若重极限和所有累次极限都存在时,它们必然相等。

多元函数连续是多元函数关于单变量连续的充分不必要条件。

1.1 偏导数

偏导数的符号 fx(x0,y0)=zxf_{x}(x_0,y_0)=\dfrac{\partial z}{\partial x} 是一个整体,不能当作“微分算子”之类的东西进行约分之类的操作。

2zxy\dfrac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} 代表先对 xx 再对 yy 求偏导。若所有混合偏导数连续时,则调换偏导顺序不会对结果产生影响。

CiC^i 表示 ii 阶偏导数存在且连续的函数。

偏导数可以在定义时钦定哪些变量被视为常量,即“冻结点”:

(fx)y,zfxy,z\left( \frac{\partial f}{\partial x} \right)_{y,\,z} \quad\text{或}\quad \left.\frac{\partial f}{\partial x}\right|_{y,\,z}

括号外的下标 y,zy,z 意思是在这次求偏导过程中,变量 yyzz 被“冻住”(当作常数)。最后再配上取值点:

fx(x0,y0,z0)\left.\frac{\partial f}{\partial x}\right|_{(x_0,y_0,z_0)}

在热力学、多变量优化等场景中,同一组物理量可能有多套独立变量。例如内能 UU 可以写成 U(S,V)U(S,V),也可以写成 U(T,V)U(T,V)
如果你只写 UV\frac{\partial U}{\partial V},没人知道你是把 SS 冻住,还是把 TT 冻住——两种偏导结果完全不同。

“冻结点”下标就是用来显式声明这一次求导时,谁被当作常数

(UV)S(UV)T\left( \frac{\partial U}{\partial V} \right)_S \neq \left( \frac{\partial U}{\partial V} \right)_T

1.2 全微分

若全增量可以表示为 Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)f(x0,y0)=AΔx+BΔy+o(ρ)\Delta z=f(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)=A\Delta x+B\Delta y+o(\rho),其中 ρ=(Δx)2+(Δy)2\rho=\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2},那么函数在 (x0,y0)(x_0,y_0) 可微,且 dz=AΔx+BΔy\d z=A\Delta x+B\Delta y

二元函数在可微的必要不充分条件是函数连续且两个偏导存在,若可微则 dz=fxdx+fydy\displaystyle \d z=\frac{\partial{f}}{\partial{x}} \d x+\frac{\partial{f}}{\partial{y}}\d y

在一点偏导数连续是可微的充分不必要条件。也就是说,偏导数连续、可微、偏导数存在由强到弱,可微也可以推出连续,但连续和偏导数存在没关系。

dnz=k=0n(nk)nzkxnkydkxdnky\d^n z=\sum_{k=0}^n\binom n k \frac{\partial ^n z}{\partial^k x\partial ^{n-k}y}\d^k x \d^{n-k} y

  1. z=ex/yz=e^{x/y} 的二阶全微分。

初学者计算时要小心!答案是 d2z=ex/y(1y2dx22(x+y)y3dxdy+x2+2xyy4dy2)\displaystyle \d^2 z = e^{x/y}\left( \frac{1}{y^2}\d x^2 - \frac{2(x+y)}{y^3}\d x\d y + \frac{x^2+2xy}{y^4}\d y^2 \right)

1.3 复合函数微分

设函数 z=f(u,v)z=f(u,v),其中 u=φ(t),y=ψ(t)u=\varphi(t),y=\psi(t),且 u,vu,vtt 处可导,zz(u,v)(u,v)可微,则:dzdt=zududt+zvdvdt\displaystyle \frac{\d z}{\d t} = \frac{\partial z}{\partial u}\frac {\d u}{\d t}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac {\d v}{\d t}。其实这就是链式法则,换成别的函数也一样。

  1. z=f(u,v),fC2,u=x2+y,v=2xyz=f(u,v),f\in C^2,u=x^2+y,v=2x-y,求 d2z\d ^2 z,用 ff 的偏导数表示。

主要的问题是遇到 fux\displaystyle\frac{\partial f_u}{\partial x} 别傻了,因为 fuf_u 是关于 u,vu,v 的函数,所以还是复合函数求偏导。

