高等数学(工本)
空间解析几何与向量代数
距离公式
∣P1P2∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2
加法
OA+OB=OCOA+AC=OCOA−OB=BA
向量坐标
M1M2={(x2−x1),(y2−y1),(z2−z1)}α={a1,a2,a3},β={b1,b2,b3}若α//β,则b1a1=b2a2=b3a3
数量积
α⋅β=∣α∣∣β∣cosφ若α与β垂直,则α⋅β=0
数量积的坐标表示
α={a1,a2,a3},β={b1,b2,b3}α⋅β=a1b1+a2b2+a3b3
平面方程
点法式
点P0(x0,y0,z0),非零向量n={A,B,C}n⋅P0P=0A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)−0
一般方程
Ax+By+Cz+D=0
截距式方程
ax+by+cz=1
两个平面夹角
n1={A1,B1,C1},n2={A2,B2,C2}cosθ=∣n1∣∣n2∣n1⋅n2=A12+B12+C12A22+B22+C22∣A1A2+B1B2+C1C2∣
点到平面距离
d=A2+B2+C2∣Ax0+By0+Cz0+D∣
直线方程
对称式方程
lx−x0=my−y0=nz−z0
参数方程
lx−x0=my−y0=nz−z0⎩⎨⎧x=x0+lt,y=y0+mt,z=z0+nt,
一般方程
{A1x+B1y+C1z+D1=0,A2x+B2y+C2z+D2=0,
直线的夹角
v1={l1,m1,n1},v2={l2,m2,n2}cosθ=∣v1∣∣v2∣v1⋅v2=l12+m12+n12l22+m22+n22∣l1l2+m1m2+n1n2∣
直线与平面夹角
v={l,m,n},n={A,B,C}sinθ=∣v∣∣n∣v⋅n=l2+m2+n2A2+B2+C2∣lA+mB+nC∣
多元函数的微分学
偏导数
Δx→0limΔxΔF=Δx→0limΔxf(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)
全微分
dz=fx(x,y)dx+fy(x,y)dy
复合函数偏导数
dxdz=∂u∂z⋅dxdu+∂v∂z⋅dxdv
隐函数偏导数
dxdy=−FyFx
偏导数应用
无条件极值
1. 解方程组
{fx(x,y)=0fy(x,y)=0
求出f(x,y)的全部驻点
2. 对每个驻点计算
A=fxx(x0,y0),B=fxy(x0,y0),C=fyy(x0,y0),Δ=B2−AC
3. 判断
- Δ<0,点(x0,y0)是函数f(x,y)的极值点,当A<0时,f(x0,y0)是极大值,当A>0时,f(x0,y0)是极小值
- Δ>0,点(x0,y0)不是函数f(x,y)的极值点
- Δ=0,不能判断
条件极值
1. 构造拉格朗日函数
L(x,y)=f(x,y)+λφ(x,y)
2. 解方程组
⎩⎨⎧∂x∂L∂y∂Lφ(x,y)=fx(x,y)+λφx(x,y)=0=fy(x,y)+λφy(x,y)=0=0
空间曲线的切线与法平
空间区线L:⎩⎨⎧x=x(t)y=y(t)z=z(t),L上的点P0(x0,y0,z0)L在P0的切向量为:{x′(t0),y′(t0),z′(t0)}
切线方程
x′(t0)x−x0=y′(t0)y−y0=z′(t0)z−z0
法平面方程
x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0
空间曲面的切平面与法线
曲面Σ的方程F(x,y,z)=0,Σ上的点P0(x0,y0,z0)Σ在P0上的法向量:{Fx(x0,y0,z0),Fy(x0,y0,z0),Fz(x0,y0,z0)}
法线方程
Fx(x0,y0,z0)x−x0=Fy(x0,y0,z0)y−y0=Fy(x0,y0,z0)z−z0
切平面方程
Fx(x0,y0,z0)(x−x0)+Fy(x0,y0,z0)(y−y0)+Fz(x0,y0,z0)(z−z0)=0
方向导数
∂l∂z=∂x∂zcosα+∂y∂zcosβ
梯度
gradf(x0,y0)=fx(x0,y0)i+fy(x0,y0)i={fx(x0,y0),fy(x0,y0)}
重积分
二重积分性质
