微积分II全书整理
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第一部分 多变量微分学
一、多元函数极限论
1.
多元函数极限的定义:
(1)邻域型定义:设函数
f(P)
的定义域为D
,
P
0
是
D
的聚点,如果存在常数
A
,对于
任意给定的正数
,总存在正数
,使得当点
P
DU
(P
0
)
时,都有
f(P)A
,
那么就称常数
A
为函数
f(P)
当
PP
0
时的极限,记作
limf(P)A.
PP
0
(2)距离型定义:设函数
f(P)
的定义域为
D
,
P
0
是
D
的聚点,如果存在常数
A
,对于
任意给定的正数
,总存在正数
,使得当点
PD
,且
0
(P,P
0
)
时,都有
f(P)A
,那么就称常数
A
为函数
f(P)
当
PP
0
时的极限,记作
limf(P)A.
PP
0
注:①这里给出的
是数学分析中国际通用的定义,已自然排除了
P
0
邻域内的无定义点;
②极
限存在的充要条件:点
P
在定义域内以任何方式或途径趋近于
P
0
时
,
f(P)
都有极限;
③除洛必达法则、单调有界原理、穷举法之外,可照搬一元函
数求极限的性质和方法,常用
的有:等价无穷小替换、无穷小×有界量=无穷小、夹挤准则等;
④若已知
limf(P)
存在,则可以取一条特殊路径确定出极限值;相反,如果发现点P
以不
PP
0
同的方式或途径于
P
0
时,<
br>f(P)
区域不同的值,则可断定
limf(P)
不存在.
PP<
br>0
⑤二元函数的极限记为
(x,y)(x
0
,y
0
)
limf(x,y)A
或
limf(x,y)A
.
xx
0
yy
0
2. 多元函数的连续性:设函数
f(P
)
的定义域为
D
,
P
0
是
D
的聚点,如果
P
0
D
,且有
PP
0
limf(P)f(P
0
)
,则称
f(P)
在
P
0
处连续;如果
f(P)
在区域
E
的每一点处都连续,则
称
f(P)
在区域
E
上连续.
注:①如果
limf(P)f(P
0
)
,只称“不连续”,而不讨论间断点类型;
PP
0
②在有界闭区域上
的连续函数拥有和一元函数类似的性质,如有界性定理、一致连续性定理、
最大值最小值定理、介值定理
等.
3.二重极限与累次极限
累次极限与二重极限的存在性之间没有任何必然的联系,但若
某个累次极限和二重极限
都存在,则它们一定相等;反之,若两个累次极限存在而不相等,则二重极限一
定不存在,
又若两个累次极限存在且相等,称累次极限可以交换求极限的顺序.
二、偏导数、全微分
1.偏导数、全微分的相关理论问题
(以二元函数为例讨论)
(1)偏导数的存在性:讨论对某个变量的偏导数,则将其他变量当作常数.
f(x,y
0
)f(x
0
,y
0
)
<
br>f(x
0
,y)f(x
0
,y
0
)
limf
x
'(x
0
,y
0
)
;
l
imf
y
'(x
0
,y
0
)
.
xx
0
yy
0
xx
0
yy
0
(2)可微
性:记
zf(x
0
x,y
0
y)f(x
0<
br>,y
0
)
,则仅当
lim
x0
y0
z
(AxBy)
(x)(y)
22
0
时,
f(x,y
)
在
(x
0
,y
0
)
处可微,否则不可微.其中<
br>Af
x
'(x
0
,y
0
)
,
B
f
y
'(x
0
,y
0
)
.
注:等价于<
br>zAxByo
(x)
2
(y)
2
即
f(x
0
x,y
0
y)f(x
0
,y
0
)(AxBy)o
又即
(
x)
2
(y)
2
f(x,y)f(x
0
,y
0
)
f
x
'(x
0
,y
0
)(xx
0
)f
y
'(x
0
,y<
br>0
)(yy
0
)
o(xx
0
)2
(yy
0
)
2
记
dzAxBy
zz
dxdy
为全微分
f(x,y)
在
(x,y)
处的全微分.
xy
中值定理推广为:
zf
x
'(x
1
x,yy)xf
y
'(x,y<
br>
2
y)y,0
1
,
2
1.
(3)偏导数的连续性:讨论偏导连续性,先用定义求
f
x
'(x
0
,y
0
)
和
f
y
'(x
0
,y
0
)
,用公式
求
f
x
'(x,y)
和
f
y
'(x,y)
,判断
limf
x
'
(x,y)f
x
'(x
0
,y
0
)
和
l
imf
y
'(x,y)f
y
'(x
0
,y
0)
xx
0
yy
0
xx
0
yy
0
是否都成立,如果都成立则偏导数连续.
④逻辑关系:
连续
偏导连续
可微
偏导存在
极限存在
2.多元函数微分法:
(1)链式求导法则:
①从题目中的复合关系画出从起始变量经过中间变量到终变量的复合结构图;
②求偏导就是“
走路”的过程,有几条路,等号后就有几项;每条路上有几段,每项中就会
有几部分相乘(注意:偏导写
偏微分符号“
”, 不偏则写微分符号“
d
”);
③严格遵守用位置表示偏导数的规则,注意避免符号混乱和歧义;
④对于求高阶偏导数的问题
,不论对谁求导,也不论求了几阶导,求导后的新函数仍具有与
原来函数相同的复合结构(注意若偏导连
续则相等,要合并同类项).
