第一篇:高等數(shù)學(xué)積分總結(jié)[推薦]
?問題引例:曲邊梯形的面積、變速直線運(yùn)動(dòng)的路程?n?積分定義:bf?x?dx?lim?f????xii?a??0?i?1?b?計(jì)算方法:?f?x?dx?F?b??F?a?a??一元定積分?幾何意義:連續(xù)曲線與x軸所圍曲邊梯形面積的代數(shù)和?物理意義:變力沿直線做功??應(yīng)用?幾何?:平面圖形的面積?直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)?、體積?已知平行截面、旋轉(zhuǎn)體體積??平面曲線的弧長?直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)、參數(shù)方程?、旋轉(zhuǎn)曲面的面積????應(yīng)用?物理?:水壓力、質(zhì)量與引力、邊際成本
一元不定積分:解決定積分的計(jì)算問題,將積分問題與求導(dǎo)問題聯(lián)系起來
?問題引例:曲頂柱體的體積、平面薄片的質(zhì)量?n?積分定義:f?x,y?d??lim?f??,????iii????0?i?1D??計(jì)算方法:關(guān)鍵問題是定限,在直角坐標(biāo)下d?=dxdy,在極坐標(biāo)下d?=rdrd??二重積分?幾何意義:以D為底,f?x,y?為曲頂柱體的體積的代數(shù)和??物理意義:?應(yīng)用?幾何?:求平面圖形的面積d????D??應(yīng)用?物理???問題引例:四維空間中曲頂柱體的體積問題?n?積分定義:f?x,y,z?dv?lim?f??,?,???viiii?????0?i?1???計(jì)算方法:直角坐標(biāo) dv=dxdydz?柱面坐標(biāo)x?rcos?,y?rsin?,z?z,dv=rdrd?dz??三重積分?球面坐標(biāo)x?rsin?cos?,y?rsin?sin?,z?rcos?,dv=r2sin?drd?d??定限的方法參考二重積分 ??幾何意義、物理意義??應(yīng)用?幾何???應(yīng)用?物理???
?問題引例:曲線形構(gòu)件的質(zhì)量?nn?積分定義:f?x,y?ds?lim?f??,???s,f?x,y,z?ds?lim?f??,?,???siii?iiii???0??0?i?1i?1LL??計(jì)算方法:用路徑函數(shù)L化簡f?x,y?,化為一元定積分?弧長元素ds=dx2?dy2??2?ds=1+??y'?x???dx?對弧長的曲線積分?2ds=1+?x'y??????dy?第一型曲線積分??22?ds=??t+?'t???????????dt?22?ds=r?+r'??????????????d???幾何意義、物理意義?應(yīng)用?幾何???應(yīng)用?物理???n?問題引例:曲面不均勻薄片的質(zhì)量?n?積分定義:f?x,y,z?dS?lim?f??,?,???Siiii????0?i?1??對面積的曲面積分?計(jì)算方法:
1、投影,2、代入,3、轉(zhuǎn)換22?第一型曲面積分??f?x,y,z?dS???f???x,y,z?x,y???1?zx?zydxdy????Dxy??應(yīng)用?幾何?:計(jì)算曲面面積?應(yīng)用物理???
????P??i,?i??xi?Q??i,?i??yi???問題引例:變力沿曲線作功W?lim??0i?1?nn??
1、定義:如果一階微分方程P?x,y?dx?Q?x,y?dy?0的左端恰好是某一個(gè)二元積分定義:Px,ydx?limP?,??x,Qx,ydy?limQ??i,?i??yi?ii?i?L?????L????0???0?i?1i?1??函數(shù)u的全微分,此時(shí)方程的通解為u=C,因此全微分方程的關(guān)鍵就是求u?積分的定義可推廣到空間的情況,并可簡寫成?P?x,y?dx?Q?x,y?dy?
