邓嘉驹
数学分析(B2)汇总/习题课讲义

24春-第6次习题课(期中复习)

第一部分 · 第 7 份 · 2024.05.13 · 18 页 · 24 Spring · Problem Session 6 · Midterm Review

1知识回顾

1.1 空间解析几何

1. 向量的基本运算

  1. 1.

    点乘:.

  2. 2.

    叉乘:,其中,其方向由右手螺旋定则确定. 坐标表示:

    (1.1)
  3. 3.
    1. (a).

      共线的充要条件:.

    2. (b).

      共面的充要条件:.

2. 平面方程的构建

常见的构建方式有三种:

  1. 1.

    截距式.

  2. 2.

    点法式:,其中点分别为平面上的定点和动点. 通常设法找到该平面上的两个向量,利用叉乘构建.

  3. 3.

    平面系方程:适用于绕过定直线的平面. 若该直线给的是交面式

    (1.2)

    则平面系方程为

    (1.3)

    其中可取到. 若该直线给的是点向式,则利用参数式构造两个平面方程即可.

3. 直线方程的构建

特征量即方向向量,通常设法找到直线某一法平面内两个向量,利用叉乘构建方向向量. 对于题设为平面交线的直线,也会使用表达更简便的交面式.

4. 空间中的位置关系

  1. 1.

    平面间:平行即,正交即. 特别地,对于处于角平分线上的平面,可将法向量单位化为,则该平面的法向量为,直线类似.

  2. 2.

    直线间:平行即,正交即,异面即,其中分别为两直线上的点.

  3. 3.

    直线与平面:平行即,包含即直线上任一点在平面上,相交即除此之外的情形. 特别地,正交满足.

5. 空间中的距离计算

原始公式:和,两者分别是对于平面和直线而言的.

  1. 1.

    两点间的距离公式.

  2. 2.

    点面距离:.

  3. 3.

    点线距离:.

  4. 4.

    平行平面间距:.

  5. 5.

    平行直线间距:.

  6. 6.

    异面直线面间距:.

6. 常见二次曲面的识别

  1. 1.

    柱面:在应试中出现基本上是母线平行于坐标轴的情形,trivial.

  2. 2.

    锥面:在应试中基本以或的形式出现,trivial.

  3. 3.

    旋转曲面:某两个分量仅有二次项,且二次项系数相等,具体原因见旋转曲面的构建小小节.

  4. 4.

    椭球面:.

  5. 5.

    双曲面:,其中单叶和双叶分别对应于和. 一个比较简单的记忆方法是,前者有两个变量有下界,对应单叶双曲面的“腰”,而后者只有一个变量,对应双叶双曲面的两个“顶”.

  6. 6.

    椭圆抛物面:.

  7. 7.

    双曲抛物面:.

7. 常用空间坐标系

柱坐标系:

(1.4)

其中,体积元

(1.5)

球坐标系:

(1.6)

其中,体积元

(1.7)

1.2 多变量函数的微分学

1. 函数的极限与连续性

  1. 1.

    极限:对,总,其中点,使得当

    (1.8)

    时,恒成立,则. 当然,一般要用-语言证明极限存在时,通常用后者,因为近似线性的运算通常要来得更简单.

    注

    注意是与坐标点相关的,对于不同坐标点下的与,可能并不存在统一的最小值,参见第三次习题课讲解的习题9.1的第19题.

  2. 2.

    连续:若,则在点连续. 若对上任一点满足(与坐标点无关),则在上一致连续.

2. 偏导数与可微性

  1. 1.

    偏导数:

    (1.9)
    (1.10)

    类似可定义高阶偏导数. 若,则在中阶偏导可交换.

  2. 2.

    可微:记,则

    (1.11)

3. 方向导数与梯度

  1. 1.

    方向导数:记,则

    (1.12)

    几何上,方向导数即在点沿方向的单位增长率. 换言之,沿方向增量有多大,取决于方向导数与增量的乘积.

  2. 2.

    梯度:

    (1.13)

    梯度方向即增长率(绝对值)最高的方向,因为恒成立.

    注

    注意利用梯度计算方向导数时,方向向量一定要单位化.

4. Jacobi行列式

  1. 1.

    常在重积分中利用二元和三元的Jacobi行列式,即

    (1.14)
    (1.15)
  2. 2.

    Jacobi行列式的链式法则:

    (1.16)
  3. 3.

    对于换元,若变换形式为则通常如下计算Jacobi行列式:

    (1.17)

    再反解代入

5. 隐函数偏导数的计算

  1. 1.

    对于满足单一约束条件的变量组来说,若偏导数存在,则

    (1.18)
  2. 2.

    对于双重约束的情形:若计算或这种单个因变量的单个偏导数,则选取与其他任一变量作为因变量(这里选择),对另外两个(自)变量求偏导即可:

    (1.19)

    利用此方程组分别解出即可(这里不建议记书上的公式). 若计算或都需要计算,应将视为一个整体,对方程组取微分即可:

    (1.20)

    整体地计算出而不必拆成偏导分别计算两次.