(2)全微分形式不变性:仅一阶全微分可以使用,高阶全微分不再成立.
(3)隐函数存在性及求导法则:
①一个方程的情形(以三个变量为例):设
F(x
,y,z)
在点
(x
0
,y
0
,z
0
)<
br>某邻域内偏导连续,
且
F(x
0
,y
0
,z
0
)0
,
F
z
'(x
0
,y
0
,z
0
)0
,则方程
F(x,y,z)0
在点
(x0
,y
0
,z
0
)
内某邻
域内可唯一确定单值
函数
zz(x,y)
,这个函数在
(x
0
,y
0
)
的某邻域内具有连续的偏导数,
且
F
y
'
F'
z
z
.结论不难推广到一般情形.
x
,
xF
z
'
yF
z
'
②方程组的情形:一般地,设方程
组
F
i
(x
1
,x
2
,
,x<
br>n
;u
1
,u
2
,
,u
m
)
0(i
1,2,
m)
可确
定<
br>m
个
n
元函数
u
i
u
i
(x1
,x
2
,,x
n
)
.当雅可比行列式
F
1
u
1
F
2
(F
1
,F
2
,
,F
m
)
J
u
1
(u
1
,u
2
,
,u
m
)
<
br>F
m
u
1
F
1
u
2
F<
br>2
u
2
F
m
u
1
F1
u
m
F
1
u
m
0
F
1
u
m
u
i
(F
1
,F
2
,
,F
m
)<
br>J
时,可以确定其中
J
由将
J
分母中
的第
i
个元素替换成
x
j
,
(u
1
,u
2
,
,u
m
)
x
jJ
得到.(雅可比行列式在横向上改变各自变量,纵向上改变各函数名称)
注:①求导前
应事先判断,
a
个变元,
b
个方程可确定
b
个
(b
a)
元函数;
②有些比较简单的问题不必使用此通法,可以考虑利用全微分形式不变性.
③经验结论:由
u
(x,y,z),v
(x,y,
z),F(u,v)0
确定的隐函数
zz(x,y)
,
2<
br>z
A
求
2
时,有
x
(F
2
')<
br>2
2
u
2
v
u
F
1
'
2
F
2
'
2
0
;
xx
x
2
2
z
Auu
2
u
2
v
求时,有
F
1
'F
2
'0
;
2
xy
xyxy
(F
2
')
xy
A
2
z
求
2
时,有
(F
2
')
2
y
2
u
2
u
2
v
y
F
1
'
y
2
F
2
'
y
2
0
,
2
2
其中
A
(F
2
')F
11
2F
1
'F
2
'F
12
(F
1
')F
22
.(F(x,y)0
的曲率:
A
2
1
(F')(F<
br>2
')
3
2
2
)
三、多元微分学的几何学应用(以下的讨论主要为了计算,条件未必严格)
xx
t
1.曲线的切线和法平面:设曲线
l:
yy
t
在
P
0
处
x'
t
0
,y'
t
0
,z'
t
0
都存在且不为0,
zz
t
则曲线
l
在
P
0
处的:
(1)切线方程为
xx
0
yy
0
z
z
0
:
x'
t
0
y
'
t
0
z'
t
0
(2)法平面方程为
x'
t
0
(xx
0<
br>)y'
t
0
(yy
0
)z'
t
0
(zz
0
)0
.
注:
若曲线以
F(x,y,z)0
F
y'F
z
'
F
z
'F
x
'
F
x
'F
y
'
形式给出,切向量为
,,
,
.
G'G'G'G'
G
x
'
x
<
br>z
G
z
'
y
G(x,y,z)0
y
2.曲面的切平面与法线:设曲面
由方程
F(
x,y,z)0
确定,
F(x,y,z)
在点
P
0
(x<
br>0
,y
0
,z
0
)
处可微,且
F
x
',F
y
',F
z
'
不为0,则曲面
在
P
0
处的:
(1)切平面方程为
F
x
'(xx
0
)F
y
'(yy
0
)F
z
'(z
z
0
)0
(导数已经代入
P
0
坐标);
(2
)法线方程为
xx
0
yy
0
zz
0
.
F
x
'F
y
'F
z
'
注:二元函
数在某点处的全微分等于其在这点处切平面竖坐标的增量.
3.方向导数:
(1)定义式:
u
l
P
0
lim
PP
0
f(P)f(P
0
)
PP
0
(2)若函数
f
(x,y,z)
在点
P
0
处可微,那么
f(x,y,z)
在
点
P
0
处沿所有方向的方向导数存
在,且
f
l
P
0
fff
cos
cos
cos
,其中
cos
,cos
,cos
为
l
的方向余弦.
xyz
注:沿所有
方向的方向导数存在不能推出可微,偏导数存在不能推出各方向导数存在.
4.梯度:
(1)计算:
grad
u=
u
u
u
i+j+k
;
x
y
x
(2)
grad
u
是u(P)
在点
P
的变化量最大的方向,其模等于这个最大变化率;
(3)梯度的运算法则和一元函数的求导法则相似;
(4)方向导数等于梯度在该方向上的投影.