2、求解方法:L對坐標(biāo)的曲線積分????計(jì)算方法:本質(zhì)是將其化為一元定積分?用參數(shù)方程、將y化為x?'全微分方程?u?u???第二型曲線積分???①不定積分法:?P,u?Pdx??y,?Pdx??y??????Q???x?y???兩種曲線積分的關(guān)系:???②湊微分法???Pdx?Qdy????Pcos??Qcos??ds??③積分因子法:見筆記?Pdx?Qdy?Rdz???Pcos??Qcos??Rcos??ds???? ?其中cos?,cos?,cos?是曲線在一點(diǎn)的與有向曲線同向的切向量的方向余弦?? ?問題引例:曲面的側(cè)的定義?指明了曲面是有方向的??????曲面的投影,流體力學(xué)中流量問題?=??v?dS???n?積分定義:lim?P??i,?i,?i??Szy?Q??i,?i,?i??Sxz?R??i,?i,?i??Sxy????Pcos??Qcos??Rcos??dS??0?i?1?對坐標(biāo)的曲面積分??n?limP??i,?i,?i??Szy?Q??i,?i,?i??Sxz?R??i,?i,?i??Sxy???Pdydz?Qdxdz?Rdxdy??第二型曲面積分????0i?1??第一式將定義以第一型曲面積分的形式給出;第二式是我們普遍用的第二型曲面積分??兩個(gè)式子反應(yīng)的是一個(gè)東西,也就闡明了兩類曲面積分的聯(lián)系??計(jì)算方法:投影、代入、轉(zhuǎn)換???應(yīng)用:流量的計(jì)算
???Q?P? ??格林定理:①曲線正向的定義;②???dxdy,L為D的取正向的邊界曲線?LPdx?Qdy????x?y?D? ???Q?P應(yīng)用格林公式應(yīng)注意:1?曲線L必須封閉;2?、在D內(nèi)每點(diǎn)具有一階連續(xù)偏導(dǎo);3?L為正向曲線 ??x?y?
A?格林公式?曲線積分的路徑無關(guān)性:概念,積分值只與初始點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)?Pdx?Qdy B? ?四個(gè)等價(jià)命題:在一個(gè)單連通區(qū)域內(nèi),函數(shù)P?x,y?、Q?x,y?在G內(nèi)有一階連續(xù)偏導(dǎo)? 則下面四個(gè)命題等價(jià):???Q?P ①=;②Pdx?Qdy?0;③Pdx?Qdy與路徑無關(guān);④存在函數(shù)ux,y,使du?Pdx?Qdy?????L??L ??x?y ?高斯公式:?是閉曲面?圍成的區(qū)域,函數(shù)P、Q、R在?上具有一階連續(xù)偏導(dǎo),則???P?Q?R??Pdydz?Qdzdx?Rdxdy?++?dV?????????x?y?z????????P?Q?R?Pcos??Qcos??Rcos?dS?++?dV????????高斯公式?通量散度????x?y?z?????其中?是?的外側(cè),cos?、cos?、cos?是點(diǎn)出法向量的方向余弦?????????P?Q?R?通量與散度:?=?A?dS,divA?++????x?y?z??
?斯托克斯公式:設(shè)?是以?為邊界的有向曲面,?的正向與?的側(cè)符合右手規(guī)則,P,Q,R具有一階連續(xù)偏導(dǎo) ? ??R?Q???Q?P???P?R??Pdx?Qdy?Rdz??dydz??dzdx??dxdy????????L??? ?y?z?z?x?x?y???????????????斯托克斯公式?環(huán)流量與旋度?
?環(huán)流量與旋度:向量場A沿有向閉曲線?的曲線積分???A?ds稱為A沿?的環(huán)流量 ?????R?Q????P?R????Q?P???旋度:rotA= ?????i???k?j????y?z?z?x?x?y???????
積分應(yīng)用歸納幾何應(yīng)用:
1、求曲邊梯形的面積:用一元定積分可做
2、求曲頂柱體的體積:用二重積分可做,用三重積分可做
3、曲面的面積:??1dS???dS ?????柱面面積=f?x,y?ds——?牟合方蓋的表面積???Lfy,zds,fx,zds???????LL?該柱面以L為準(zhǔn)線,母線平行于z軸,介于z?0與曲面z?f?x,y?之間的部分?
4、平面的面積:其實(shí)就是曲面面積的特殊情況,用一元定積分可做,用二重積分可做
物理應(yīng)用:
1、質(zhì)量??平面直線桿?一元定積分?????線狀質(zhì)量?線密度?長度??平面曲線桿?對弧長的曲線積分??這也就解釋了為什么對弧長的積分化為定積分??空間曲線桿被積函數(shù)為三元函數(shù)的對弧長的曲線積分????????平面面片?二重積分?面狀質(zhì)量?面密度?面積????空間面片?對曲面的面積積分?立體快質(zhì)量?體密度?體積??三重積分????解釋了為什么對曲面的面積積分化為二重積分???=f?P?;M??f?P?d??
