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(n1)!!
x 为奇数: ( n − 1 ) ! ! n ! ! x为奇数:frac{(n-1)!!}{n!!} x为奇数:n!!(n1)!!
∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = π 2 int_{0}^{+infty} e^{-x^2}mathrm{d}x=frac{sqrtpi}{2} 0+ex2dx=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=∫∫Df(x(u,v),y(u,v))Jdudv
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)= uxuyvxvy
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=∫∫Df(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=∫∫∫Ωf(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))Jdudvdw
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)= uxuyuzvxvyvzwxwywz

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=∫∫∫Ωf(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,0ρ<+0ϕπ0θ<2π
值得注意的是 θ theta θ x x x y y y轴的夹角, ϕ phi ϕ z z z 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=∫∫∫Ωf(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=∫∫DEGF2 dudv

求转动惯量

设质量密度是 ρ ( x , y , z ) rho(x,y,z) ρ(x,y,z)

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) [ 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)]2 dx
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]

∫ 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)]2 dt
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
∫ 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} yP=xQ

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

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(xQyP)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) 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+gy2 dσ
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))EGF2 dudv

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+RdxdySz=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(xP+yQ+zR)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(yRzQ)dydz+(zPxR)dzdx+(xQyP)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} dydzxPdzdxyQdxdyzR

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