  3. 3.

    两个常用的偏微分公式(利用隐函数求导法则容易证明):

    (1.21)

6. 二元函数Taylor公式

设,其中凸区域,则

(1.22)

特别地,情形对应二元中值定理:

(1.23)

在考试中通常只出现展开至二次的情形,若要求展开至三次及以上的情形,则通常会出现可整体换元的齐次变量(例如),利用单变量函数的展开公式即可.

例 ps-06-2024.1

{} [9.5.4(2)] 将函数在点处展开至四阶,并指出展开式成立的区域.

解

记,则将展开至二阶即可:

(1.24)

7. 函数极值判断

  1. 1.

    无约束极值:通常为二元或三元函数. 以二元函数为例,计算的点,再计算

    (1.25)
    1. (a).

      若,则时该点为函数的极小值,时该点为函数的极大值1.

    2. (b).

      若,该点并非极值点.

    3. (c).

      若,无法判断.

  2. 2.

    有约束极值:通常为三元函数配单约束. 采用Lagrange乘子法,定义Lagrange函数

    (1.26)

    再计算关于各变量偏导为零的点2. 对于判断极值的部分,在应试中通常为最值判断(见下一小节讨论),因此比较各可疑点函数值大小即可.

    注
    1. (a).

      若需要讨论是否为极值,注意到三元函数在单约束下退化为二元函数,此时可利用二元函数的极值条件判断. 例如若确定了隐函数,即

      (1.27)

      那么3

      (1.28)

      进而可计算,回到无约束极值的情形.

    2. (b).

      对于目标函数含绝对值的情形,通常将其平方后定义为(例如有约束下求点到坐标平面的距离最值).

8. 最值判断

在应试中通常更常出现的是这一类题,相比极值判断有三点需要注意:

  1. 1.

    在题目不限制方法的情况下,最优先考虑不等式解法减少讨论,降低计算量. 常用的不等式有基本不等式与Cauchy不等式.

  2. 2.

    对于闭域,优先考虑边界上可能的极值(边界上的边界点额外计算函数值),以免在内部讨论后遗漏.

  3. 3.

    所有可能的最值点即所有可能的极值点加边界点,且判断最值时不用考虑是否为极值,比较各函数值确定何者最大最小即可.

例 ps-06-2024.2

(9.5.19) 椭球体的内接长方体中,求体积最大的长方体的体积.

注

由内接长方体的对称性,记第一卦限内的顶点为,则其体积为

(1.29)

等号成立当且仅当,即.

例 ps-06-2024.3

(Ch9-14) 求函数在区域上的最大值和最小值.

解
  1. 1.

    在边界上,,可能的极值点满足

    (1.30)

    代入得

    (1.31)
  2. 2.

    在区域内部,可能的极值点满足

    (1.32)

    因此.

对比各函数值可知,

(1.33)

1.3 多变量函数的重积分

1. 积分性质

  1. 1.

    关于被积函数的线性性:.

  2. 2.

    关于积分区域的线性性:.

  3. 3.

    不等关系的传递性:. 特别地,若在上,则.

  4. 4.

    .

  5. 5.

    积分中值定理:,使得.

2. 积分的对称性

研究积分得对称性首先要求积分区域具有某种对称,其次才考虑被积函数相应的对称性. 除去常见的奇偶性,函数还可能具有交换(反)对称性和轮换对称性(常见于三元函数).

  1. 1.

    交换(反)对称性:.

  2. 2.

    轮换对称性:.

值得注意的是,球坐标换元具体到变量时也会考虑轮换对称性. 除去形式为的项,若剩余单变量可考虑作换元(无论其是否为)以减少换元时引入变量的个数.

例 ps-06-2024.4

{} [10.3.3(8)] 计算,其中.

解

注意到关于均为偶函数,因此对积分的贡献为零. 对于前一项,可将换元为,则

(1.34)
例 ps-06-2024.5

{} [10.2.4(4)] 计算,其中.

解

记,由于被积函数与无关,因此

(1.35)

3. 常用重积分换元

  1. 1.

    广义极坐标换元:面元变换为. 广义柱坐标换元类似.

  2. 2.

    广义球坐标换元:体积元变换为.

2应考技巧

2.1 定点偏导数的计算

对于显式函数,容易想到先代入其他变量值化为单变量函数再求导. 但对于隐式函数,这一方法也是适用的.

例 ps-06-2024.6

(9.5.5) 设是由方程所确定的隐函数,当时,试按和的乘幂展开函数至二次项为止.

解

由题意,

(2.1)

进而

(2.2)
(2.3)
(2.4)

因此二阶展开式为

(2.5)

2.2 利用等值面积分

有时被积函数与积分区域含有同一关于积分变量的整体形式. 此时可按的等值面划分积分区域,计算出元体积后积分即可.