2、質(zhì)心?物理重心——質(zhì)心——幾何中心——形心?概念解釋:物理重心——是在重力場中,物體處于任何方位時(shí)所有各組成質(zhì)點(diǎn)的重力的合力都通過的那一點(diǎn)。規(guī)則而密度均勻物體的重心就是它的幾何中心。質(zhì)心——質(zhì)量中心簡稱質(zhì)心,指物質(zhì)系統(tǒng)上被認(rèn)為質(zhì)量集中于此的一個(gè)假想點(diǎn)。與重心不同的是,質(zhì)心不一定要在有重力場的系統(tǒng)中。值得注意的是,除非重力場是均勻的,否則同一物質(zhì)系統(tǒng)的質(zhì)心與重心不通常在同一假想點(diǎn)上。形心——面的形心就是截面圖形的幾何中心,質(zhì)心是針對實(shí)物體而言的,而形心是針對抽象幾何體而言的,對于密度均勻的實(shí)物體,質(zhì)心和形心重合。質(zhì)心的計(jì)算:?引入了靜力矩的概念?????x??x,y?d?y??x,y??薄片:x?D???x,y?d?,y???d?D??x,y?d?平面????D??D?x??x,y??dsy??x,曲線桿:x??L?y?ds??????x,y?ds,y?L??x,y?dsL?L3、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:定義:I?Mr2Ix???y2??x,y?d?DIy???x2??x,y?d?DI0????x2?y2???x,y?d? D
??
?塊:x??x?dv,y??y?dv???dv??dv空間??面片:x??x?d?,y??y??d????d???d????曲桿:x??x?ds,y??y?ds????ds??ds
第二篇:高等數(shù)學(xué)三重積分計(jì)算方法總結(jié)
高等數(shù)學(xué)三重積分計(jì)算方法總結(jié)
1、利用直角坐標(biāo)計(jì)算三重積分:(1)投影法(先一后二):
1)外層(二重積分):區(qū)域Ω在xoy面上的投影區(qū)域Dxy 2)內(nèi)層(定積分):
從區(qū)域Ω的底面上的z值,到區(qū)域Ω的頂面上的z值。
(2)截面法(先二后一):
1)外層(定積分): 區(qū)域Ω在z 軸上的投影區(qū)間。2)內(nèi)層(二重積分):Ω垂直于z 軸的截面區(qū)域。
2、利用柱坐標(biāo)計(jì)算三重積分 ????f(x,y,z)dv?????f(?cos?,?sin?,z)?d?d?dz3、利用球面坐標(biāo)計(jì)算三重積分
????f(x,y,z)dxdydz?????f(rsin?cos?,rsin?sin?,rcos?)rsin?drd?d?2定限方法:(1)轉(zhuǎn)面定θ(2)轉(zhuǎn)線定φ(3)線段定r
4、利用對稱性化簡三重積分計(jì)算 設(shè)積分區(qū)域Ω關(guān)于xoy平面對稱,(1)若被積函數(shù) f(x,y,z)是關(guān)于z 的奇函數(shù),則三重積分為零。(2)若被積函數(shù) f(x,y,z)是關(guān)于z 的偶函數(shù),則三重積分等于:在xoy平面上方的半個(gè)Ω,區(qū)域上的三重積分的兩倍.使用對稱性時(shí)應(yīng)注意:
1)積分區(qū)域關(guān)于坐標(biāo)面的對稱性; 2)被積函數(shù)關(guān)于變量的奇偶性。
2例 計(jì)算
???
x(x
?
y
?
z)
dxdydz,其中Ω是由曲面z = x2 + y2和x2 + y2 + z2 =2所圍成的空間閉區(qū)域.解:? x(x?y?z)2 ?x(x2?y2?z2)?2x2y?2xyz?2zx2 ?x(x2?y2?z2)?2xyz
?是關(guān)于x 的奇函數(shù),且?關(guān)于 yoz 面對稱 故其積分為零。
2x2 y是關(guān)于y 的奇函數(shù),且關(guān)于 zox 面對稱
????2x?2ydv?0,?I?????x(x?y?z)2dxdydz
??????2?02x2zdxdydz,22?2????cos??z??d?d?dz????0 d?? d?? 2?cos??zdz?22??2322?d???cos?(2????)d?013224 24?5?