性质一
∬Dkf(x,y)dσ=k∬Df(x,y)dσ
性质二
∬D(f(x,y)±g(x,y))dσ=∬Df(x,y)dσ±∬Dg(x,y)dσ∬D(af(x,y)±bg(x,y))dσ=a∬Df(x,y)dσ±b∬Dg(x,y)dσ
性质三
∬Df(x,y)dσ=∬D1f(x,y)dσ+∬D2f(x,y)dσ
性质四
若f(x,y)≥g(x,y)则∬Df(x,y)dσ≥∬Dg(x,y)dσ
∣∬Df(x,y)dσ∣≤∬D∣f(x,y)∣dσ
性质五
若m≤f(x,y)≤M则m∣D∣≤∬Df(x,y)dσ≤M∣D∣(∣D∣表示区域D的面积)
性质六
∬Df(x,y)dσ=f(ξ,η)∣D∣当f(x,y)=1时,有∬Df(x,y)dσ=∬D1dσ=∬Ddσ=∣D∣
直角坐标下的二重积分
DΔσiλf(x,y),g(x,y)σdσ,dxdyα,βm,M有界闭区域,积分区域第i个小闭区域所有小闭区域中直径最大的值定义在D上的有界函数,被积函数D的面积直角坐标系中的微元面积常数在D上f(x,y)的最小值和最大值∬Df(x,y)dσ=λ→0limi=1∑nf(ξi,ηi)ΔσiD∬f(x,y)dxdy=∫ab[∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy]dxD∬f(x,y)dxdy=∫abdx∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy
奇偶性
设积分区域 D 关于 y 轴对称,D=D左+D右
- 若被积函数 f(x,y)是关于 x 的奇函数,即f(−x,y)=−f(x,y),则I=D∬f(x,y)dxdy=0
- 若被积函数 f(x,y)是关于 x 的偶函数,即f(−x,y)=f(−x,y),则I=D∬f(x,y)dxdy=2D左∬f(x,y)dxdy=2D右∬f(x,y)dxdy
极坐标下的二重积分
D∬f(x,y)dxdy=D∬f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ=∫αβdθ∫φ1(θ)φ2(θ)f(rcosθ,rsinθ)rdr
三重积分
直角坐标
ΩΔυif(x,y,z)υdυ,dxdydz空间有界闭区域,积分区域第i个小闭区域定义在Ω上的有界函数,被积函数Ω的体积直角坐标系中的微元面积Ω∭f(x,y,z)dυ=λ→0limi=1∑nf(ξi,ηi,ζi)ΔυΩ∭f(x,y,z)dxdydz=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)(∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y)dz)dy)dxΩ∭f(x,y,z)dxdydz=Dxy∬dxdy∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dzΩ∭f(x,y,z)dxdydz=∫abdx∫y1(x)y2(x)dy∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz
奇偶性
柱面坐标
Ω∭f(x,y,z)dv⎩⎨⎧x=rcosθy=rsinθz=z=Ω∭f(rcosθ,rsinθ,z)rdrdθdz=D∬dxdy∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz=D∬drdθ∫z1∼(x,y)z2∼(x,y)f(rcosθ,rsinθ,z)rdz
曲线积分与曲面积分
对弧长的曲线积分
{x=ψ(t),y=φ(t)α≤t≤β
∫Lf(x,y)ds=∫αβf(ψ(t),φ(t))(ψ′(t))2+φ′(t)dt
极坐标
L:r=r(θ),θ0≤θ≤θ1{x=r(θ)cosθy=r(θ)sinθ(θ0≤θ≤θ1)ds=(x′(θ))2+(y′(θ))2dθ∫Lf(x,y)ds=∫θ0θ1f(r(θ)cosθ,r(θ)sinθ)r2(θ)+(r′(θ))2dθ
对坐标的曲线积分
⎩⎨⎧x=ψ(t),y=φ(t),dx=ψ′(t)dt,dy=φ′(t)dt
