高数一(下册)复习
需要记忆的一些公式
∫
0
π
2
cos
n
x
d
x
=
∫
0
π
2
sin
n
x
d
x
int_{0}^{frac{pi}{2}} cos^{n}xmathrm{d}x=int_{0}^{frac{pi}{2}} sin^{n}xmathrm{d}x
∫02πcosnxdx=∫02πsinnxdx
x
为偶数:
π
(
n
−
1
)
!
!
2
n
!
!
x为偶数:frac{pi(n-1)!!}{2n!!}
x为偶数:2n!!π(n−1)!!
x
为奇数:
(
n
−
1
)
!
!
n
!
!
x为奇数:frac{(n-1)!!}{n!!}
x为奇数:n!!(n−1)!!
∫
0
+
∞
e
−
x
2
d
x
=
π
2
int_{0}^{+infty} e^{-x^2}mathrm{d}x=frac{sqrtpi}{2}
∫0+∞e−x2dx=2π
积分
重积分
基本的不讲了,讲讲换元
二重积分
先是二重积分的
∫
∫
D
f
(
x
,
y
)
d
x
d
y
=
∫
∫
D
′
f
(
x
(
u
,
v
)
,
y
(
u
,
v
)
)
∣
J
∣
d
u
d
v
{intint}_{D} f(x,y)mathrm{d}xmathrm{d}y={intint}_{D'}f(x(u,v),y(u,v))|J|mathrm{d}umathrm{d}v
∫∫Df(x,y)dxdy=∫∫D′f(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv
其中
J
=
∂
(
x
,
y
)
∂
(
u
,
v
)
=
∣
∂
x
∂
u
∂
x
∂
v
∂
y
∂
u
∂
y
∂
v
∣
J=frac{partial(x,y)}{partial(u,v)} =begin{vmatrix} frac{partial x}{partial u}&frac{partial x}{partial v}\frac{partial y}{partial u}&frac{partial y}{partial v} end{vmatrix}
J=∂(u,v)∂(x,y)=
∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y
特别地,做代换
{
x
=
r
cos
θ
y
=
r
sin
θ
left{begin{array}{cc} x=rcostheta\y=rsintheta end{array}right.
{x=rcosθy=rsinθ得到
∫
∫
D
f
(
x
,
y
)
d
σ
=
∫
∫
D
′
f
(
r
cos
θ
,
r
sin
θ
)
r
d
r
d
θ
{intint}_{D} f(x,y)mathrm{d}sigma={intint}_{D'}f(rcostheta,rsintheta)rmathrm{d}rmathrm{d}theta
∫∫Df(x,y)dσ=∫∫D′f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ
三重积分
先是二重积分的
∫
∫
∫
Ω
f
(
x
,
y
,
z
)
d
x
d
y
d
z
=
∫
∫
∫
Ω
′
f
(
x
(
u
,
v
,
w
)
,
y
(
u
,
v
,
w
)
,
z
(
u
,
v
,
w
)
)
∣
J
∣
d
u
d
v
d
w
{intintint}_{Omega} f(x,y,z)mathrm{d}xmathrm{d}ymathrm{d}z={intintint}_{Omega'}f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))|J|mathrm{d}umathrm{d}vmathrm{d}w
∫∫∫Ωf(x,y,z)dxdydz=∫∫∫Ω′f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))∣J∣dudvdw
其中
J
=
∂
(
x
,
y
,
z
)
∂
(
u
,
v
,
w
)
=
∣
∂
x
∂
u
∂
x
∂
v
∂
x
∂
w
∂
y
∂
u
∂
y
∂
v
∂
y
∂
w
∂
z
∂
u
∂
z
∂
v
∂
z
∂
w
∣
J=frac{partial(x,y,z)}{partial(u,v,w)} =begin{vmatrix} frac{partial x}{partial u}&frac{partial x}{partial v}&frac{partial x}{partial w}\frac{partial y}{partial u}&frac{partial y}{partial v}&frac{partial y}{partial w}\frac{partial z}{partial u}&frac{partial z}{partial v}&frac{partial z}{partial w} end{vmatrix}
J=∂(u,v,w)∂(x,y,z)=
∂u∂x∂u∂y∂u∂z∂v∂x∂v∂y∂v∂z∂w∂x∂w∂y∂w∂z
柱坐标
特别地,做代换
{
x
=
r
cos
θ
y
=
r
sin
θ
z
=
z
left{begin{array}{cc} x=rcostheta\y=rsintheta\z=z end{array}right.
