1知识回顾
1.1 空间解析几何
1. 向量的基本运算
- 1.
点乘:.
- 2.
叉乘:,其中,其方向由右手螺旋定则确定. 坐标表示:
(1.1) - 3.
- (a).
共线的充要条件:.
- (b).
共面的充要条件:.
- (a).
2. 平面方程的构建
常见的构建方式有三种:
- 1.
截距式.
- 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.
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.
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.
直线间:平行即,正交即,异面即,其中分别为两直线上的点.
- 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.
两点间的距离公式.
- 2.
点面距离:.
- 3.
点线距离:.
- 4.
平行平面间距:.
- 5.
平行直线间距:.
- 6.
异面直线面间距:.
6. 常见二次曲面的识别
- 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.
锥面:在应试中基本以或的形式出现,trivial.
- 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.
椭球面:.
- 5.
双曲面:,其中单叶和双叶分别对应于和. 一个比较简单的区分方法是,分别取为零,单叶双曲面始终与坐标平面有交线,而双叶双曲面与其一坐标平面不相交(实际上对应这里的负项).
- 6.
椭圆抛物面:.
- 7.
双曲抛物面:.
7. 常用空间坐标系
柱坐标系:
其中,体积元
球坐标系:
其中,体积元
1.2 多变量函数的微分学
1. 函数的极限与连续性
- 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,参见第四次习题课讲解的习题9.1的第19题.
- 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.
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.
可微:记,则
(1.11)
3. 方向导数与梯度
- 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.
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.
常在重积分中利用二元和三元的Jacobi行列式,即
(1.14)(1.15) - 2.
Jacobi行列式的链式法则:
(1.16) - 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.
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.
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.
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
特别地,情形对应二元中值定理:
关于二元函数Taylor展开的一些经验或技巧:
- 1.
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.
- 2.
对于可分解的函数,分别考虑成和的单变量函数Taylor展开至对应结束即可,再将展开式相乘保留对应高阶项.
(9.5.4) 求下列函数的Taylor公式,并指出展开式成立的区域.
- 1.
在点,直到三阶为止.
- 2.
在点,直到四阶为止.
- 3.
在点,直到阶为止.
参见作业答案.
7. 函数极值判断
- 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
(1.24)- (a).
若,则时该点为函数的极小值,时该点为函数的极大值1.
- (b).
若,该点并非极值点.
- (c).
若,无法判断.
- (a).
- 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
(1.25)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- (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
(1.26)那么3
(1.27)进而可计算,回到无约束极值的情形.
- (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).
- (a).
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.
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.
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.
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.
(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.
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
等号成立当且仅当,即.
(Ch9-14) 求函数在区域上的最大值和最小值.
- 1.
在边界上,,可能的极值点满足
(1.29)代入得
(1.30) - 2.
在区域内部,可能的极值点满足
(1.31)因此.
对比各函数值可知,
(9.5.11(4)) 求函数在区域内的最大值与最小值.
- 1.
在边界或上,.
- 2.
在边界上,,则可能的极值点满足
(1.33) - 3.
在区域内部,可能的极值点满足
(1.34)
对比各可能的最值点函数值大小可知,
1.3 多变量函数的重积分
1. 积分性质
- 1.
关于被积函数的线性性:.
- 2.
关于积分区域的线性性:.
- 3.
不等关系的传递性:. 特别地,若在上,则.
- 4.
.
- 5.
积分中值定理:,使得.
2. 积分的对称性(重要)
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.
交换(反)对称性:.
- 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.
(10.3.3(8)) 计算,其中.
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
(10.2.4(4)) 计算,其中.
记,由于被积函数与无关,因此
3. 常用重积分换元
- 1.
广义极坐标换元:面元变换为. 广义柱坐标换元类似.
- 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.
(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.
由题意,
进而
因此二阶展开式为
2.2 利用等值面积分(重要)
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.
计算,其中.
考虑与围成的区域面积:
因此
计算,其中.
考虑,其与坐标平面围成的体积为,因此
(10.2.8) 证明:.
原式.
2.3 柱坐标与球坐标换元的选择(重要)
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.
(10.3.3(3)) 计算,其中由围成.