∫LAB=P(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ(P(ψ(t),φ(t))ψ′(t)+Q(ψ(t),φ(t))φ′(t))dt
格林公式
∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy=∮LPdx+Qdy
对面积的曲面积分
Σ∬f(x,y,z)dS=Dxy∬f(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2dxdy
对坐标的曲面积分
Σ∬R(x,y,z)dxdy=⎩⎨⎧+Dxy∬R(x,y,z(x,y))dxdy,−Dxy∬R(x,y,z(x,y))dxdy,0,若在Σ上恒有0≤γ<2π(上侧)若在Σ上恒有2π<γ≤π(下侧)若在Σ上恒有γ=2π
常微分方程
一阶微分方程
可分离变量的微分方程
dxdy=f(x)g(y)g(y)dy=f(x)dx
齐次方程
dxdy=f(x,y)dxdy=φ(xy)令u=xy,则y=xu,dxdy=u+xdxduu+xdxdu=φ(u)xdxdu=φ(u)−u
一阶线性微分方程
dxdy+P(x)y=Q(x)y=(∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C)e−∫P(x)dx
可降阶的二阶微分方程
y”=f(x)
求两次积分
二阶线性微分方程
齐次
y′′=p(x)y′=q(x)y=f(x)
非齐次
y=y(x)+y∗(x)
二阶常系数线性微分方程
y′′+py′+qy=0r2+pr+q=0
y=C1er1x+C2er2xy=eax(C1cosβx+C2sinβx)y=(C1+C2x)erx
无穷级数
数项级数的概率
sn=k=1∑nuk=u1+u2+u3+⋯+un若存在常数s使得:s=limsn,则称该级数收敛,否则发散
数项级数的基本性质
性质一
n=1∑∞un和n=1∑∞Cun都收敛,则n=1∑∞Cun=Cn=1∑∞un
性质二
n=1∑∞un,n=1∑∞vn分别收敛于和s,σ,则n=1∑∞(un±vn)也收敛于和s±σ
性质三
在级数中去掉、增加或改变有限项,其敛散性不变
性质四
若n=1∑∞un收敛,则对这个级数的项任意加括号所得的新级数(u1+⋯+un1)+(un1+1+⋯+un2)+⋯+(unk−1+1+⋯+unk)+⋯也收敛,且其和不变
性质五(收敛的必要条件)
若n=1∑∞un收敛,则必有n→∞limun=0
常见级数
调和级数
n=1∑∞n1发散
P 级数
n=1∑∞np1(p>0)p>1时收敛,0<p≤1时发散
交错级数
n=1∑∞(−1)n−1un和n=1∑∞(−1)nun为交错级数,两者敛散性相同
绝对收敛和条件收敛
若n=1∑∞∣un∣收敛,则称n=1∑∞un绝对收敛若n=1∑∞un收敛,而n=1∑∞∣un∣发散,则称n=1∑∞un条件收敛
审敛法
定理 1
正项级数n=1∑∞un收敛的充要条件是:它的部分和数列{sn}有上界
定理 2(比较审敛法)
设n=1∑∞un和n=1∑∞vn都是正项级数,且un≤vn(n=1,2,⋯)若n=1∑∞vn收敛,则n=1∑∞un收敛(大的收敛,小的也收敛)若n=1∑∞un发散,则n=1∑∞vn发散(小的发散,大的也发散)
定理 3(比较审敛法的极限形式)
设n→∞limvnun=l和n=1∑∞vn都是正项级数如果n→∞limvnun=l(0<l<+∞)则n=1∑∞un和n=1∑∞vn同收敛或同发散
定理 4【比值审敛法,达朗贝尔(D’Alembert)审敛法】
有正项级数n=1∑∞un,若n→∞limunun+1=ρ则当ρ<1,该级数收敛,当ρ>1,该级数发散,当ρ=1时,不能判断
定理 5【根值审敛法,柯西(Cauchy)审敛法】
有正项级数n=1∑∞un,若n→∞limnun=ρ则当ρ<1,该级数收敛,当ρ>1,该级数发散,当ρ=1时,不能判断
定理 6(布莱尼茨审敛法)
若交错级数n=1∑∞(−1)n−1un满足:1.数列{un}单调递减,对于一切正整数n,都有un≥un+12.n→∞limun=0则该级数收敛,且其和≤u1
定理 7
若级数n=1∑∞un绝对收敛,则级数n=1∑∞un必收敛
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