四、极值与最值问题
1.二元函数的非条件极值问题
(1)极值的必要条件:对偏导数存在的函数
f(x
,y)
,在
M(x
0
,y
0
)
处有极值的必要条件
是
f(x
0
,y
0
)f(x
0
,y<
br>0
)
0
.(可推广到三元及以上)
xy
(2)极值
的充分条件:设
M(x
0
,y
0
)
为函数
f(x,
y)
的驻点,且
f(x,y)
在
(x
0
,y
0)
处连续,
记
Af
xx
(x
0
,y
0
),Bf
xy
(x
0
,y
0
),CAf<
br>yy
(x
0
,y
0
),BAC
,则:
①
0
时,
(x
0
,y
0
)
是极值点
,当
A0
时,
f(x
0
,y
0
)
为极小
值;当
A0
时,
f(x
0
,y
0
)
为极
大值;
②
0
时,
(x
0
,y
0
)<
br>不是极值点;
③
0
时,此法失效,另谋它法.
注:本方法不可
推广到三元及以上,三元及以上的充分条件中,要求黑塞矩阵正定或负定.
(本知识不做要求,在出题人
手下不会出现三元以上的极值判断问题)
2.条件极值与拉格朗日乘数法
(1)一般情况下
的拉格朗日乘数法:求函数
uf(x
1
,x
2
,,x
n
)
在条件
i
(x
1
,x
2
,
,x
n
)
下
的条件极值
(i1,2,m,mn)
,可
以从函数
2
F(x
1
,,x
n
,
1
,,
n
)f(x
1
,x
2
,,x
n
)
i
i
(x
1
,x
2
,,x
n
)
i1
m
的驻点中得到可能的条件极值的极值点.
步骤:
①构造辅助函数;(注意:变量均为独立变量)
②求各变量的一阶导并令其为零,联立得到方程组;
③解方程组得到所有驻点.(解无定法,尽量利用观察法)
(2)对“条件极值”的解读:
事实上,只利用拉格朗日乘数法求条件极值无异于掩耳盗铃.由于对于多元函数,构造
拉格朗日
函数后会出现至少三个变量,在数学上欲判断求得的驻点是否是极值点需要利用三
阶以上的黑塞矩阵.而
出题人为了回避这一知识点,通常以实际问题的形式来考察拉格朗日
乘数法.由于在实际问题的背景下必
存在最值,可以认为“所得即所求”,但是实际上求出的
并不是真正的条件极值,而是在条件下的最值.
所以,出题人通常在题目中会以“最值”来
代替极值进行考察.
五、习题
2
u
2
u
y
1.已知方程
2
2
0
有
u<
br>
形式的解,求出此解.
xy
x
2.已知二元函数
zf(x,y)
可微,两个偏增量:
x
z
(23x
2
y
2
)x3xy
2
x
2y
2
x
3
,
y
z2x3
yyx
3
y
2
.
且
f(0,0)1
,
求
f(x,y).
2
z
3.设
F(
xyz,xyz)0
确定
zz(x,y)
,其中
F
有二
阶连续偏导数,求
.
xy
222
4.已知函数
zf
(x,y)
可微,且有
zz
z
0,
y0.
现在
将
x
作为满足方程
(xz)
x
xy
y,z
的函数,求
x
.
y
5.设
yf(x,t),
t
是由方程
F(x,y,t)0
确定的
x
,
y
的函数,其中
F
和
f
均有一阶连续的
偏导数,求
dy
.
dx
6.设
x
(u,v),y
(u,v),zf(u,v),
z
是
x
,
y
的二元函
数,求
z
z
.
及
x
y
7.求函数
we
的方向导数.
8.求gra
d[
c
·
r+
2y
ln(xz
2
)
在
点
(e
2
,1,e)
处沿曲面
xe
uv
,y
e
uv
,ze
uv
的法线向量
1
ln(c
·<
br>r)],
其中
c
为常向量,
r
为向径,且
c
·
r >0.
2
'
9.设二元函数
f
在
P
0
(x
0
,y
0
)
点某邻域内偏导数
f
x
'
和
f
y
都有界,证明:
f
在此邻域内
连续.
10.设
f
x
'
(x
0
,y
0<
br>)
存在,
f
y
(x,y)
在
(x
0
,y
0
)
处连续,证明:
f(x,y)
在
(x
0<
br>,y
0
)
处可微.
'
x
3
y
3
,(x,y)(0,0)
11.证明:函数
f(x,y)<
br>
x
2
y
2
在原点处偏导数存在但不可微.
<
br>0,(x,y)(0,0)
12.设
zz(x,y)
是由方程<
br>2
x
y
其中
有连续的二阶导函数,证
明:
确定的二元函数,
zz
2
z
2
z
2
z
.
xy
x
2
y
2
13.证明:曲面
e
2xz
f(
y2z)
是柱面,其中
f
可微.
第二部分 多变量积分学
一、各类积分的计算公式及意义
(一)二重积分
1.计算公式
①直角坐标系下的二重积分:
②极坐标系下的二重积分:
f
x,y
dxdy
dx
D
a
b
by
2
(x)
y
1
(x)
f
x,y
dy
dy
c
dx
2(y)
x
1
(y)
f
x,y
dx
D
f
x,y
dxdy
d
r
2
(
)
r
1
(
)
f
rcos
,rsin
rdr
rdr
a<
br>
2
(r)
1
(r)
f
rco
s
,rsin
d
.