答案是:

d2z=(2fu+4x2fuu+8xfuv+4fvv)dx2+2(2xfuu+(22x)fuv2fvv)dxdy+(fuu2fuv+fvv)dy2.\begin{aligned}\d ^2 z = & \bigl( 2 f_u + 4x^2 f_{uu} + 8x f_{uv} + 4 f_{vv} \bigr) \d x^2 \\& + 2\bigl( 2x f_{uu} + (2-2x) f_{uv} - 2 f_{vv} \bigr) \d x\d y \\& + \bigl( f_{uu} - 2 f_{uv} + f_{vv} \bigr) \d y^2.\end{aligned}

对于一阶全微分,具有形式不变性的特点:即 z=f(u,v)z=f(u,v),不论 u,vu,v 是自变量还是函数,永远都有 dz=fudu+fvdv\displaystyle \d z = \frac{\partial f}{\partial u}\d u + \frac{\partial f}{\partial v}\d v

  1. z=eusinv,u=xy,v=x+yz=e^u\sin v,u=xy,v=x+y,求 dz\d z

可以得到 eusinv(ydx+xdy)+eucosv(dx+dy)e^u\sin v(y\d x+x\d y)+e^u\cos v(\d x +\d y),这里就不展开了。

在求复合函数的微分时可能会混淆当前时什么函数对什么的偏导,最好用不同的符号区别开。

1.4 隐函数微分法

(x0,y0)(x_0,y_0) 处隐函数存在的条件在邻域内满足 FC1,F(x0,y0)=0,Fy(x0,y0)0F\in C^1,F(x_0,y_0)=0,F_y(x_0,y_0)\ne 0

一个误区是以为隐函数不存在的原因是垂直于 xx 轴,但实际上还可以是因为交叉 y2=x2(x+1)y^2=x^2(x+1),产生尖点奇点(y2=x3y^2=x^3,如果以后进一步学习我会再来研究这个东西)等。

1.4.1 由方程式确定

比如 F(x,y)=0F(x,y)=0 确定 y=y(x)y=y(x)

F(x,y(x))=0F(x,y(x))=0 两边同时对 xx 求导,得到 y=FxFyy'=-\dfrac{F_x}{F_y}

对于多元函数,比如 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0,等式两边求全微分得 Fxdx+Fydy+Fzdz=0F_x \d x +F_y\d y+F_z\d z=0。因此 zx=FxFz\dfrac{\partial z}{\partial x}=-\dfrac{F_x}{F_z}

  1. 设方程 x2+y2+z2+ex+z2=0x^2+y^2+z^2+e^{x+z}-2=0(0,1,0)(0,1,0) 确定函数 z=z(x,y)z=z(x,y),求 2zx2(0,1)\displaystyle \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}\Big|_{(0,1)}

zx(0,1,0)=1,zxx(0,1,0)=4z_x(0,1,0)=-1,z_{xx}(0,1,0)=-4

  1. F(x+z,y+z)=0F(x+z,y+z)=0 确定 z=z(x,y)z=z(x,y)FC2F\in C^2,求 zz 关于 xx 的二阶偏导数。

首先这是个复合函数,令 u=x+z,v=y+z,F(u,v)=0u=x+z,v=y+z,F(u,v)=0,等式两边对 xx 求偏导:

zx(Fu+Fv)+Fu=0z_x(F_u+F_v)+F_u=0

得到 zx=FuFu+Fvz_x=-\dfrac{F_u}{F_u+F_v}

然后我们再对上面那个等式两边求关于 xx 的偏导,你会得到一坨式子,化简后可以得到:

zxx=2FuFvFuvFu2FvvFv2Fuu(Fu+Fv)3z_{xx}=\frac{2F_uF_vF_{uv}-F_u^2F_{vv}-F_v^2F_{uu}}{(F_u+F_v)^3}

1.4.2 雅可比行列式

设一组 nnnn 元函数:

{u1=f1(x1,x2,,xn)u2=f2(x1,x2,,xn)un=fn(x1,x2,,xn)\begin{cases} u_1 = f_1(x_1, x_2, \dots, x_n) \\ u_2 = f_2(x_1, x_2, \dots, x_n) \\ \quad \vdots \\ u_n = f_n(x_1, x_2, \dots, x_n) \end{cases}

我们有一组函数对其自变量的偏导行列式,即雅可比行列式:

detJ=(f)(x)=(f1,f2,,fn)(x1,x2,,xn)=f1x1f1xnfnx1fnxn\begin{aligned}\det J =\frac{\partial(f)}{\partial(x)} &= \frac{\partial(f_1, f_2, \dots, f_n)}{\partial(x_1, x_2, \dots, x_n)} \\ &= \begin{vmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial f_n}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_n}{\partial x_n} \end{vmatrix} \end{aligned}