⎩
⎨
⎧x=rcosθy=rsinθz=z得到
∫
∫
∫
Ω
f
(
x
,
y
,
z
)
d
x
d
y
d
z
=
∫
∫
∫
Ω
′
f
(
r
cos
θ
,
r
sin
θ
,
z
)
r
d
r
d
θ
d
z
{intintint}_{Omega} f(x,y,z)mathrm{d}xmathrm{d}ymathrm{d}z={intintint}_{Omega'}f(rcostheta,rsintheta,z)rmathrm{d}rmathrm{d}thetamathrm{d}z
∫∫∫Ωf(x,y,z)dxdydz=∫∫∫Ω′f(rcosθ,rsinθ,z)rdrdθdz
球坐标
又或者做代换
{
x
=
ρ
sin
ϕ
cos
θ
,
0
≤
ρ
<
+
∞
y
=
ρ
sin
ϕ
sin
θ
,
0
≤
ϕ
≤
π
z
=
z
cos
ϕ
,
0
≤
θ
<
2
π
left{begin{array}{cc} x=rhosinphicostheta,&0lerho<+infty\ y=rhosinphisintheta,&0lephilepi\ z=zcosphi,&0letheta<2pi end{array}right.
⎩
⎨
⎧x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=zcosϕ,0≤ρ<+∞0≤ϕ≤π0≤θ<2π
值得注意的是
θ
theta
θ是
x
x
x和
y
y
y轴的夹角,
ϕ
phi
ϕ是
z
z
z和
O
x
y
Oxy
Oxy平面的夹角
得到
∫
∫
∫
Ω
f
(
x
,
y
,
z
)
d
x
d
y
d
z
=
∫
∫
∫
Ω
′
f
(
ρ
sin
ϕ
cos
θ
,
ρ
sin
ϕ
sin
θ
,
z
cos
ϕ
)
ρ
2
sin
ϕ
d
ρ
d
θ
d
ϕ
{intintint}_{Omega} f(x,y,z)mathrm{d}xmathrm{d}ymathrm{d}z={intintint}_{Omega'}f(rhosinphicostheta,rhosinphisintheta,zcosphi)rho^2sinphimathrm{d}rhomathrm{d}thetamathrm{d}phi
∫∫∫Ωf(x,y,z)dxdydz=∫∫∫Ω′f(ρsinϕcosθ,ρsinϕsinθ,zcosϕ)ρ2sinϕdρdθdϕ
另外,要注意利用奇函数和偶函数的性质,可以极大的简化计算
重积分的应用
曲面面积
例如对于
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)
S
=
∫
∫
D
1
+
f
x
2
(
x
,
y
)
+
f
y
2
(
x
,
y
)
d
x
d
y
S={intint}_Dsqrt{1+f_x^2(x,y)+f_y^2(x,y)}mathrm{d}xmathrm{d}y
S=∫∫D1+fx2(x,y)+fy2(x,y)dxdy
再如对于参数方程
{
x
=
x
(
u
,
v
)
y
=
y
(
u
,
v
)
,
(
u
,
v
)
∈
D
′
z
=
z
(
u
,
v
)
left{begin{array}{cc} x=x(u,v)\ y=y(u,v),&(u,v)in D'\ z=z(u,v) end{array}right.
⎩
⎨
⎧x=x(u,v)y=y(u,v),z=z(u,v)(u,v)∈D′
则设
{
E
=
x
u
2
+
y
u
2
+
z
u
2
F
=
x
u
x
v
+
y
u
y
v
+
z
u
z
v
G
=
x
v
2
+
y
v
2
+
z
v
2
left{begin{array}{cc} E=x_u^2+y_u^2+z_u^2\ F=x_ux_v+y_uy_v+z_uz_v\ G=x_v^2+y_v^2+z_v^2 end{array}right.