(x,y)
dudv
(u,v)
③二重积分的变量替换:
xy
f
x,y
dxdy
uv
f
x(u,v),y(u,v)
2
.几何意义:
f
x,y
0
时,表示以
z0
为底,以
zf
x,y
为顶的曲顶柱体的体积.
3.物理意义:各点处面密度为
f
x,y
的平面片
D
的质量.
(二)三重积分
1.计算公式
①直角坐标系下的三重积分:
(1)柱型域:
投影穿线法(先一后二法):
(2)片型域:
定限截面法(先二后一法):
f
x,y,z
dV
d
xdy
V
xy
z
2
x,y
z
1
x,y
f
x,y,z
dz
V
f
x,y,z
dV
dz
f
x,y,z
dxdy
z
1
D
z
z
2
②柱面坐标系下的三重积分:
f
x,y,z
dV
f
rcos
,rsin
,z
rdrd<
br>
dz
d
VV
r
2
r
1
rdr
z
2
r,
z
1
r,
f
rcos
,rsin
,z
dz
③
球面坐标系下的三重积分:
V
f
x,y,z
<
br>dV
f
rsin
cos
,rsin
sin
,rcos
r2
sin
d
d
dr
V
d
2
1
sin
d
<
br>
r
2
,
r
1<
br>
,
f
rsin
cos
,rsin
sin
,rcos
<
br>
r
2
dr
④三重积分的变量替换:
V
xyz
f
x,y,z
dV
f
x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w)
Vuvw
(x,y,z)
dudvdw
(u,v,w)
2.
物理意义:各点处体密度为
f
x,y,z
的几何形体
的质量.
(三)第一型曲线积分:
1.计算公式
①平面曲线的情形:
b
xx
t
,
(1)
C:
atb
则
f
x,y
ds
f
x
t
,y
t
x
2
t<
br>
y
2
t
dt.
Ca
yy
t
,
(2)
C:y
g
x
,axb
则
(3)
C:rr
,
则
②空间曲线的情形:
C
f
x,y
ds
f
x,g
x
1g'
2
x
dx.
a
b
f
x,y
ds
f
r
cos
,r
s
in
C
r
2
r
2
d
.
xx
t
,
C:
yy
t
,atb
:
f
x,y,z
ds
f
x
<
br>t
,y
t
,z
t
x
2
t
y
2
t
z'
2
t
dt.
C
zz
t
,
<
br>2.几何意义:以
C
为准线,母线平行于
z
轴的柱面介于
z
0
与
zf
x,y
间的面积.
3.物理意义
:各点处线密度为
f
x,y
(或
f
x,y,z
)的曲线
C
的质量.
(四)第一型曲面积分:
1.计算公式:
f
x,y,z
dS<
br>
f
x,y,z
x,y
S
xy
z
z
1
y
dxdy.
x
2
2
2.物理意义:各点处面密度为
f
x,y,z
的曲面
S
的质量.
(五)第二型曲线积分:
1.计算公式:
①平面曲线的情形:
C:
xx
t
,
atb
yy
t
,
b
a
P(x,y)
dxQ(x,y)dy
C
P(x(t),y(t))dx(t)Q(x(t)
,y(t))dy(t)
xx
t
,
②空间曲线的情形:
C:
yy
t
<
br>,atb
zz
t
,
C
b
P(x,y,z)dxQ(x,y,z)dyR(x
,y,z)dz
P(x(t),y(t),z(t))dx(t)Q(x(t),y(t),z(t
))dy(t)z(x(t),y(t),z(t))dz(t)
a
2.物理意义:力场
F=P(x,y,z)i+
Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k
沿有向曲线
C
所做的功.
(六)第二型曲面积分:
1.计算公式:
P(x,y,z)dydzQ(x,y,z)dzdxR(x,y,z)dxdy
S
z
z
P(x,y,z(x,y))
Q(x,y,z(x,y))R(x,y,z(x,y))
dxdy
.
x
y
xy
<
br>
2. 物理意义:流速场
v=P(x,y,z)i+
Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k
单位时间通过有向曲面S流向指定
一侧的净通量.
二、各种积分间的联系
1. 第一型曲线积分与第二型曲线积分:
C<
br>PdxQdyRdz
Pcos
Qcos
Rcos
ds.
C
2.
第一型曲面积分与第二型曲面积分:
PdydzQdzdxRdxdy
Pcos
Qcos
Rcos
dS.
SS
3. 第二型曲线积分与二重积分(Green公式):
QP
PdxQdy
C
x
y
dxdy.
D
4. 第二型曲面积分与三重积分(Gauss公式):
<
br>P
Q
R
PdydzQdzdxRdxdy<
br>
x
y
z
dV.
SV
5.
第二型曲线积分与第二型曲面积分(Stokes公式):
RQ
QP
PR
PdxQdyRdz
dydzdzdx
C
yz
dxdy.
zxxy
S
三、各种积分的通用性质
1.黎曼积分的性质
1°
f
P
g
P
d
f
P
d
<
br>
g
P
d.
1
2°
f
P
d
f
P
d
f
P
d
,其中
1
2<
br>
2
,且
1
与
2
无公共内点.
3°若
f
P
g
P
,
P
,则
f
P<
br>
d
g
P
d.
若
f
P
g
P<
br>
,f
P
g
P
,且
f
P
,g
P
连续,
P
,则
f
P
d
g
P
d.
4°
<
br>
f
P
d
f
P
d.
5° 若
f
P
在积分区域
上的最大值为M,最小值为m,则
m
f
P
dM.