1.4.3 由方程组确定

比如 {F(x,y,u,v)=0,G(x,y,u,v)=0\begin{cases}F(x,y,u,v)=0,\\ G(x,y,u,v)=0\end{cases} 确定 u=u(x,y),v=v(x,y)u=u(x,y),v=v(x,y),那么隐函数存在的条件是 F,GC1F,G\in C^1,然后类比方程,我们需要其针对因变量的导数不为零,即雅可比行列式不为零:

Fu FvGu Gv0\begin{vmatrix} F_u &\ F_v \\ G_u &\ G_v \end{vmatrix} \ne 0

怎么求导呢?比如求 ux,vxu_x,v_x,等式两边同时对 xx 求导:

{Fx1+Fuux+Fvvx=0,Gx1+Guux+Gvvx=0\begin{cases} F_x \cdot 1 + F_u \cdot u_x + F_v \cdot v_x = 0, \\ G_x \cdot 1 + G_u \cdot u_x + G_v \cdot v_x = 0 \end{cases}

使用线性代数的手段解线性方程组即可,但对于微积分来说更可能是直接消元。

  1. 设函数 u=u(x,y),v=v(x,y)u = u(x,y), \, v = v(x,y) 由方程组

{F(u,v)=x+y,G(u,v)=xy\begin{cases}F(u,v) = x + y, \\G(u,v) = xy\end{cases}

确定,其中 F,GF, G 具有二阶连续偏导数(F,GC2F,G \in C^2),且

(F,G)(u,v)0.\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,v)} \neq 0.

ux,  vx\displaystyle \frac{\partial u}{\partial x},\; \frac{\partial v}{\partial x}2uxy\displaystyle \frac{\partial^2 u}{\partial x \partial y},用 F,GF,G 的偏导数及 x,yx,y 表示。

待补充。

1.4.4 雅可比行列式的性质

待补充。

1.5 方向导数和梯度

el=(cosα,cosβ)\bm e_l=(\cos \alpha,\cos\beta) 方向的方向导数定义为 fl(x0,y0)=limt0+f(x0+tcosα,y0+tcosβ)f(x0,y0)t\displaystyle \frac{\partial f}{\partial l}\Big |_{(x_0,y_0)}=\lim_{t\to 0^+}\frac{f(x_0+t\cos\alpha,y_0+t\cos\beta)-f(x_0,y_0)}{t},当函数在 (x0,y0)(x_0,y_0) 可微时,fl(x0,y0)=fx(x0,y0)cosα+fy(x0,y0)cosβ\displaystyle \frac{\partial f}{\partial l}\Big |_{(x_0,y_0)}=f_x(x_0,y_0)\cos\alpha+f_y(x_0,y_0)\cos\beta

二元函数的梯度定义为 gradf=f=(fx(x0,y0),fy(x0,y0))\operatorname{grad} f=\nabla f=(f_x(x_0,y_0),f_y(x_0,y_0))

因此不难发现,fl(x0,y0)=fel=fcosθ\displaystyle \frac{\partial f}{\partial l}\Big |_{(x_0,y_0)}=\nabla f\cdot \bm e_l=|\nabla f|\cos \theta,因此方向导数的最大值为梯度方向。

1.6 几何应用

分别是曲线和曲面。

如果用参数方程给出曲线,那么切向量就是导向量。否则,是两平面梯度的叉积。

曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 的法向量易知是 (fx,fy,1)(f_x,f_y,-1),如果是隐函数,那么:

法向量(FxFz,  FyFz,  1)(Fx,Fy,Fz)=F\text{法向量} \parallel \left( -\frac{F_x}{F_z},\; -\frac{F_y}{F_z},\; -1 \right) \parallel (F_x, F_y, F_z) = \nabla F

因此直接求梯度即可。

  1. 设曲面

S:z=x2+y2S: z = x^2 + y^2

平面

Π:x+y+z=0\Pi: x + y + z = 0

曲线 CCSSΠ\Pi 的交线。考虑原点 O(0,0,0)O(0,0,0)

  1. 求曲面 SS 在点 OO 处的切平面法线
  2. 求曲线 CC 在点 OO 处的切线法平面
  3. 验证 CCOO 的切线完全落在 SSOO 的切平面上。