第三篇:高等數(shù)學(xué)第九章重積分教案
第九章 重積分
第一節(jié) 二重積分的概念與性質(zhì)
9.1.1 二重積分的概念
為引出二重積分的概念,我們先來討論兩個(gè)實(shí)際問題。
設(shè)有一平面薄片占有xOy>面上的閉區(qū)域D>,它在點(diǎn)(x>,y>)處的面密度為ρ(x>,y>),這里ρ(x>,y>)> 0>且在D>上連續(xù)?,F(xiàn)在要計(jì)算該薄片的質(zhì)量M>。
>由于面密度ρ(x>,y>)是變量,薄片的質(zhì)量不能直接用密度公式(M =>ρS>)來計(jì)算。但ρ(x>,y>)是連續(xù)的,利用積分的思想,把薄片分成許多小塊后,只要小塊所占的小閉區(qū)域D s i>的直徑很小,這些小塊就可以近似地看作均勻薄片。在D s i>(這小閉區(qū)域的面積也記作D s i
>)上任取一點(diǎn)(x i>,h i>),則ρ(x i>,h i>)D s i>(i = 1>,2>,?,n)可看作第i>個(gè)小塊的質(zhì)量的近似值。通過求和,再令n個(gè)小區(qū)域的直徑中的最大值(記作λ)趨于零,取和的極限,便自然地得出薄片的質(zhì)量M>,即 >。
>再設(shè)有一立體,它的底是xOy>面上的閉區(qū)域D>,它的側(cè)面是以D>的邊界曲線為準(zhǔn)線而母線平行于z>軸的柱面,它的頂是曲面z = f>(x>,y>),這里f>(x>,y>)≥ 0>且在D>上連續(xù)。這種立體叫做曲頂柱體?,F(xiàn)在要計(jì)算上述曲頂柱體的體積V>。
>由于曲頂柱體的高f>(x>,y>)是變量,它的體積不能直接用體積公式來計(jì)算。但仍可采用上面的思想方法,用一組曲線網(wǎng)把D>分成n個(gè)小閉區(qū)域D s 1,D s 2>,?,D s n>,在每個(gè)D s i>上任取一點(diǎn)(x i>,h i>),則f>(x i>,h i>)D s i>(i = 1>,2>,?,n)可看作以f>(x i>,h i>)為高而底為D s i>的平頂柱體的體積>。通過求和,取極限,便得出 >。
上面兩個(gè)問題所要求的,都?xì)w結(jié)為同一形式的和的極限。在其他學(xué)科中,由許多物理量和幾何量也可歸結(jié)為這一形式的和的極限。因此我們要一般地研究這種和的極限,并抽象出下述二重積分的定義。> 定義 >設(shè)f>(x>,y>)是有界閉區(qū)域D>上的有界函數(shù)。將閉區(qū)域D>任意分成n>個(gè)小閉區(qū)域
>D s 1,D s 2>,?,D s n>,>其中D s 也表示它的面積。在每個(gè)D s(x h,i>表示第i>個(gè)小閉區(qū)域,i>上任取一點(diǎn)i>,i>)作乘積 f>(x i>,h i>)D s i>(i = 1, 2, >?, n,>),并作和。如果當(dāng)各小閉區(qū)域的直徑中的最大值l 趨于零時(shí),這和的極限總存在,則稱此極限為函數(shù)f>(x>,y>)在閉區(qū)域D>上的二重積分,記作,即
>。(*>)
>其中f>(x>,y>)叫做被積函數(shù),f>(x>,y>)ds >叫做被積表達(dá)式,ds >叫做面積元素,x>與y>叫做積分變量,D>叫做積分區(qū)域,叫做積分和。
>在二重積分的定義中對閉區(qū)域D>的劃分是任意的,如果在直角坐標(biāo)系中用平行于坐標(biāo)軸的直線網(wǎng)來劃分D>,那末除了包含邊界點(diǎn)的一些小閉區(qū)域外,其余的小閉區(qū)域都是矩形閉區(qū)域。設(shè)矩形閉區(qū)域D s i>的邊長為D xj>和D yk>,則D s = D xj>·D yk>。因此在直角坐標(biāo)系中,有時(shí)也把面積元素ds >記作dxdy>,而把二重積分記作 >
>其中dxdy>叫做直角坐標(biāo)系中的面積元素。
>這里我們要指出,當(dāng)f>(x>,y>)在閉區(qū)域D>上連續(xù)時(shí),(*>)式右端的和的極限必定存在,也就是說,函數(shù)f>(x>,y>)在D>上的二重積分必定存在。> 9.1.2 二重積分的性質(zhì)
二重積分與定積分有類似的性質(zhì):
>性質(zhì)1 >被積函數(shù)的常數(shù)因子可以提到二重積分號的外面,即 > >(k>為常數(shù))。
>性質(zhì)2 >函數(shù)的和(或差)的二重積分等于各個(gè)函數(shù)的二重積分的和(或差)。例如 >。