6°
若
f
P
在有界闭区域
上连续,则至少有一点
P
,使
2
f
P
dfP
.
3
7° 若
R
关于坐标轴对称,当
f
P
关于垂直该轴的坐标
是奇函数则为0;若
R
关
于坐标平面对称,当
f
P<
br>
关于垂直该平面坐标轴的坐标是奇函数时为0.
8° 将坐标轴重新命名,如果积分
区域不变,则被积函数中的
x,y,z
也同样作变化后,积分值
保持不变.
2.第二型积分的性质
1° 设
是与
方向相反的几何
体,则
A(P)d
A(P)d
.
2°
A
P
B
P
d
A
P
d
B
P
d.
<
br>
3°若
1
2
,
则
A(P)d
1
A(P
)d
A(P)d.
2
4°若
e
p
A
P
,
P,
则<
br>
A(P)d0.
5°设
P
,
e
p
=
cos
P
,cos
P
,cos
P
,
A
P
=
P(P),Q(P),R(P)
,则
A(P)d
P(P)cos
P
Q(P)cos
P
R(P)cos
P
d
6° 将坐标轴重新命名,如果曲线或曲面的方程
不变,则被积函数中的
x,y,z
也同样作变化后,
积分值保持不变.
四、各种积分的应用
1.形心坐标公式:
x
M
xd
,
y
M
yd
,z
M
zd
.
质心坐标公式:x
M
xd
M
d
,
y
M
yd
M
d
,z
M
zd
M
d
.
2.转动惯量:
I
2
M
d
.
Mr
3.旋度:
rot
F(M)=
RQ
PR
QP
i+
z
x
j+
x
y
k
.
yz
4.散度
:div
F(M)=
PQR
.
xyz
M
五、习题
1.计算<
br>2.计算
3.计算
4.计算
5.计算
xa(tsint
)
2
其中
D
由横轴和摆线的一拱
(0t2
,
a0)
围成.
ydxdy,
ya(1co
st)
D
D
1sin
2
(xy)dxdy,
其中
D
:
0x
,0y
.
a
2
x
2
y
2
dxdy,
其中
D
:
x
2
y
2
ay,yx,a0.
x
2
y
2
dxdy,
其中
D
:
0xa,0ya.
3
D
D
y
1xf(z)
dV,
其中
V<
br>是由不等式组
1x1,x
V
y1,0zx
2
y
2
所限
定的区域,
f(z)
为任一连续函数.
x
2
y
2
222222
6.计算
其中
V<
br>是由不等式组
xyz1,xy(z1)1
所确
dV,
2
z
V
定的空间区域.
7.计算
8.计算
V
V
x
2
y
2
z
2
1dV,
其中
V
是由锥面
zx
2
y
2
和平面
z1
围成的立体.
0,0)
处,底为平面
xyz3
上以
(1,1,1)
(x2y3z)dV,
其中
V
是顶点在
(0,<
br>为圆心,1为半径的圆的圆锥体.
8.计算
xds,
其中
l
为双曲线
xy1
上点
(,2)
到
(1,1)
的弧段. <
br>l
1
2
x
2
y
2
z
2
a
2
9.计算
(2yz2zx2x
y)ds,
其中
L
是空间圆周
.
3
L
xyza
2
z
x
2
y
2
ds,
z
2
1
的上半部分,10.计算
其中
S
是椭球面点
P(x,y,z)S,
22
(x,y,z)
D
为
S
在点
P
处的切平面,
(x,y,z)
为原点
(0,0,0)
到平面
的距离.
2
11.计算
(x1esinx)dyecosxdx,
其中
l
是由由原点沿
yx
到点
(1,1)
的曲线.
l
222
xyz4x
z0
,12.计算
(yz)dx(zx)dy(xy)dz,
其中
:
22
xy2x
2yy
222222
从
z
轴正向看
取逆时针方向.
13.计算
(xy)dx(xy)dy
xtsint
,
其中
l
为摆线从
t0
到
t2<
br>
的弧段.
22
l
xy
y1cost
14.计算
(2x2x
S
3
e
)dydz(zy
2
6x
2
yz
2
x)dzdxz
2
ydxdy,
其中
S
是由抛物面
1
y,x1,y1
所围成的立体表面的外侧.
2
z
4x
2
y
2
,坐标面
xoz,yoz
及平面
z
15.计算
(x
S
3
y
2
)d
ydz(y
3
z
2
)dzdx(z
3
x
2
)dxdy,
其中
S
是由锥面
yx
2
z
2
与半球面
yR
16.计算
R
2
x
2z
2
(R0)
构成的闭曲面的外侧.
x
z
x
22
其中是由
yxz1
f
dzdxzfdxdy,
y
y
y
x
x
f
dydz
y
y
和
y9
x
2
z
2
所围立体表面的外侧,
f(u)
是有连续导数的函数.
17.计算
zy
1
2
(8y1)xdydz2(1y)dzdx4yzdxdy,
1y3
绕其中
S
是由
S<
br>
x0
y
轴旋转一周所得到的曲面,它的法向量与
y
轴正向
夹角恒大于
18.计算
.
2
S
2
y
x
2
z
2
dzdx,
其中
S
是曲面
yx
2
z
2
及
y1
,
y
2
所围立体表面外侧.
19.求闭曲面
(x
2
y
2
z
2
)
2
a
3
z
所围成的立体体
积.
