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>0 按照平面直角坐标系顺序的四个,然后是 z<0。
点积 / 内积:a⋅b=∣a∣∣b∣cosθ。
叉积 / 外积:a×b=ix1x2jy1y2kz1z2=(y1z2−z1y2,z1x2−x1z2,x1y2−y1x2)。
外积的模长等于 ∣a∣∣b∣sinθ(也就是围成的平行四边形的面积)。方向垂直于 a,b张成的平面,具体方向由右手定则确定:食指旋转小于 180∘,拇指指向的方向即为 c的方向。
张量积 / 并积 / 直积:u⊗v=uv⊤。
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,也就是 x3x1x2y3y1y2z3z1z2,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) 的极角(polar angle)ϕ 代表 OP 与 z 轴正半轴的夹角(0≤ϕ≤π),方位角 θ 为 OP 在 xy 平面上的投影与正 x 轴的旋转角(0≤θ<2π)。这样的话转成直角坐标,x=rcosθsinϕ,y=sinθsinϕ,z=cosϕ。
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)。
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:
x−x1x2−x1x3−x1y−y1y2−y1y3−y1z−z1z2−z1z3−z1=0
截距式方程:ax+by+cz=1。
平面的夹角通过法向量求得 cosθ。点到平面的距离 d=∣n∣∣Ax0+By0+Cz0+D∣。
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。
可以方便地用参数方程表示。
两点方程:x1−x2x−x1=y1−y2y−y1=z1−z2z−z1。
两直线夹角可以求得 cosφ,直线与平面夹角求得 sinφ。
点 P 到过 P0 的直线的距离 d=∣s∣∣P0P×s∣。
两异面直线之间的距离:d=∣s1×s2∣∣P1P2⋅(s1×s2)∣
s1×s2 是公垂线的方向向量 n,而 P1P2 在公垂线上的投影就是 P1P2⋅∣n∣n。
0.3 曲面与曲线
已知曲线的切向量 T=(A,B,C),则切线方程:
Ax−x0=By−y0=Cz−z0
法平面方程:
A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0
已知曲面的法向量 N=(A,B,C),则法线方程:
Ax−x0=By−y0=Cz−z0
切平面方程:
A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0
观察二次曲面。
这里不记录退化的二次柱面。
- 椭球面:a2x2+b2y2+c2z2=1
- 单叶双曲面:a2x2+b2y2−c2z2=1
- 双叶双曲面:a2x2+b2y2−c2z2=−1
- 椭圆抛物面:a2x2+b2y2=z
- 双曲抛物面(马鞍面):a2x2−b2y2=z
- 二次锥面:a2x2+b2y2−c2z2=0
0.4 例题选解
- 求曲面 x2+y2+az=4a2 将球体 x2+y2+z2≤4az 分成的两部分的体积比。
不是标准的二次曲面,通过 x=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),交点是 (x,y,a)。
因此要算体积,是 [0,a],[a,4a] 两部分的定积分。
因此 37:27。
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 A∈R2 都可以被归类为 E⊂R2 的内点、外点和界点。界点的集合称为边界,记作 ∂E。
如果 E 中的每一个点都是内点,则 E 为开集。若 E 为连通的开集,那么 E 称为 R2 中的开区域,简称区域,E=E∪∂E 称作闭区域。
聚点:点 A 的任意 U˚(A) 内都含有 E 中的点,则称 A 为聚点,等价于任何 U(A) 包含 E 的无穷多个点。
孤立点:A∈E,但是 A 不是聚点。比如 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 E 的所有聚点都属于 E,那么 E 是闭集。可以证明,E⊂R2 是开集,则 Ec 是闭集,反之同理。
重极限:f(P) 是定义在 D 上的多元函数,设 P0 是 D 的一个聚点,∀ϵ>0,∃δ>0,i.e.P∈D∩U˚(P0,δ),∣f(P)−A∣<ϵ,则 limP→P0f(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)=∂x∂z 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。
∂x∂y∂2z 代表先对 x 再对 y 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。
用 Ci 表示 i 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”:
(∂x∂f)y,z或∂x∂fy,z
括号外的下标 y,z 意思是在这次求偏导过程中,变量 y 和 z 被“冻住”(当作常数)。最后再配上取值点:
∂x∂f(x0,y0,z0)
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 U 可以写成 U(S,V),也可以写成 U(T,V)。
如果你只写 ∂V∂U,没人知道你是把 S 冻住,还是把 T 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:
(∂V∂U)S=(∂V∂U)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),其中 ρ=(Δx)2+(Δy)2,那么函数在 (x0,y0) 可微,且 dz=AΔx+BΔy。
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=∂x∂fdx+∂y∂fdy。
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=0∑n(kn)∂kx∂n−ky∂nzdkxdn−ky
- 求 z=ex/y 的二阶全微分。
初学者计算时要小心!答案是 d2z=ex/y(y21dx2−y32(x+y)dxdy+y4x2+2xydy2)。
1.3 复合函数微分
设函数 z=f(u,v),其中 u=φ(t),y=ψ(t),且 u,v 在 t 处可导,z 在 (u,v) 处可微,则:dtdz=∂u∂zdtdu+∂v∂zdtdv。其实这就是链式法则,换成别的函数也一样。
- 设 z=f(u,v),f∈C2,u=x2+y,v=2x−y,求 d2z,用 f 的偏导数表示。
主要的问题是遇到 ∂x∂fu 别傻了,因为 fu 是关于 u,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+(2−2x)fuv−2fvv)dxdy+(fuu−2fuv+fvv)dy2.
对于一阶全微分,具有形式不变性的特点:即 z=f(u,v),不论 u,v 是自变量还是函数,永远都有 dz=∂u∂fdu+∂v∂fdv。
- z=eusinv,u=xy,v=x+y,求 dz。
可以得到 eusinv(ydx+xdy)+eucosv(dx+dy),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) 处隐函数存在的条件在邻域内满足 F∈C1,F(x0,y0)=0,Fy(x0,y0)=0。
一个误区是以为隐函数不存在的原因是垂直于 x 轴,但实际上还可以是因为交叉 y2=x2(x+1),产生尖点奇点(y2=x3,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)=0 确定 y=y(x)。
对 F(x,y(x))=0 两边同时对 x 求导,得到 y′=−FyFx。
对于多元函数,比如 F(x,y,z)=0,等式两边求全微分得 Fxdx+Fydy+Fzdz=0。因此 ∂x∂z=−FzFx。
- 设方程 x2+y2+z2+ex+z−2=0 在 (0,1,0) 确定函数 z=z(x,y),求 ∂x2∂2z(0,1)。
zx(0,1,0)=−1,zxx(0,1,0)=−4。
- 设 F(x+z,y+z)=0 确定 z=z(x,y),F∈C2,求 z 关于 x 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)=0,等式两边对 x 求偏导:
zx(Fu+Fv)+Fu=0
得到 zx=−Fu+FvFu。
然后我们再对上面那个等式两边求关于 x 的偏导,你会得到一坨式子,化简后可以得到:
zxx=(Fu+Fv)32FuFvFuv−Fu2Fvv−Fv2Fuu
1.4.2 雅可比行列式
设一组 n 个 n 元函数:
⎩⎨⎧u1=f1(x1,x2,…,xn)u2=f2(x1,x2,…,xn)⋮un=fn(x1,x2,…,xn)
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=∂(x)∂(f)=∂(x1,x2,…,xn)∂(f1,f2,…,fn)=∂x1∂f1⋮∂x1∂fn⋯⋱⋯∂xn∂f1⋮∂xn∂fn
1.4.3 由方程组确定
比如 {F(x,y,u,v)=0,G(x,y,u,v)=0 确定 u=u(x,y),v=v(x,y),那么隐函数存在的条件是 F,G∈C1,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:
FuGu Fv Gv=0
怎么求导呢?比如求 ux,vx,等式两边同时对 x 求导:
{Fx⋅1+Fu⋅ux+Fv⋅vx=0,Gx⋅1+Gu⋅ux+Gv⋅vx=0
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。
- 设函数 u=u(x,y),v=v(x,y) 由方程组
{F(u,v)=x+y,G(u,v)=xy
确定,其中 F,G 具有二阶连续偏导数(F,G∈C2),且
∂(u,v)∂(F,G)=0.