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
(10.3.4(3)) 计算,其中.
作球坐标变换. 由于具有轮换对称性,可取,则,因此
(10.2.5(8)) 计算由曲面围成的区域的体积.
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
(Ch10-6) 计算曲面所围的体积.
作球坐标变换,则曲面方程化为,因此
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.
出现形如、、的表达式时,通常将其整体换元.
- 2.
区域. 取可将积分区域简化为,Jacobi行列式为.
(10.2.2(4)) 计算,其中为由围成的区域 ().
记,则
此时积分区域为,因此
(10.2.3(2)) 计算由直线围成的平面区域的面积.
记,则
此时积分区域为,因此
(10.2.2(7)) 计算,其中.
记,则
此时积分区域为,因此
(18-19期中) 设是自然数,求积分
记,则
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
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.
(18-19期中) 求椭球
(3.1)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
(3.2)代入球心到平面的距离与球半径,可得
(3.3) - 2.
(20-21期中(4)) 求在原点的4阶Taylor展开式.
解整体代换,因此将单变量函数展开至4阶即可:
(3.4)其中为高阶余项.
- 3.
(20-21期中) 计算积分
(3.5)其中.
解联想到球的轮换对称性,作线性变换,因此
(3.6) - 4.
(20-21期中)
- (a).
求椭球在点的切平面.
- (b).
设是切平面与三个坐标平面围成的区域,求积分
(3.7)
解- (a).
.
- (b).
可考虑局域等值面,其在平面内与坐标轴围成的面积为
(3.8)因此
(3.9)
- (a).
- 5.
(21-22期中(1)) 求函数在点的4阶Taylor展开式.
解教材题9.5.4(2).
- 6.
(21-22期中) 求函数在闭区域上的最大值与最小值.
解教材题9.5.11(4).
- 7.
(21-22期中)
- (a).
计算,其中是由摆线及围成的闭区域.
- (b).
计算,其中是曲面所围成的闭区域.
解- (a).
注意到随单调增且为的函数,因此实际上可用作为曲线的变量,即写成.

图 1时的平摆线图像 因此积分可写成
(3.10)注如果学了函数和B函数,这个积分是非常trivial的,将其改写成的积分,得到结果为.
- (b).
注意到出现了的因子,直接考虑球坐标换元,可得曲面方程,这要求. 积分的旋转对称性给出
(3.11)
- (a).
- 8.
(21-22期中) 证明:积分方程
(3.12)在上至多有一个连续解.
解由于题干不要求证明解的存在性,这里仅需要证明其唯一性. 将研究区域扩展至. 对于在内满足此积分方程的解,其在的边界两侧满足
(3.13)其中,因此在内也是连续解. 假定方程有两个连续解和,首先有. 记,则,且至少一阶可微:
(3.14)并且,进而高阶偏导的存在性均可由其低一阶偏导的存在性导出,即
(3.15)并且. 对于混合偏导,由于存在,结合在原点高阶偏导为零的性质,可得
(3.16)这也就是说,在内原点附近的任意阶Taylor展开式,因此,即,两个连续解完全相同.
注实际上这一解是存在的. 证明所有高阶偏导存在性后,可证明仅有同阶混合偏导 非零,其级数表示为
(3.17)其中为第一类修正Bessel函数.
- 9.
(22-23期中)
- (a).
计算二重积分,其中.
- (b).
计算三重积分,其中积分区域由与所围成.
解- (a).
考虑等值面,其面积为,因此
(3.18) - (b).
注意到积分区域关于对称,但积分函数前两项分别关于为奇函数,因此前两项积分值为0. 由于积分区域出现了的系数,考虑球坐标变换,此时积分区域化为那么
(3.19)
- (a).
- 10.
(23-24期中(6)) 计算,其中区域.
解注意到关于对称,而关于为奇函数,故该项积分值为零. 剩余积分仍考虑半球面的等值面,因此
(3.20) - 11.
(23-24期中) 设在上有连续的二阶偏导数,并满足以及,求证:
(3.21)解由题意,的二阶Taylor展开式为
(3.22)其中,最后一行将其视为向量点乘,或者直接采用Cauchy-Schwarz不等式,可得
(3.23)因此
(3.24)