20.求锥面
yzx
含在圆柱面
xya
内部分的面积.
222222
x
2
1
3x9
旋转形成的旋转曲面
的面积.
lnx(1x2)
绕直线
y
21.求由曲线
L<
br>:
y
48
42
x
3
4
2x(0x1
)
绕直线
L
:
yx
旋转形成的旋转曲面的面积. 22.求平面曲
线段
l
:
y
3
3
23.设函数
f(x)
在区间
[0,1]
上连续,并设
1
0
f(x)dxA,
求
1
0
dx
f(x)f(y)dy
.
x
1
2222
xyzR
z0
对三个坐标轴转动惯量之和. 24.求线密度为
x
的物质
曲线
22
xyRx
25.设
r=xi+
yj+zk, r=|r|.
(1)求
f(r)
,使div[
f(r)r
]
=0;
(2)求
f(r)
,使div[grad
f
(r)
]
=0.
26.设函数
f(x)
在区间
[0,1]
上连续、正值且单调下降,证明:
xf(x)dx
00
1
0
1
xf
2
(x)dx
1
1
f
2
(x)dx
0
f(x)dx
.
27.设函数
f(t)
连续,证明:
f(xy)dxd
y
D
A
A
f(t)(A|t|)dt.
a
28.证明:
108
5
xyz
3adS(323a)
3
a
5
(a0)
,
其中
是球面:
3
x
2
y
2
z
2
2ax2ay2az2a
2
0.
29.设
是弧长为
s
的光滑曲线段,函数
P(x
,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)
在
上连续,且
MmaxP
2
Q
2
R
2
.
证明:
PdxQdyRdzMs.
30.设在上半平面D
(x,y)|y0
内函数
f(x,y)
具有
连续偏导数,且对任意的
t0
,
都有
f(tx,ty)t
2<
br>f(x,y).
证明:
光滑的有向简单闭曲线.
L
yf(x,y)dxxf(x,y)dy0
,其中
L
是
D
内任意分段
第三部分
无穷级数
一、数项级数
(一)数项级数的基本性质
1.收敛的必要条件:收敛级数的一般项必趋于0.
2.收敛的充要条件(柯西收敛原理)
:对任意给定的正数
,总存在
N
使得对于任何两个
N
大于
的正整数
m
和
n
,总有
S
m
S
n
.(即部分和数列收敛)
3.收敛级数具有线性性(即收敛级数进行线性运算
得到的级数仍然收敛),而一个收敛级数
和一个发散级数的和与差必发散.
4.对收敛级数的项任意加括号所成级数仍然收敛,且其和不变.
5.在一个数项级数内去掉或添上有限项不会影响敛散性.
(二)数项级数的性质及敛散性判断
1.正项级数的敛散性判断方法
(1)正项级数基本定理:如果正项级数的部分和数列有上界,则正项级数收敛.
(2)比较
判别法(放缩法):若两个正项级数
u
n1
n
和
v
n1
n
之间自某项以后成立着关系:
存在常数
c0
,使
u
n
cv
n
(n1,2,),那么
(i)当级数
v
n1
n1
n
收敛时,级数
u
n1
n1
<
br>n
亦收敛;
(ii)当级数
u
n
发散时,级数<
br>
v
n
亦发散.
推论:设两个正项级数
u
n
和
v
n
,且自某项以后有
n1n1
u
n1
v
n1
,那么
u
n
v
n
(i)当级数
v
n1
n
1
n
收敛时,级数
u
n1
n1
n
亦收敛;
(ii)当级数
u
n
发
散时,级数
v
n
亦发散.
(3)比较判别法的极限
形式(比阶法):给定两个正项级数
il
若
m
u
n
和
v
n
,
n1n1
u
n
l0
,
n
v
n
那么这两个级数敛散性相同.(注:可以利
用无穷小阶的理论和等价无穷小的内容)
另外,若
l0
,则当级数
v
n1
n
收敛时,级数
u
n1
n
亦收敛;若
l
,则当级数
u
n1<
br>n
发
散时,级数
v
n1
n
亦
发散.
常用度量:
①等比级数:
q
n0
n
,当
q1
时收敛,当
q1
时发散;
②
p
-级数:
1
,当
p1
时收敛,当
p1时发散(
p1
时称调和级数);
p
n
n1
③广义
p
-级数:
n
lnn
n2
1
p
,当
p1
时收敛,当<
br>p1
时发散.
④交错
p
-级数:
(1)n1
n1
1
,当
p1
时绝对收敛,当
0p1
时条件收敛.
n
p
(4)达朗贝尔判别法的极限形式(商值法):对于正项
级数
u
n
,当
lim
n1
u
n1
r1
时
n
u
n
u
n
1
r1
时级数
u
n
发散;当
r1
或
r1
时需进一步判断. 级数
u
n
收敛;当
lim
n
u
n1n1
n
(5)柯西判
别法的极限形式(根值法):对于正项级数
u
n1
n
,设
rlim
n
u
n
,那么
r1
n
时此级数
必为收敛,
r1
时发散,而当
r1
时需进一步判断.