SS 的法向量 F=N=(2x,2y,1)\nabla F = \mathbf N =(2x,2y,-1),在 (0,0,0)(0,0,0)NS=(0,0,1)\mathbf N_S = (0,0,-1)。故法线 x=0,y=0x=0,y=0,切平面 z=0z=0

G=(1,1,1)\nabla G = (1,1,1)

CC 的切向量 T=F×G=(1,1,0)\mathbf T=\nabla F \times \nabla G=(1,-1,0)。故切线 x+y=0,z=0x+y=0,z=0,法平面 x=yx=y

第三问显然。

1.7 Taylor 公式

f(x,y)=k=0n1k!dkf(x0,y0)dx=Δx,  dy=Δy+Rn+1f(x,y) = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!} \, \mathrm{d}^k f\big|_{(x_0,y_0)}^{\mathrm{d}x = \Delta x,\;\mathrm{d}y = \Delta y} + R_{n+1}

其中 Δx=xx0\Delta x = x-x_0, Δy=yy0\Delta y = y-y_0
全微分算子 dkf=(dxx+dyy)kf\mathrm{d}^k f = \left( \mathrm{d}x\,\frac{\partial}{\partial x} + \mathrm{d}y\,\frac{\partial}{\partial y} \right)^k f

Lagrange 余项:

Rn+1=1(n+1)!dn+1f(ξ,η)dx=Δx,  dy=ΔyR_{n+1} = \frac{1}{(n+1)!}\, \mathrm{d}^{n+1} f\big|_{(\xi,\eta)}^{\mathrm{d}x = \Delta x,\;\mathrm{d}y = \Delta y}

其中 (ξ,η)=(x0+θΔx,  y0+θΔy)(\xi,\eta) = (x_0 + \theta\Delta x,\; y_0 + \theta\Delta y)θ(0,1)\theta \in (0,1)

Peano 余项:

Rn+1=o(ρn),ρ=Δx2+Δy20R_{n+1} = o(\rho^n), \quad \rho = \sqrt{\Delta x^2 + \Delta y^2} \to 0

f(x,y)=cosxcosyf(x,y) = \cos x \cos y

(1) 写出 ff(0,0)(0,0) 处的二阶 Taylor 多项式 P2(x,y)P_2(x,y)
(2) 证明:当 x1, y1|x|\le 1,\ |y|\le 1 时,有误差估计

f(x,y)P2(x,y)16(x+y)3|f(x,y) - P_2(x,y)| \le \frac{1}{6} (|x|+|y|)^3


(1) P2(x,y)=1x2+y22P_2(x,y)=1-\frac{x^2+y^2}{2}
(2) 写出拉格朗日余项,直接放缩掉三角函数。

1.8 极值问题

首先是无条件极值,设 z=f(x,y)z=f(x,y) 在某邻域内为 C2C^2 函数,则偏导数全部为 00 的点称为驻点。这是极值点的必要条件,可能有三种情况:

  1. 极小值
  2. 极大值
  3. 鞍点(比如前后上山,左右下山)

对于二元函数,令 Δ=fxxfyyfxy2\Delta = f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2,若 Δ<0\Delta < 0 则为鞍点fxx>0,Δ>0f_{xx}>0,\Delta >0 则为极小值,fxx<0,Δ>0f_{xx}<0,\Delta >0 则为极大值。

待补充:具体原理,以及 Δ=0\Delta=0 的例题。


对于条件极值问题,采用拉格朗日数乘法。比如有 g(x,y)=0g(x,y)=0,求 z=f(x,y)z=f(x,y) 的极值。

构造 L(x,y,λ)=f(x,y)λg(x,y)L(x,y,\lambda)=f(x,y)-\lambda g(x,y),令 L=0\nabla L = \mathbf 0,结出候选点 (x0,y0,λ0)(x_0,y_0,\lambda_0)

gxdx+gydy=0g_x\d x +g_y\d y=0,然后求 d2f\d^2 f,看 dx2\d x^2 的系数,为正则极小,为负则极大,为零则是鞍点。

待补充:这么操作的理由。

  1. 在椭球面 x2a2+y2b2+z2c2=1\displaystyle\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1 (a>0,b>0,c>0)(a > 0, b > 0, c > 0) 的第一卦限部分上求一点 PP,使过点 PP 的切平面与三个坐标面所围成的四面体的体积 VV 最小。