>性質(zhì)3 >如果閉區(qū)域D>被有限條曲線分為有限個(gè)部分閉區(qū)域,則在D>上的二重積分等于在各部分閉區(qū)域上的二重積分的和。例如D>分為兩個(gè)閉區(qū)域D1>與 D2>,則 >。
此性質(zhì)表示二重積分對于積分區(qū)域具有可加性。
>性質(zhì)4 >如果在D>上,f>(x>,y>)= 1>,s 為D>的面積,則 >。
>此性質(zhì)的幾何意義很明顯,因?yàn)楦邽?>的平頂柱體的體積在數(shù)值上就等于柱體的底面積。>性質(zhì)5 >如果在D>上,f>(x>,y>)≤ j >(x>,y>),則有不等式 >。
特殊地,由于
>-| f>(x>,y>)| >≤ f>(x>,y>)≤ | f>(x>,y>)|>,> 又有不等式。
>性質(zhì)6 >設(shè)M>,m>分別是f>(x>,y>)在閉區(qū)域D>上的最大值和最小值,s 是D>的面積,則有 >。
上述不等式是對二重積分估值的不等式。
>性質(zhì)7>(二重積分的中值定理)>設(shè)函數(shù)f>(x>,y>)在閉區(qū)域D>上連續(xù),s 是D>的面積,則在D>上至少存在一點(diǎn)(x,h)使得下式成立: >。
第二節(jié) 二重積分的計(jì)算法(直角坐標(biāo),極坐標(biāo))
按照二重積分的定義來計(jì)算二重積分,對少數(shù)特別簡單的被積函數(shù)和積分區(qū)域來說是可行的,但對一般的函數(shù)和積分區(qū)域來說,這不是一種切實(shí)可行的方法。這里介紹一種方法,把二重積分化為兩次單積分(即兩次定積分)來計(jì)算。9.2.1 利用直角坐標(biāo)計(jì)算二重積分
下面用幾何的觀點(diǎn)來討論二重積分的計(jì)算問題。
在討論中我們假定f(x,y)≥ 0。并設(shè)積分區(qū)域D可以用不等式 j 1(x)≤ y ≤ j 2(x),a≤x≤b
來表示,其中函數(shù)j 1(x)、j 2(x)在區(qū)間 [a,b] 上連續(xù)。
我們應(yīng)用“平行截面面積為已知的立體的體積”的方法,來計(jì)算這個(gè)曲頂柱體的體積。為計(jì)算截面面積,在區(qū)間 [a,b] 上任意取定一點(diǎn)x0,作平行于yOz面的平面x=x0。這平面截曲頂柱體所得截面是一個(gè)以區(qū)間 [j 1(x0),j 2(x0)] 為底、曲線z = f(x0,y)為曲邊的曲邊梯形,所以這截面的面積為。
一般的,過區(qū)間 [a,b] 上任一點(diǎn)x且平行于yOz面的平面截曲頂柱體所得截面的面積為,于是,得曲頂柱體的體積為。
這個(gè)體積也就是所求二重積分的值,從而有等式
。(1)
上式右端的積分叫做先對y、后對x的二次積分。就是說,先把x看作常數(shù),把f(x,y)只看作y的函數(shù),并對y計(jì)算從j 1(x)到j(luò) 2(x)的定積分;然后把算得的結(jié)果(是x的函數(shù))再對x計(jì)算在區(qū)間 [a,b] 上的定積分。這個(gè)先對y、后對x的二次積分也常記作。
因此,等式(1)也寫成,(1’)
在上述討論中,我們假定f(x,y)≥ 0,但實(shí)際上公式(1)的成立并不受此條件限制。類似地,如果積分區(qū)域D可以用不等式 ψ1(y)≤ x ≤ ψ2(y),c≤y≤d
來表示,其中函數(shù)ψ1(y)、ψ2(y)在區(qū)間 [c,d] 上連續(xù),那末就有。
上式右端的積分叫做先對x、后對y的二次積分,這個(gè)積分也常記作。
因此,等式(2)也寫成,(2’)
這就是把二重積分化為先對x、后對y的二次積分的公式。
我們稱圖9-2-1所示的積分區(qū)域?yàn)閄-型區(qū)域,圖9-2-3所示的積分區(qū)域?yàn)閅-型區(qū)域。對不同的區(qū)域,可以應(yīng)用不同的公式。如果積分區(qū)域D既不是X-型的,也不是Y-型的,我們可以把D分成幾個(gè)部分,使每個(gè)部分是X-型區(qū)域或是Y-型區(qū)域。如果積分區(qū)域D既是X-型的,又是Y-型的,則由公式(1’)及(2’)就得。
上式表明,這兩個(gè)不同次序的二次積分相等,因?yàn)樗鼈兌嫉扔谕粋€(gè)二重積分。
二重積分化為二次積分時(shí),確定積分限是一個(gè)關(guān)鍵。而積分限是根據(jù)積分區(qū)域D的類型來確定的。
例1 計(jì)算,其中D是由直線y =