(6)柯
西积分判别法:设
u
n1
n
为正项级数,非负的连续
函数
f(x)
在区间
[a,)
上单调
下降,且自某项
以后成立着关系:
f(u
n
)u
n
,则级数
2.任意项级
数的理论与性质
(1)绝对收敛与条件收敛:
①绝对收敛级数必为收敛级数,反之不然;
②对于级数
n1
u
n
与积分
<
br>0
f(x)dx
同敛散.
u
n1
n
,将它的所有正项保留而将负项换为0,组成一个正项级数
v
n1
n
,其中
v
n
u
n
u
n
2
u
n
u
n
2
;将它的所有负项变号而将正项换
为0,也组成一个正项级数
w
n1
n
,其中
w
n
,那么若级数
u
n1
n
n
绝对收敛,则级数
v
n1
n
和
w
n1
n
都收敛;若级数
u
n1
n
条件收敛,则级数
v
n1
n
和
w
n1
都发散.
③绝对收敛级数的更序级数(将其项重新排列后得到的级数)仍绝对收敛,且其和相同.
④若级数
u
n1
n
和
v
n1
n
都绝对收敛,它们的和分别为
U
和
V<
br>,则它们各项之积按照任何方
式排列所构成的级数也绝对收敛,且和为
UV
.特
别地,在上述条件下,它们的柯西乘积
u
n
v
n
也绝对收敛,且
和也为
UV
.
n1
n1
注:
c
n
u
n
v
n
,这里
c
n
u
1
v
n
u
2
v
n1
u
n1
v
2
u
nv
1
.
n1
n1
n1
(2)交错级数的敛散性判断(莱布尼兹判别法):若交错级数
(1
)
n1
n1
u
n
满足
limu
n<
br>0
,
n
且
u
n
单调减少
(即
u
n
u
n1
),则
(1)
n
1
n1
u
n
收敛,其和不超过第一项,且余和的符号
与第一项符号相同,余和的值不超过余和第一项的绝对值.
二、函数项级数
(一)幂级数
1.幂级数的收敛半径、收敛区间和收敛域
(1)柯西-阿达马定理:幂级数
a
n0
n
(xx
0
)
n在
xx
0
R
内绝对收敛,在
xx
0
R
内发散,其中
R
为幂级数的收敛半径.
(2)阿贝尔第一定理:若幂级数<
br>
a
n0
n
则它必在
xx
0
x
0
(xx
0
)
n
在
x
处收敛,
内绝对收敛;又若
a
n0
n
(xx
0
)
n
在
x
处发散,
则它必在
xx
0
x
0
也发散.
推论1:若幂级数
a
n0
n
x
n
在
x
(
0)
处收敛,则它必在
x
内绝对收敛;又若幂
级数
a
n0
n
x
n
在
x
(
0)
处发散,则它必在
x
时发散.
推论2:若幂级数
a
n
0
n
(xx
0
)
n
在
x
处
条件收敛,则其收敛半径
R
x
0
,若又有
a
n
0
,则可以确定此幂级数的收敛域.
(3)收敛域的求法:
令
lim
a
n1
(x)
1
解出收敛区间再单独讨论端点
处的敛散性,取并集.
n
a(x)
n
2.幂级数的运算性质
(1)幂级数进行加减运算时,收敛域取交集,满足各项相加;进行乘法运算时,有:
<
br>
n
n
n
a
n
x
b
n
x
a
i
b
ni
x
n
,收敛域仍取交集.
n0
n0
n0
i0
(2)幂级数的和函数
S
(x)
在收敛域内处处连续,且若幂级数
a
n0
n
(x
x
0
)
n
在
xx
0
R
处收敛,则<
br>S(x)
在
x
0
R,x
0
R
内连续;又若幂级数
敛,则
S(x)
在
x
0<
br>R,x
0
R
内连续.
a
n0<
br>
n
(xx
0
)
n
在
xx
0<
br>R
处收
(3)幂级数的和函数
S(x)
在收敛域内可以逐项微分和逐
项积分,收敛半径不变.
3.函数的幂级数展开以及幂级数的求和
(1)常用的幂级数展开:
x
n
1
2
1
n
①
e1xxx
,
x(,
+).
2!n!
n!
n0
x
1
2n
=
1+x+x+·
②
··+x+···
=
x
n
,
x(1, 1).
1x
n0
1
1
n
从而,
(1)
n
x
2n
.
(x)
,<
br>2
1x
n0
1x
n0
1
3
1
5
x
2n1
x
2n1
nn
③
si
nxxxx(1)
,
x(, +).
(1)
3!5!(2n1)!(2n1)!
n0
2n2n
1
2
1
4n
x
n
x
④
cosx1
xx(1)
,
x(, +).
(1
)
2!4!(2n)!(2n)!
n0
n
1
2
1
3
1
n1nn1
x
1x)xxx(1)x
(1)
⑤
ln(
,
x(1, 1].
23n1n
n1
⑥
(1x)1
x
(
1)
2!
x
2
(
1)
(
n1)
n!
x
n
,
x(1, 1).
1x
3
(2n1)!!x
2n1
(2n)!
⑦
arcsinxx
n
x
2n1
,
x
[1, 1].
2
23(2n)!!2n1
n0
4(n!
)(2n1)
1
3
11
n2n1
⑧
arct
anxxx(1)x
(1)
n
x
2n1<
br>,
x[1, 1].