⎩
⎨
⎧E=xu2+yu2+zu2F=xuxv+yuyv+zuzvG=xv2+yv2+zv2
那么
S
=
∫
∫
D
′
E
G
−
F
2
d
u
d
v
S={intint}_{D'}sqrt{EG-F^2}mathrm{d}umathrm{d}v
S=∫∫D′EG−F2dudv
求转动惯量
设质量密度是
ρ
(
x
,
y
,
z
)
rho(x,y,z)
ρ(x,y,z)
则
J
z
=
∫
∫
∫
Ω
(
x
2
+
y
2
)
ρ
(
x
,
y
,
z
)
d
V
J
x
=
∫
∫
∫
Ω
(
z
2
+
y
2
)
ρ
(
x
,
y
,
z
)
d
V
J
y
=
∫
∫
∫
Ω
(
x
2
+
z
2
)
ρ
(
x
,
y
,
z
)
d
V
J
x
y
=
∫
∫
∫
Ω
z
2
ρ
(
x
,
y
,
z
)
d
V
J
y
z
=
∫
∫
∫
Ω
x
2
ρ
(
x
,
y
,
z
)
d
V
J
z
x
=
∫
∫
∫
Ω
y
2
ρ
(
x
,
y
,
z
)
d
V
J_z={intintint}_Omega(x^2+y^2)rho(x,y,z)mathrm{d}V\ J_x={intintint}_Omega(z^2+y^2)rho(x,y,z)mathrm{d}V\ J_y={intintint}_Omega(x^2+z^2)rho(x,y,z)mathrm{d}V\ J_{xy}={intintint}_Omega z^2rho(x,y,z)mathrm{d}V\ J_{yz}={intintint}_Omega x^2rho(x,y,z)mathrm{d}V\ J_{zx}={intintint}_Omega y^2rho(x,y,z)mathrm{d}V
Jz=∫∫∫Ω(x2+y2)ρ(x,y,z)dVJx=∫∫∫Ω(z2+y2)ρ(x,y,z)dVJy=∫∫∫Ω(x2+z2)ρ(x,y,z)dVJxy=∫∫∫Ωz2ρ(x,y,z)dVJyz=∫∫∫Ωx2ρ(x,y,z)dVJzx=∫∫∫Ωy2ρ(x,y,z)dV
曲线积分
第一型曲线积分
假设曲线是
y
=
y
(
x
)
y=y(x)
y=y(x)在
[
a
,
b
]
[a,b]
[a,b]上积分
∫
L
f
(
x
,
y
)
d
s
=
∫
a
b
f
(
x
,
y
(
x
)
)
1
+
[
y
′
(
x
)
]
2
d
x
int_Lf(x,y)mathrm{d}s=int_a^bf(x,y(x))sqrt{1+[y'(x)]^2}mathrm{d}x
∫Lf(x,y)ds=∫abf(x,y(x))1+[y′(x)]2dx
若是参数方程形式
L
:
{
x
=
ϕ
(
t
)
y
=
ψ
(
t
)
L:left{begin{array}{cc} x=phi(t)\ y=psi(t) end{array}right.
L:{x=ϕ(t)y=ψ(t)
其中
t
∈
[
α
,
β
]
tin[alpha,beta]
t∈[α,β]
则
∫
L
f
(
x
,
y
)
d
s
=
∫
α
β
f
(
ϕ
(
t
)
,
ψ
(
t
)
)
[
ϕ
′
(
t
)
]
2
+
[
ψ
′
(
t
)
]
2
d
t
int_Lf(x,y)mathrm{d}s=int_alpha^beta f(phi(t),psi(t))sqrt{[phi'(t)]^2+[psi'(t)]^2}mathrm{d}t
∫Lf(x,y)ds=∫αβf(ϕ(t),ψ(t))[ϕ′(t)]2+[ψ′(t)]2dt
三维的曲线积分同理,类比可得
第二型曲线积分
也叫路径积分
对于
L
:
{
x
=
ϕ
(
t
)
y
=
ψ
(
t
)
L:left{begin{array}{cc} x=phi(t)\ y=psi(t) end{array}right.