1、x = 2及y = x所圍成的閉區(qū)域。
解法1 首先畫出積分區(qū)域D。D是X-型的,D上的點(diǎn)的橫坐標(biāo)的變動(dòng)范圍是區(qū)間[1,2]。在區(qū)間[1,2]上任意取定一個(gè)x值,則D上以這個(gè)x值為橫坐標(biāo)的點(diǎn)在一段直線上,這段直線平行于y軸,該線段上點(diǎn)的縱坐標(biāo)從y = 1變到y(tǒng) = x。利用公式(1)得。
解法2 把積分區(qū)域D看成是Y-型的。同學(xué)們可作為練習(xí),驗(yàn)證解出的答案是否與解法1的相一致。
對于較復(fù)雜的積分區(qū)域,在化二重積分為二次積分時(shí),為了計(jì)算簡便,需要選擇恰當(dāng)?shù)亩畏e分的次序。這時(shí),既要考慮積分區(qū)域D的形狀,又要考慮被積函數(shù)f(x,y)的特性。例2 求量各底圓半徑都等于R的直交圓柱面所圍成的立體的體積。解 設(shè)這兩個(gè)圓柱面的方程分別為 x + y = R及x + z = R
利用立體關(guān)于坐標(biāo)平面的對稱性,只要算出它在第一卦限部分的體積V1,然后再乘以9就行了。
所求立體在第一卦限部分可以看成是一個(gè)曲頂柱體,它的底為 2222
22,如圖9-2-5(b)所示。它的頂是柱面。于是。
利用公式(1)得
從而所求立體體積為。
9.2.2 利用極坐標(biāo)計(jì)算二重積分
有些二重積分,積分區(qū)域D的邊界曲線用極坐標(biāo)方程來表示比較方便,且被積函數(shù)用極坐標(biāo)變量r,θ比較簡單。這時(shí),我們就可以考慮利用極坐標(biāo)來計(jì)算二重積分按二重積分的定義有
。,下面將推導(dǎo)出這個(gè)和的極限在極坐標(biāo)系中的形式。
假定從極點(diǎn)O出發(fā)且穿過閉區(qū)域D內(nèi)部的射線與D的邊界曲線相交不多于兩點(diǎn)。我們用以極點(diǎn)為中心的一族同心圓:r=常數(shù),以及從極點(diǎn)出發(fā)的一族射線:θ=常數(shù),把D分成n個(gè)小閉區(qū)域。除了包含邊界點(diǎn)的一些小閉區(qū)域外,小閉區(qū)域的面積D s i可計(jì)算如下:
其中表示相鄰兩圓弧的半徑的平均值。在這小閉區(qū)域內(nèi)取圓周點(diǎn)的直角坐標(biāo)設(shè)為x i,h i,則由直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)之間的關(guān)系有
。于是
上的一點(diǎn),該,即。
由于在直角坐標(biāo)系中也常記作,所以上式又可寫成
。(4)
這就是二重積分的變量從直角坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)的變換公式,其中rdrdθ就是極坐標(biāo)系中的面積元素。公式(4)表明,要把二重積分中的變量從直角坐標(biāo)變換為極坐標(biāo),只要把被積函數(shù)中的x、y分別換成rcosθ、rsinθ,并把直角坐標(biāo)系中的面積元素dxdy換成極坐標(biāo)系中的面積元素rdrdθ。
極坐標(biāo)系中的二重積分,同樣可以化為二次積分來計(jì)算。,二重積分化為二次積分的公式為
。(5)
上式也寫成
。(5')
特別地,如果積分區(qū)域D是所示的曲邊扇形,那末相當(dāng)于圖9-2-7(a)中φ1(θ)≡0,φ2(θ)=φ(θ)。這時(shí)閉區(qū)域D可以用不等式 0≤r≤φ(θ),α≤θ≤β 來表示,而公式(5')成為。
如果積分區(qū)域D如圖)所示,極點(diǎn)在D的內(nèi)部,那末相當(dāng)于圖9-2-9中α= 0、β= 2π。這時(shí)閉區(qū)域D可以用不等式 0≤r≤φ(θ),0≤θ≤2π 來表示,而公式(5')成為。
由二重積分的性質(zhì)4,閉區(qū)域D的面積s 可以表示為。
在極坐標(biāo)系中,面積元素ds = rdrdθ,上式成為。
如果閉區(qū)域D如圖9-2-7(a)所示,這由公式(5')有。
特別地,如果閉區(qū)域D如圖9-2-9所示,則φ1(θ)≡0,φ2(θ)=φ(θ)。于是。
例3 計(jì)算,其中D是由中心在原點(diǎn)、半徑為a的圓周所圍成的閉區(qū)域。
解 在極坐標(biāo)系中,閉區(qū)域D可表示為 0≤r≤a,0≤θ≤2π。由公式(4)及(5)有