P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0),则切平面:

x0a2(xx0)+y0b2(yy0)+z0c2(zz0)=0\frac{x_0}{a^2}(x-x_0)+\frac{y_0}{b^2}(y-y_0)+\frac{z_0}{c^2}(z-z_0)=0

x=y=0x=y=0,解得 z=c2z0z=\dfrac{c^2}{z_0},故 V=a2b2c26x0y0z0V=\dfrac{a^2b^2c^2}{6x_0y_0z_0}

拉格朗日数乘法得到 P(a3,b3,c3)P\left(\cfrac{a}{\sqrt{3}},\cfrac{b}{\sqrt{3}},\cfrac{c}{\sqrt{3}}\right)

2. 重积分

2.1 二重积分

和一元定积分一样,二重积分也是通过黎曼和去定义的。即:

Df(x,y)dσ=limλ0i=1nf(ξi,ηi)Δσi\iint_D f(x,y)\,d\sigma = \lim_{\lambda\to 0} \sum_{i=1}^n f(\xi_i, \eta_i)\,\Delta\sigma_i

2.2 在直角坐标系下计算

xx 型域:所有平行于 yy 轴的直线最多不穿过 DD 的边界两次。
yy 型域:所有平行于 xx 轴的直线最多不穿过 DD 的边界两次。

否则可以分割原图形。

  1. 计算 Dxdxdy\displaystyle\iint_D x \d x\d y 其中 DD 是由曲线 xy=1,  xy=2,  y=x,  y=2xxy = 1,\; xy = 2,\; y = x,\; y = 2x 在第一象限所围成的区域。

分成两部分,答案是 5232\frac{5\sqrt{2}}{3}-2

  1. 计算 Dey2dxdy\displaystyle\iint_D e^{y^2}\d x \d y,其中 0x1,xy10\le x\le 1,x\le y\le 1

如果先积 yy 不可积,交换顺序,易得 e12\frac{e-1}{2}

2.3 换元与极坐标

和一元函数积分一样,我们依然可以使用换元法,替换 {x=x(u,v),y=y(u,v),\begin{cases}x=x(u,v),\\ y=y(u,v),\end{cases},要求是 x(u,v),y(u,v)x(u,v),y(u,v)DD' 上是 C1C^1 类函数,在 DD' 上雅可比行列式至少不恒为 00[1],则:

Df(x,y)dxdy=Df(x(u,v),y(u,v))(x,y)(u,v)dudv\iint_D f(x,y)\,\d x\d y = \iint_{D'} f(x(u,v),y(u,v)) \cdot \left| \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} \right| \, \d u \d v

注意一个特别的事情,我们对导数求绝对值了!这是因为二重积分的区域没有“积分方向”这一概念。

最经典的是极坐标换元,即令 x=rcosθ,y=rsinθx=r\cos \theta,y=r\sin \theta,其中强制钦定 r0r\ge 0,因此 dxdy=rdrdθ\d x\d y=r\d r \d \theta

  1. 计算 Poisson 积分:

I=ex2dxI = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2}\d x

首先有:

I2=(ex2dx)(ey2dy)=R2e(x2+y2)dxdyI^2 = \left( \int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2}\d x \right) \left( \int_{-\infty}^{\infty} e^{-y^2}\d y \right)= \iint_{\mathbb{R}^2} e^{-(x^2+y^2)}\d x\d y

直接极坐标换元,可以得到 π\sqrt{\pi}

  1. 计算:

Dexp(xyx+y)dxdy\iint_D \exp\left( \frac{x-y}{x+y} \right) \d x\d y

其中 DD 是由 x=0, y=0, x+y=1x=0,\ y=0,\ x+y=1 围成的三角形区域。

换元 u=x+y,v=xyu=x+y,v=x-y,易得 ee14\dfrac{e-e^{-1}}{4},别忘乘雅可比行列式。

  1. 计算:

R2max{x,y}e(x2+y2)dxdy\iint_{\mathbb{R}^2} \max\{x,y\} e^{-(x^2+y^2)}\d x\d y


max\max 拆了。里面会得到:

0r2er2dr\int_0^\infty r^2 e^{-r^2} \d r

使用分部积分法,u=r2,v=er2u=-\frac r 2,v=e^{-r^2},然后会得到一个泊松积分。

最终答案是 2π2\frac {\sqrt{2\pi}}{2},别忘了因为拆了 max\max 要乘二。

2.4 三重积分

三重积分的特殊换元有两个:

  • 柱坐标 (r,θ,z)(r,\theta,z),雅可比行列式为 rr
  • 球坐标 (r,θ,ϕ)(r,\theta,\phi),雅可比行列式为 r2sinϕr^2 \sin \phi
  1. 计算三重积分

Ωz2dV\iiint_\Omega z^2 \, dV

其中 Ω\Omega 是由圆锥面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2 + y^2} 与球面 x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1 所围成的,位于锥面上方、球面内部的区域。


球坐标换元。别忘了乘雅可比行列式。别忘了定积分换元。

答案是 4230π\frac{4-\sqrt{2}}{30}\pi

点火公式(Wallis 积分)在微积分 A1 中出现过,这个公式在重积分计算时非常常见。

0π/2sinnxdx=0π/2cosnxdx={n1nn3n212π2,n 为偶数n1nn3n2231,n 为奇数\int_0^{\pi/2} \sin^n x \, \d x = \int_0^{\pi/2} \cos^n x \, \d x = \begin{cases} \displaystyle \frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-3}{n-2} \cdots \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2}, & n \text{ 为偶数} \\[8pt] \displaystyle \frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-3}{n-2} \cdots \frac{2}{3} \cdot 1, & n \text{ 为奇数} \end{cases}

如果积分区间是 [0,π][0,\pi],考虑对称性。积分区间是 [0,2π][0,2\pi]

3. 含参积分与广义积分

其实非常有意思的。

3.1 含参积分

比如说 F(α)=abf(x,α)dxF(\alpha)=\int_{a}^b f(x,\alpha)\d x,积出来的就是一个关于 α\alpha 的函数。如果 ff[a,b]×[c,d][a,b]\times [c,d] 上连续,那么 F(α)F(\alpha)[c,d][c,d] 上连续。

FF 求导,因为定积分本质是黎曼和,所以可以视作 ffα\alpha 求偏导。一般地,有:

F(α)=f(b(α),α)b(α)f(a(α),α)a(α)+a(α)b(α)fα(x,α)dxF'(\alpha) = f\big(b(\alpha),\alpha\big) \cdot b'(\alpha) - f\big(a(\alpha),\alpha\big) \cdot a'(\alpha) + \int_{a(\alpha)}^{b(\alpha)} \frac{\partial f}{\partial \alpha}(x,\alpha) \d x

对于含参广义积分来说,敛散性可能与 α\alpha 有关。因此我们定义一致收敛,即:

limb+b+f(x,α)dx=0对 αI 一致地成立\lim_{b\to+\infty} \int_b^{+\infty} f(x,\alpha)\,dx = 0 \quad \text{对 } \alpha\in I \text{ 一致地成立}

3.2 广义积分

3.3 T 函数与 B 函数

Gamma 函数,即第二类 Euler 积分:

Γ(s)=0xs1exdx,s>0\Gamma(s)=\int_0^\infty x^{s-1} e^{-x}\d x, s>0

我们有 Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1)=s\Gamma(s),由分部积分公式可得。

特殊值:Γ(1)=1,Γ(1/2)=π\Gamma(1)=1,\Gamma(1/2)=\sqrt{\pi}


B 函数即第二类 Euler 积分,有:

B(p,q)=01xp1(1x)q1dx,p>0,q>0B(p,q)=\int_0^1 x^{p-1} (1-x)^{q-1} \d x,p>0,q>0

而且 B(p,q)=Γ(p)Γ(q)Γ(p+q)B(p,q)=\dfrac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}

4. 曲线积分

4.1 第一类曲线积分

即求标量沿曲线的积累量,形如 Lf(x,y)ds\displaystyle\int_L f(x,y)\d s,用黎曼和的形式去定义。比如求质量。

直接将弧微分写出来,用关于 tt 的参数方程表示曲线 LL,然后写出 ff,积分即可。

  1. 空间螺旋线 x=acost,y=asint,z=btx=a\cos t,y=a\sin t,z=bt,线密度 λ=k\lambda = k,求该螺旋线质量。

直接按照定义写,即可得到 2kπa2+b22k\pi \sqrt{a^2+b^2}

4.2 第二类曲线积分

即求变力沿着曲线的做功。

5. 级数


  1. 具体情况会在《数学分析》中研究,更新时间未知。 ↩︎


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