例 ps-06-2024.7

计算,其中.

解

考虑与围成的区域面积:

(2.6)

因此

(2.7)
例 ps-06-2024.8

计算,其中.

解

考虑,其与坐标平面围成的体积为,因此

(2.8)
例 ps-06-2024.9

(10.2.8) 证明:.

证明

原式.

2.3 柱坐标与球坐标换元的选择

基本上出现因子或曲面时,不用怀疑,先采用球坐标变换,比较典型的是配合圆锥面出现. 不过对于出现抛物面的情形,由于系统的旋转对称性更高,采用柱坐标可能会使计算更简便.

例 ps-06-2024.10

{} [10.3.3(3)] 计算,其中由围成.

解

作柱坐标变换,结合球面与抛物面的几何图像,积分区域化为和. 边界相交可解得,因此

(2.9)
例 ps-06-2024.11

{} [10.3.4(3)] 计算,其中.

解

作球坐标变换. 由于具有轮换对称性,可取,则,因此

(2.10)
例 ps-06-2024.12

{} [10.2.5(8)] 计算由曲面围成的区域的体积.

解

作球坐标变换. 由于具有轮换对称性,可取,则曲面方程化为 ,因此

(2.11)
例 ps-06-2024.13

(Ch10-6) 计算曲面所围的体积.

解

作球坐标变换,则曲面方程化为,因此

(2.12)

2.4 典型换元

除去常见的柱坐标和球坐标换元,还有两类典型背景的换元.

  1. 1.

    出现形如、、的表达式时,通常将其整体换元.

  2. 2.

    区域. 取可将积分区域简化为,Jacobi行列式为.

例 ps-06-2024.14

{} [10.2.2(4)] 计算,其中为由围成的区域 ().

解

记,则

(2.13)

此时积分区域为,因此

(2.14)
例 ps-06-2024.15

{} [10.2.3(2)] 计算由直线围成的平面区域的面积.

解

记,则

(2.15)

此时积分区域为,因此

(2.16)
例 ps-06-2024.16

{} [10.2.2(7)] 计算,其中.

解

记,则

(2.17)

此时积分区域为,因此

(2.18)

2.5 其他换元依据的表达式

其他常见需要换元的表达式形如4,其中非偶数,为常数. 其换元依据的公式为

(2.19)

当然对于后者还有双曲三角换元. 因此对于正号,可取,然后计算Jacobi行列式再积分即可. 典型例子如星形线的面积计算.

3真题集萃

  1. 1.

    (17-18期中)求定义在星形区域

    (3.1)

    上满足的正值连续函数使得达到最小,并求出这个最小值.

    解

    注意到积分区域具有交换对称性,因此

    (3.2)

    等号成立当且仅当,即被积函数也具有交换对称性,如. 下面计算星形线的面积:

    (3.3)

    综上,

    (3.4)
  2. 2.

    (17-18期中)设是圆上的动点,从原点往圆过点的切线作垂线,垂足为点. 当沿圆运动时,点的轨迹是平面上一条封闭曲线. 求此封闭曲线围成区域的面积.

    解

    记点的参数方程为则恰好为极角. 由几何关系,点到原点的距离,因此

    (3.5)
  3. 3.

    (18-19期中)求椭球

    (3.6)

    被平面分割得到的两块中,体积较小的那一块的体积.

    解

    联想到球的轮换对称性,作线性变换,因此问题转化为单位球被平面分割的较小一块的体积的倍. 该几何体恰好为球缺,可证明高、球半径为的球缺体积为

    (3.7)

    代入球心到平面的距离与球半径,可得

    (3.8)
  4. 4.

    (18-19期中)设是自然数,求积分

    (3.9)
    解

    记,则

    (3.10)
  5. 5.

    (19-20期中)计算积分

    (3.11)

    其中.

    解

    联想到球的轮换对称性,作线性变换,因此

    (3.12)
  6. 6.

    (19-20期中)设,试用Lagrang乘数法求的最大值.

    解

    构造Lagrange函数

    (3.13)

    函数取极值满足

    (3.14)

    已知该函数存在最大值,且,因此5

    (3.15)
  7. 7.

    (19-20期中)

    1. (a).

      求椭球在点的切平面.

    2. (b).

      设是切平面与三个坐标平面围成的区域,求积分

      (3.16)
    解
    1. (a).

      .

    2. (b).

      可考虑局域等值面,其在平面内与坐标轴围成的面积为

      (3.17)

      因此

      (3.18)
  1. 类比一元函数二阶导条件记忆
  2. 通常解方程的方法是,利用前三式解出,代入最后一式即约束条件
  3. 这里不写成是为了避免与混淆
  4. 也就是说当这一形式都不含有时,基本可以放弃挣扎、在直角系里老老实实积分了
  5. 严格些讨论的话,可代入,讨论二元函数极值