例4 求球體x+y+z≤4a圓柱面x+y=2ax(a>0)所截得的(含在圓柱面內(nèi)的部分)立體的體積。解 由對稱性,22
222
2,其中D為半圓周式
及x軸所圍成的閉區(qū)域。在極坐標(biāo)系中,閉區(qū)域D可用不等0≤r≤2acos(θ),0≤θ≤π/2 來表示。于是。
第三節(jié) 二重積分的應(yīng)用實(shí)例
在二重積分的應(yīng)用中,由許多求總量的問題可以用定積分的元素法來處理。如果所要計(jì)算的某個(gè)量對于閉區(qū)域D具有可加性(就是說,當(dāng)閉區(qū)域D分成許多小閉區(qū)域時(shí),所求量U相應(yīng)地分成許多部分量,且U等于部分量之和),并且在閉區(qū)域D內(nèi)任取一個(gè)直徑很小的閉區(qū)域dσ時(shí),相應(yīng)的部分量可近似地表示為f(x,y)dσ的形式,其中(x,y)在dσ內(nèi)。這個(gè)f(x,y)dσ稱為所求量U的元素而記作dU,以它為被積表達(dá)式,在閉區(qū)域D上積分:,這就是所求量的積分表達(dá)式。9.3.1 曲面的面積 設(shè)曲面S由方程 z = f(x,y)
給出,D為曲面S在xOy面上的投影區(qū)域,函數(shù)f(x,y)在D上具有連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)fx(x,y)和fy(x,y)。我們要計(jì)算曲面S的面積A。
在閉區(qū)域D上任取一直徑很小的閉區(qū)域dσ(這小閉區(qū)域的面積也記作dσ)。在dσ上取一點(diǎn)P(x,y),對應(yīng)地曲面S上有一點(diǎn)M(x,y,f(x,y)),點(diǎn)M在xOy面上的投影即點(diǎn)P。點(diǎn)M處曲面S的切平面設(shè)為T。以小閉區(qū)域dσ的邊界為準(zhǔn)線作母線平行于z軸的柱面,這柱面在曲面S上截下一小片曲面,在切平面T上截下一小片平面。由于dσ的直徑很小,切平面T上的那一小片平面的面積dA可以近似代替相應(yīng)的那一小片面積的面積。設(shè)點(diǎn)M處曲面S上的法線(指向朝上)于z軸所成的角為γ,則
。因?yàn)?,所以?/p>
這就是曲面S的面積元素,以它為被積表達(dá)式在閉區(qū)域D上積分,得。
上式也可寫為這就是計(jì)算曲面面積的公式。
設(shè)曲面的方程為x=g(x,y)或y=h(z,x),可分別把曲面投影到xOy面上(投影區(qū)域記作Dyz)或zOx面上(投影區(qū)域記作Dzx),類似地可得,或例1 求半徑為a的球的表面積。
解:取上半球面的方程為x+y≤a。222,則它在xOy面上的投影區(qū)域D可表示為由,得。因?yàn)檫@函數(shù)在閉區(qū)域D上無界,我們不能直接應(yīng)用曲面面積公式。所以先取區(qū)域D1:x+y≤b(0
222,利用極坐標(biāo),得
于是。
這就是半個(gè)球面的面積,因此整個(gè)球面的面積為
A = 4πa2。
9.3.2平面薄片的重心
設(shè)有一平面薄片,占有xOy面上的閉區(qū)域D,在點(diǎn)(x,y)處的面密度ρ(x,y),假定ρ(x,y)在D上連續(xù)。現(xiàn)在要找該薄片的重心的坐標(biāo)。
在閉區(qū)域D上任取一直徑很小的閉區(qū)域dσ(這小閉區(qū)域的面積也記作dσ),(x,y)是這小閉區(qū)域上的一個(gè)點(diǎn)。由于dσ的直徑很小,且ρ(x,y)在D上連續(xù),所以薄片中相應(yīng)于dσ的部分的質(zhì)量近似等于ρ(x,y)dσ,這部分質(zhì)量可近似看作集中在點(diǎn)(x,y)上,于是可寫出靜矩元素dMy及dMx:
dMy = xρ(x,y)dσ,dMx =yρ(x,y)dσ。以這些元素為被積表達(dá)式,在閉區(qū)域D上積分,便得。
又由第一節(jié)知道,薄片的質(zhì)量為。
所以,薄片的重心的坐標(biāo)為。
如果薄片是均勻的,即面密度為常量,則上式中可把ρ提到積分記號外面并從分子、分母中約去,這樣便得均勻薄片重心的坐標(biāo)為
(1)
其中為閉區(qū)域D的面積。這時(shí)薄片的重心完全由閉區(qū)域D的形狀所決定。我們把均勻平面薄片的重心叫做這平面薄片所占的平面圖形的形心。因此,平面圖形D的形心,就可用公式(1)計(jì)算。
例2 求位于兩圓r = 2sinθ和r = 4sinθ之間的均勻薄片的重心