求 ∂x∂u,∂x∂v 和 ∂x∂y∂2u,用 F,G 的偏导数及 x,y 表示。
1.4.4 雅可比行列式的性质
1.5 方向导数和梯度
el=(cosα,cosβ) 方向的方向导数定义为 ∂l∂f(x0,y0)=t→0+limtf(x0+tcosα,y0+tcosβ)−f(x0,y0),当函数在 (x0,y0) 可微时,∂l∂f(x0,y0)=fx(x0,y0)cosα+fy(x0,y0)cosβ。
二元函数的梯度定义为 gradf=∇f=(fx(x0,y0),fy(x0,y0))。
因此不难发现,∂l∂f(x0,y0)=∇f⋅el=∣∇f∣cosθ,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) 的法向量易知是 (fx,fy,−1),如果是隐函数,那么:
法向量∥(−FzFx,−FzFy,−1)∥(Fx,Fy,Fz)=∇F
因此直接求梯度即可。
- 设曲面
S:z=x2+y2
平面
Π:x+y+z=0
曲线 C 是 S 与 Π 的交线。考虑原点 O(0,0,0)。
- 求曲面 S 在点 O 处的切平面和法线。
- 求曲线 C 在点 O 处的切线和法平面。
- 验证 C 在 O 的切线完全落在 S 在 O 的切平面上。
S 的法向量 ∇F=N=(2x,2y,−1),在 (0,0,0) 处 NS=(0,0,−1)。故法线 x=0,y=0,切平面 z=0。
∇G=(1,1,1)。
C 的切向量 T=∇F×∇G=(1,−1,0)。故切线 x+y=0,z=0,法平面 x=y。
第三问显然。
1.7 Taylor 公式
f(x,y)=k=0∑nk!1dkf(x0,y0)dx=Δx,dy=Δy+Rn+1
其中 Δx=x−x0, Δy=y−y0,
全微分算子 dkf=(dx∂x∂+dy∂y∂)kf。
Lagrange 余项:
Rn+1=(n+1)!1dn+1f(ξ,η)dx=Δx,dy=Δy
其中 (ξ,η)=(x0+θΔx,y0+θΔy),θ∈(0,1)。
Peano 余项:
Rn+1=o(ρn),ρ=Δx2+Δy2→0
- 设
f(x,y)=cosxcosy
(1) 写出 f 在 (0,0) 处的二阶 Taylor 多项式 P2(x,y)。
(2) 证明:当 ∣x∣≤1, ∣y∣≤1 时,有误差估计
∣f(x,y)−P2(x,y)∣≤61(∣x∣+∣y∣)3
(1) P2(x,y)=1−2x2+y2。
(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) 在某邻域内为 C2 函数,则偏导数全部为 0 的点称为驻点。这是极值点的必要条件,可能有三种情况:
- 极小值
- 极大值
- 鞍点(比如前后上山,左右下山)
对于二元函数,令 Δ=fxxfyy−fxy2,若 Δ<0 则为鞍点,fxx>0,Δ>0 则为极小值,fxx<0,Δ>0 则为极大值。
待补充:具体原理,以及 Δ=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)=0,求 z=f(x,y) 的极值。
构造 L(x,y,λ)=f(x,y)−λg(x,y),令 ∇L=0,结出候选点 (x0,y0,λ0)。
令 gxdx+gydy=0,然后求 d2f,看 dx2 的系数,为正则极小,为负则极大,为零则是鞍点。
- 在椭球面 a2x2+b2y2+c2z2=1 (a>0,b>0,c>0) 的第一卦限部分上求一点 P,使过点 P 的切平面与三个坐标面所围成的四面体的体积 V 最小。
P(x0,y0,z0),则切平面:
a2x0(x−x0)+b2y0(y−y0)+c2z0(z−z0)=0
令 x=y=0,解得 z=z0c2,故 V=6x0y0z0a2b2c2。
拉格朗日数乘法得到 P(3a,3b,3c)。
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=λ→0limi=1∑nf(ξi,ηi)Δσi
2.2 在直角坐标系下计算
x 型域:所有平行于 y 轴的直线最多不穿过 D 的边界两次。
y 型域:所有平行于 x 轴的直线最多不穿过 D 的边界两次。
