《微积分II全书整理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微积分II全书整理（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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：设函数的定义域为，是的聚点，如果存在常数，对于任意给定的正数，总存在正数，使得当点时，都有，那么就称常数为函数当时的极限，记作（2）距离型定义：设函数的定义域为，是的聚点，如果存在常数，对于任意给定的正数，总存在正数，使得当点，且时，都有，那么就称常数为函数当时的极限，记作注：这里给出的是数学分析中国际通用的定义，已自然排除了邻域内的无定义点；极限存在的充要条件：点在定义域内以任何方式或途径趋近于时，都有极限；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
2、穷小有界量=无穷小、夹挤准则等；若已知存在，则可以取一条特殊路径确定出极限值；相反，如果发现点以不同的方式或途径于时，区域不同的值，则可断定不存在.二元函数的极限记为或.2. 多元函数的连续性：设函数的定义域为，是的聚点，如果，且有，则称在处连续；如果在区域的每一点处都连续，则称在区域上连续.注：如果，只称“不连续”，而不讨论间断点类型；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
3、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.；.（2）可微性：记，则仅当时，在处可微，否则不可微.其中，.注：等价于即又即记为全微分在处的全微分.中值定理推广为：（3）偏导数的连续性：讨论偏导连续性，先用定义求和，用公式求和，判断和是否都成立，如果都成立则偏导数连续.逻辑关系：2.多元函数微分法：（1）链式求导法则：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；求偏导就是“走路”的过程，有几
4、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”）；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；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：一个方程的情形（以三个变量为例）：设在点某邻域内偏导连续，且，则方程在点内某邻域内可唯一确定单值函数，这个函数在的某邻域内具有连续的偏导数，且，.结论不难推广到一般情形.方程组的情形：一般地
5、，设方程组可确定个元函数.当雅可比行列式时，可以确定，其中由将分母中的第个元素替换成得到.（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：求导前应事先判断，个变元，个方程可确定个元函数；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.经验结论：由确定的隐函数，求时，有；求时，有；求时，有， 其中.（的曲率：）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）1.曲线的切线和法平面：设曲线 在处都存在且不为0，则曲线在处的：（1）切线方程为：（2）法平面方程为.注：若曲线以形式给出，切向量为.2.曲面的切平面与法线：设曲面由方程确定，在点处可微，且不
6、为0，则曲面在处的：（1）切平面方程为（导数已经代入坐标）；（2）法线方程为.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：（2）若函数在点处可微，那么在点处沿所有方向的方向导数存在，且，其中为的方向余弦.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=i+j+k；（2）grad u是在点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
7、导数存在的函数，在处有极值的必要条件是.（可推广到三元及以上）（2）极值的充分条件：设为函数的驻点，且在处连续，记，则：时，是极值点，当时，为极小值；当时，为极大值；时，不是极值点；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：求函数在条件下的条件极值，可以从函数的驻点中得到可能的条件极值的极值点.步骤：构造辅助函数；（注意：变量均为独立变量）求各变量的一阶导并令其为零，联立得到方程组；解方程组得到所有驻点.（解无
8、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1.已知方程有形式的解，求出此解.2.已知二元函数可微，两个偏增量：且求3.设确定，其中有二阶连续偏导数，求4.已知函数可微，
9、且有满足方程现在将作为的函数，求5.设是由方程确定的,的函数，其中和均有一阶连续的偏导数，求6.设是,的二元函数，求及7.求函数在点处沿曲面的法线向量的方向导数.8.求gradcr+ln(cr),其中c为常向量，r为向径，且cr 0.9.设二元函数在点某邻域内偏导数和都有界，证明:在此邻域内连续.10.设存在，在处连续，证明：在处可微.11.证明：函数在原点处偏导数存在但不可微.12.设是由方程确定的二元函数，其中有连续的二阶导函数，证明： 13.证明：曲面是柱面，其中可微.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.计算公式直角坐标系下的二重积分：极坐标系下的二重积分
10、：二重积分的变量替换：2.几何意义：时，表示以为底，以为顶的曲顶柱体的体积.3.物理意义：各点处面密度为的平面片D的质量.（二）三重积分1.计算公式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）：柱面坐标系下的三重积分：球面坐标系下的三重积分：三重积分的变量替换：2.物理意义：各点处体密度为的几何形体的质量.（三）第一型曲线积分：1.计算公式平面曲线的情形：（1）则（2）则（3）则空间曲线的情形：:2.几何意义：以为准线，母线平行于轴的柱面介于与间的面积.3.物理意义：各点处线密度为（或）的曲线的质量.（四）第一型曲面积分：1.计算公式：
11、2.物理意义：各点处面密度为的曲面的质量.（五）第二型曲线积分：1.计算公式：平面曲线的情形：空间曲线的情形：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：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：2. 第一型曲面积分与第二型曲面积分：3. 第二型曲线积分与二重积分（Green公式）：4. 第二型曲面积分与三重积分（Gauss公式）：5. 第二型曲线积分与第
12、二型曲面积分（Stokes公式）：三、各种积分的通用性质1.黎曼积分的性质12 ，其中，且与无公共内点.3若，则若，且连续，则4 5 若在积分区域上的最大值为M，最小值为m，则6 若在有界闭区域上连续，则至少有一点，使7 若关于坐标轴对称，当关于垂直该轴的坐标是奇函数则为0；若关于坐标平面对称，当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2 3若，则4若ep,则5设ep=，=，则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
13、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：质心坐标公式：2.转动惯量：3.旋度：rotF(M)= i+j+k.4.散度：divF(M)= 五、习题1.计算其中D由横轴和摆线的一拱围成.2.计算其中D: 3.计算其中D: 4.计算 其中D: 5.计算其中V是由不等式组所限定的区域，为任一连续函数.6.计算其中V是由不等式组所确定的空间区域. 7.计算其中V是由锥面和平面围成的立体.8.计算其中V是顶点在处，底为平面上以 为圆心，1为半径的圆的圆锥体.8.计算其中l为双曲线上点到的弧段.9.计算其中L是空间圆周10.计算其中S是椭球面的上半部分，点为S在点P处的切平面，为
14、原点到平面的距离.11.计算其中l是由由原点沿到点的曲线.12.计算其中从z轴正向看取逆时针方向.13.计算其中l为摆线从到的弧段.14.计算其中S是由抛物面，坐标面xoz,yoz及平面所围成的立体表面的外侧.15.计算其中S是由锥面与半球面构成的闭曲面的外侧.16.计算其中是由 和所围立体表面的外侧， 是有连续导数的函数.17.计算其中S是由绕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.计算其中S是曲面及，所围立体表面外侧.19.求闭曲面所围成的立体体积.20.求锥面含在圆柱面内部分的面积. 21.求由曲线L：绕直线旋转形成的旋转曲面的面积.22.求平面曲线段l：绕直线L：旋转形成的旋转曲面的面积.23.设函数在区间上连续，并设求 24.求线密度为的物质曲线对三个坐标轴转动惯量之和.25.设r=xi+yj+zk, r=|r|.（1）求，使divr=0；（2）求，使divgrad=0.26.设函数在区间上连续、正值且单调下降，证明：27.设函数连续，证明：28.证明：其中是球面： 29.设是弧长为s的光滑曲线段，函数在上连续，且 证明：30.设在上半平面内函数具有连续偏导数，且对任意的，都有证明：，其中是内任意分段光滑的有向简单闭曲线.第三部分 无穷级数一