L:{x=ϕ(t)y=ψ(t)
其中
t
∈
[
α
,
β
]
tin[alpha,beta]
t∈[α,β],表示曲线
A
B
AB
AB
则
∫
A
B
P
(
x
,
y
)
d
x
+
Q
(
x
,
y
)
d
y
=
∫
α
β
[
P
(
ϕ
(
t
)
,
ψ
(
t
)
)
ϕ
′
(
t
)
+
Q
(
ϕ
(
t
)
,
ψ
(
t
)
)
ψ
′
(
t
)
]
d
t
int_{AB}P(x,y)mathrm{d}x+Q(x,y)mathrm{d}y=int_alpha^beta [P(phi(t),psi(t))phi'(t)+Q(phi(t),psi(t))psi'(t)]mathrm{d}t
∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ[P(ϕ(t),ψ(t))ϕ′(t)+Q(ϕ(t),ψ(t))ψ′(t)]dt
而第二型曲线积分与路径无关的条件是当
∂
P
∂
y
=
∂
Q
∂
x
frac{partial P}{partial y}=frac{partial Q}{partial x}
∂y∂P=∂x∂Q
另外,若存在 d u ( x , y ) = P d x + Q d y mathrm{d}u(x,y)=Pmathrm{d}x+Qmathrm{d}y du(x,y)=Pdx+Qdy,则可以直接将曲线头尾带入 u ( x , y ) u(x,y) u(x,y)中得到答案
格林公式
设
L
L
L是封闭曲线且为正向曲线(逆时针)
∫
L
P
d
x
+
Q
d
y
=
∫
∫
D
(
∂
Q
∂
x
−
∂
P
∂
y
)
d
x
d
y
int_L Pmathrm{d}x+Qmathrm{d}y={intint}_D(frac{partial Q}{partial x}-frac{partial P}{partial y})mathrm{d}xmathrm{d}y
∫LPdx+Qdy=∫∫D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
第一型曲线积分和第二型曲线积分的相互转化
∫
A
B
P
d
x
+
Q
d
y
=
∫
A
B
(
P
cos
α
+
Q
cos
β
)
d
s
int_{AB}Pmathrm{d}x+Qmathrm{d}y= int_{AB}(Pcosalpha+Qcosbeta)mathrm{d}s
∫ABPdx+Qdy=∫AB(Pcosα+Qcosβ)ds
其中
(
cos
α
,
cos
β
)
(cosalpha,cosbeta)
(cosα,cosβ)是曲线
A
B
AB
AB的方向向量
值得注意的是,第一型曲线积分的上下界对调,得到的值是原来的相反数,而第二型曲线积分的值不受上下界对调的影响
曲面积分
第一型曲面积分
假设曲线是
z
=
g
(
x
,
y
)
z=g(x,y)
z=g(x,y)在
D
D
D(投影)上积分
∫
∫
S
f
(
x
,
y
,
z
)
d
S
=
∫
∫
S
f
(
x
,
y
,
g
(
x
,
y
)
)
1
+
g
x
2
+
g
y
2
d
σ
{intint}_Sf(x,y,z)mathrm{d}S={intint}_Sf(x,y,g(x,y))sqrt{1+g_x^2+g_y^2}mathrm{d}sigma
∫∫Sf(x,y,z)dS=∫∫Sf(x,y,g(x,y))1+gx2+gy2dσ
若是参数方程形式
{
x
=
x
(
u
,
v
)
y
=
y
(
u
,
v
)
,
(
u
,
v
)
∈
D
z
=
z
(
u
,
v
)
left{begin{array}{cc} x=x(u,v)\ y=y(u,v),&(u,v)in D\ z=z(u,v) end{array}right.
⎩
⎨
⎧x=x(u,v)y=y(u,v),z=z(u,v)(u,v)∈D
则设
{
E
=
x
u
2
+
y
u
2
+
z
u
2
F
=
x
u
x
v
+
y
u
y
v
+
z
u
z
v
G
=
x
v
2
+
y
v
2
+
z
v
2
left{begin{array}{cc} E=x_u^2+y_u^2+z_u^2\ F=x_ux_v+y_uy_v+z_uz_v\ G=x_v^2+y_v^2+z_v^2 end{array}right.