否则可以分割原图形。
- 计算 ∬Dxdxdy 其中 D 是由曲线 xy=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 352−2。
- 计算 ∬Dey2dxdy,其中 0≤x≤1,x≤y≤1。
如果先积 y 不可积,交换顺序,易得 2e−1。
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),,要求是 x(u,v),y(u,v) 在 D′ 上是 C1 类函数,在 D′ 上雅可比行列式至少不恒为 0,则:
∬Df(x,y)dxdy=∬D′f(x(u,v),y(u,v))⋅∂(u,v)∂(x,y)dudv
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=rsinθ,其中强制钦定 r≥0,因此 dxdy=rdrdθ。
- 计算 Poisson 积分:
I=∫−∞∞e−x2dx
首先有:
I2=(∫−∞∞e−x2dx)(∫−∞∞e−y2dy)=∬R2e−(x2+y2)dxdy
直接极坐标换元,可以得到 π。
- 计算:
∬Dexp(x+yx−y)dxdy
其中 D 是由 x=0, y=0, x+y=1 围成的三角形区域。
换元 u=x+y,v=x−y,易得 4e−e−1,别忘乘雅可比行列式。
- 计算:
∬R2max{x,y}e−(x2+y2)dxdy
把 max 拆了。里面会得到:
∫0∞r2e−r2dr
使用分部积分法,u=−2r,v=e−r2,然后会得到一个泊松积分。
最终答案是 22π,别忘了因为拆了 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),雅可比行列式为 r。
- 球坐标 (r,θ,ϕ),雅可比行列式为 r2sinϕ。
- 计算三重积分
∭Ωz2dV
其中 Ω 是由圆锥面 z=x2+y2 与球面 x2+y2+z2=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 304−2π。
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=⎩⎨⎧nn−1⋅n−2n−3⋯21⋅2π,nn−1⋅n−2n−3⋯32⋅1,n 为偶数n 为奇数
如果积分区间是 [0,π],考虑对称性。积分区间是 [0,2π],
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)dx,积出来的就是一个关于 α 的函数。如果 f 在 [a,b]×[c,d] 上连续,那么 F(α) 在 [c,d] 上连续。
对 F 求导,因为定积分本质是黎曼和,所以可以视作 f 对 α 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)∂α∂f(x,α)dx
对于含参广义积分来说,敛散性可能与 α 有关。因此我们定义一致收敛,即:
b→+∞lim∫b+∞f(x,α)dx=0对 α∈I 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)=∫0∞xs−1e−xdx,s>0
我们有 Γ(s+1)=sΓ(s),由分部积分公式可得。
特殊值:Γ(1)=1,Γ(1/2)=π。
B 函数即第二类 Euler 积分,有:
B(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1dx,p>0,q>0
而且 B(p,q)=Γ(p+q)Γ(p)Γ(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,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 t 的参数方程表示曲线 L,然后写出 f,积分即可。
- 空间螺旋线 x=acost,y=asint,z=bt,线密度 λ=k,求该螺旋线质量。
直接按照定义写,即可得到 2kπa2+b2。
4.2 第二类曲线积分
即求变力沿着曲线的做功。
5. 级数