32n12n1
n0
(2)常用的求和经验规律:
①级数符号里的部分
x
可以提到级数外;
②系数中常数的幂中若含有
n
,可以与
x
的幂合并,如将
c
n
和
x
n
合并为
(cx)
n
;
③对
a
n0
n
x
求导可
消去
a
n
分母因式里的
n
,对
a
nx
n
积分可消去
a
n
分子因式里的
n1
;<
br>n
n0
④系数分母含
n!
可考虑
e
x<
br>的展开,含
(2n)!
或
(2n1)!
等可考虑正余弦函数的展开;
⑤有些和函数满足特定的微分方程,可以考虑通过求导发现这个微分方程并求解.
(二)傅里叶级数
1.狄利克雷收敛定理(本定理为套话,不需真正验证,条件在命题人手下必然成立)
若
f(x)
以
2l
为周期,且在
[l,
l]
上满足:
①连续或只有有限个第一类间断点;
②只有有限个极值点;
则
f(x)
诱导出的傅里叶级数在
[l, l]
上处处收敛.
2. 傅里叶级数
S(x)
与
f(x)
的关系:
f(x),x为连续点;
f(x0)f(x0)
<
br>S(x)
,x为间断点;
2
f(l0)
f(l0)
,x为边界点.
2
3.以
2l
为周期的函数的傅里叶展开展开:
a
0
n
xn
x
f(x)~S(x)
a
n
cosb
n
sin
2
n1
ll
1
l
a
0
l
l
f(x)dx
1
l
n
x
dx
; (1)在
[l, l]
上展开:
a
n
f(x)cos
l
ll
1
l
n
x
bf(x)sindx
n
l
l
l
(2)正弦级数与余弦级数:
a
0
0
①奇函数(或在非对称区间上 作奇延拓)展开成正弦级数:
a
n
0
;
2
l
n
x
b
n
f (x)sindx
l
0
l
2
l
a< br>
0
l
0
f(x)dx
2
l< br>n
x
②偶函数(或在非对称区间上作偶延拓)展开成余弦级数:< br>
a
n
f(x)cosdx
;
0ll
b
n
0
4.一些在展 开时常用的积分:
(1)
0
(1)
n1
1
sinnxdx;
cosnxdx0;
0< br>n
11n
(2)
2
sinnxdx ;
2
cosnxdxsin
;
00
nn2
( 3)
0
(1)
n1
(1)
n
1
2
2
(1)
n< br>xsinnxdx;
xcosnxdx;
0
xcos nxdx
n
2
;
0
n
n
2
1
ax
e(asinnxncosnx)C
;
22
an1
ax
e
ax
(nsinnxacosnx)C
;
ecosnxdx
22
an
ax
(4)
es innxdx
(5)
sinaxsinnxdx
11
sin (an)xsin(an)xC
;
2(an)2(an)
11
sin(an)xsin(an)xC
.
2(an)2(an)
x
cosaxcosnxd
注:①求多项式与三角函数乘积的积分时可 采用列表法,注意代入端点后可能有些项为0;
②展开时求积分要特别注意函数的奇偶性及区间端点和间断点的特殊性;
③对于
l
的情形,事先令
t
l
x
对求积分通常是有帮助的.
五、习题
1.判断下列数项级数的敛散性,若收敛,不是正项级数的指出是绝对收敛还是条件收敛.
(
1)
n1
n
2
1
2
n
n
n
;
(2)
n
n1
,其中
非负;
(3)
n1
4
0tan
n
xdx
n
,其中
0
;
(4)
(1)
n1
n1
1
n<
br>p
1
n
;
(5)
(
)<
br>n
n1
n!
,其中
0
;
n
n
(6)
(1)
n
n2
(2n3)!!
.
(2n1)!!
2
n
3
nn
2.求幂级数
x
的收敛域.
n
n1
a
n
b
n
n
3.求幂级数
n
n
x
的收敛域,其
中
a,b
为正数.
n1
4.将下列函数展开成
x
的幂级数.
(1)
x
12x
;
(2)
arcsinx
;
(3)
11x1
lnarctanxx
.
41x2
5.求下列幂级数的收敛域及和函数.
(1)
(1)
n1
n1
n
2
x
n
;
(2)
(1)
n1
n1
x
2
n
;
n(2n1)
x
3n
(3)
;
!
n0
3n
6.求数项级数
(1)
n1
n1
2n
2
的和.
n<
br>(2n)!2
(2n1)
7.设
f(x)
arcta
nx
,
分别求出
f
2
(0)
和
f
(2n)
(0)
.
8.求极限
lim
x0
sinx
0
sin(t
2
)dt
x
2n1
n
n1
n2
.
1
9.求极限
lim
x0
4
5!
4
8
9!<
br>8
4n4
(4n3)!
4n
4
1
3!7!11!(4n1)!.
l
x,0x
2
10.
将函数
f(x)
展开成正弦级数.
lx,
lxl
2
l
x
cos,0
x
l2
11.将函数
f(x)
展开成
余弦级数.
l
0,xl
2
12.将函
数
f(x)arcsin(sinx)
展开成傅里叶级数.
13.证明:幂级数<
br>
n1
(k!)
k1
n
2
(2n)!
x
n
在
(3,3)
内绝对收敛.
14.求函数
F(x)f(t)f(xt)dt
的傅里叶系数
A
n
,B
n
,其中
f(x)
是以
2
为周期
的
1
连续函数,
a
n
,b
n
是其傅里叶系数.并证明:
1
2
a
0
22
f(t)dt
(
a
n
b
n
).
2
n1
2