⎩
⎨
⎧E=xu2+yu2+zu2F=xuxv+yuyv+zuzvG=xv2+yv2+zv2
那么和上面提到的面积分一样(或者说上面的曲面积分是
f
(
x
,
y
,
z
)
=
1
f(x,y,z)=1
f(x,y,z)=1的特殊形式)
∫
∫
S
f
(
x
,
y
,
z
)
d
S
=
∫
∫
D
f
(
x
(
u
,
v
)
,
y
(
u
,
v
)
,
z
(
u
,
v
)
)
E
G
−
F
2
d
u
d
v
{intint}_Sf(x,y,z)mathrm{d}S={intint}_{D}f(x(u,v),y(u,v),z(u,v))sqrt{EG-F^2}mathrm{d}umathrm{d}v
∫∫Sf(x,y,z)dS=∫∫Df(x(u,v),y(u,v),z(u,v))EG−F2dudv
第二型曲面积分
面对形如:
∫
∫
S
P
d
y
d
z
+
Q
d
z
d
x
+
R
d
x
d
y
S
为
z
=
f
(
x
,
y
)
{intint}_{S}Pmathrm{d}ymathrm{d}z+Qmathrm{d}zmathrm{d}x+Rmathrm{d}xmathrm{d}y\ S为z=f(x,y)
∫∫SPdydz+Qdzdx+RdxdyS为z=f(x,y)
可以转化成
±
∫
∫
S
(
P
(
−
f
x
)
+
Q
(
−
f
y
)
+
R
)
d
x
d
y
pm{intint}_{S}(P(-f_x)+Q(-f_y)+R)mathrm{d}xmathrm{d}y
±∫∫S(P(−fx)+Q(−fy)+R)dxdy
取正号时表示上侧曲面,反之表示下侧曲面
高斯公式
∫
∫
S
P
d
y
d
z
+
Q
d
z
d
x
+
R
d
x
d
y
=
∫
∫
∫
Ω
(
∂
P
∂
x
+
∂
Q
∂
y
+
∂
R
∂
z
)
d
V
{intint}_{S}Pmathrm{d}ymathrm{d}z+Qmathrm{d}zmathrm{d}x+Rmathrm{d}xmathrm{d}y={intintint}_Omega(frac{partial P}{partial x}+frac{partial Q}{partial y}+frac{partial R}{partial z})mathrm{d}V
∫∫SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∫∫∫Ω(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dV
S
S
S是闭合曲面
斯托克斯公式
∫
A
B
P
d
x
+
Q
d
y
+
R
d
z
=
∫
∫
S
(
∂
R
∂
y
−
∂
Q
∂
z
)
d
y
d
z
+
(
∂
P
∂
z
−
∂
R
∂
x
)
d
z
d
x
+
(
∂
Q
∂
x
−
∂
P
∂
y
)
d
x
d
y
int_{AB}Pmathrm{d}x+Qmathrm{d}y+Rmathrm{d}z={intint}_{S}(frac{partial R}{partial y}-frac{partial Q}{partial z})mathrm{d}ymathrm{d}z+(frac{partial P}{partial z}-frac{partial R}{partial x})mathrm{d}zmathrm{d}x+(frac{partial Q}{partial x}-frac{partial P}{partial y})mathrm{d}xmathrm{d}y
∫ABPdx+Qdy+Rdz=∫∫S(∂y∂R−∂z∂Q)dydz+(∂z∂P−∂x∂R)dzdx+(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
A
B
AB
AB是闭合曲线
右边可以记作
∣
d
y
d
z
d
z
d
x
d
x
d
y
∂
∂
x
∂
∂
y
∂
∂
z
P
Q
R
∣
begin{vmatrix} mathrm{d}ymathrm{d}z&mathrm{d}zmathrm{d}x&mathrm{d}xmathrm{d}y\ frac{partial}{partial x}&frac{partial}{partial y}&frac{partial}{partial z}\ P&Q&R end{vmatrix}
dydz∂x∂Pdzdx∂y∂Qdxdy∂z∂R
微分方程
首先,明白一个基本解微分方程的原理:
全解=特解+通解
一个
n
n
n阶微分方程,其通解应该包含
n
n
n个可变的常数
验证这 n n n个常数是否独立,应该验证其行列式是否等于 0 0 0( n n n条方程是否线性无关)
接下来讨论几类特殊的微分方程的解法
y ′ = f ( x ) g ( y ) y'=f(x)g(y) y′=f(x)g(y)
采用分离变量的方法,得到
d
y
g
(
y
)
=
f
(
x
)
d
x
frac{mathrm{d}y}{g(y)}=f(x)mathrm{d}x
g(y)dy=f(x)dx
对两边积分即可
y ′ = f ( a x + b y + c ) y'=f(ax+by+c) y′=f(ax+by+c)
做变量替换,令
z
=
a
x
+
b
y
+
c
z=ax+by+c
z=ax+by+c,则
d
z
d
x
=
a
+
b
f
(
z
)
frac{mathrm{d}z}{mathrm{d}x}=a+bf(z)
dxdz=a+bf(z)
再按上述做即可
y ′ = f ( x , y ) y'=f(x,y) y′=f(x,y)(其中 f ( x , y ) f(x,y) f(x,y)是齐次函数)
同样做换元 z = y x z=frac{y}{x} z=xy,推导即可
y ′ + P ( x ) y = Q ( x ) y'+P(x)y=Q(x) y′+P(x)y=Q(x)
先解 y ′ + P ( x ) y = 0 y'+P(x)y=0 y′+P(x)y=0,再将解出来的解可变常数 C C C中替换为 u ( x ) u(x) u(x),代入原方程解出即可