解 因?yàn)殚]區(qū)域D對稱于y軸,所以重心再按公式
必位于y軸上,于是。
計(jì)算。由于閉區(qū)域D位于半徑為1與半徑為2的兩圓之間,所以它的面積等于這兩個(gè)圓的面積之差,即A = 3π。再利用極坐標(biāo)計(jì)算積分:。
因此,所求重心是C(0,7/3)。
三、平面薄片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
設(shè)有一薄片,占有xOy面上的閉區(qū)域D,在點(diǎn)(x,y)處的面密度ρ(x,y),假定ρ(x,y)在D上連續(xù)?,F(xiàn)在要求該薄片對于x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix以及對于y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iy。應(yīng)用元素法,在閉區(qū)域D上任取一直徑很小的閉區(qū)域dσ(這小閉區(qū)域的面積也記作dσ),(x,y)是這小閉區(qū)域上的一個(gè)點(diǎn)。由于dσ的直徑很小,且ρ(x,y)在D上連續(xù),所以薄片中相應(yīng)于dσ的部分的質(zhì)量近似等于ρ(x,y)dσ,這部分質(zhì)量可近似看作集中在點(diǎn)(x,y)上,于是可寫出薄片對于x軸以及對于y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量元素: dIx = yρ(x,y)dσ,dIy = xρ(x,y)dσ。以這些元素為被積表達(dá)式,在閉區(qū)域D上積分,便得
22。
例3 求半徑為a的均勻半圓薄片(面密度為常量ρ)對于其直徑邊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。解:取坐標(biāo)系如圖所示,則薄片所占閉區(qū)域D可表示為 x+y≤a,y≥0;
而所求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即半圓薄片對于x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix。222
其中 為半圓薄片的質(zhì)量。
第四節(jié) 利用柱面坐標(biāo)和球面坐標(biāo)計(jì)算三重積分
與二重積分的計(jì)算類似,三重積分有時(shí)也要利用柱面坐標(biāo)或球面坐標(biāo)來進(jìn)行計(jì)算。9.4.1 利用柱面坐標(biāo)計(jì)算三重積分
設(shè)M(x,y,z)為空間內(nèi)一點(diǎn),并設(shè)點(diǎn)M在xOy面上的投影P的極坐標(biāo)為r,θ,則這樣的三個(gè)數(shù)r,θ,z就叫做點(diǎn)M的柱面坐標(biāo),這里規(guī)定r、θ、z的變化范圍為: 0 ≤ r < +∞, 0 ≤θ≤ 2π,-∞ < z < +∞。三組坐標(biāo)面分別為
r = 常數(shù),即以z軸為軸的圓柱面; θ=常數(shù),即過z軸的半平面; z = 常數(shù),即與xOy面平行的平面。顯然,點(diǎn)M的直角坐標(biāo)與柱面坐標(biāo)的關(guān)系為
(1)
現(xiàn)在要把三重積分中的變量變換為柱面坐標(biāo)。為此,用三組坐標(biāo)面r = 常數(shù),θ=常數(shù),z = 常數(shù)把Ω分成許多小閉區(qū)域,除了含Ω的邊界的一些不規(guī)則小閉區(qū)域外,這種小閉區(qū)域都是柱體??紤]由r,θ,z各取得微小增量dr,dθ,dz所成的柱體的體積。柱體的高為dz、底面積在不計(jì)高階無窮小時(shí)為r dr dθ(即極坐標(biāo)系中的面積元素),于是得
dv = r dr dθdz,這就是柱面坐標(biāo)中的體積元素。再注意到關(guān)系式(1),就有
(2)
其中F(r,θ,z)= f(r cosθ,r sinθ,z)。(2)式就是把三重積分的變量從直角坐標(biāo)變換為柱面坐標(biāo)的公式。至于變量變換為柱面坐標(biāo)后的三重積分的計(jì)算,則可化為三次積分來進(jìn)行?;癁槿畏e分時(shí),積分限是根據(jù)r,θ,z在積分區(qū)域Ω中的變化范圍來確定的,下面通過例子來說明。例1 利用柱面坐標(biāo)計(jì)算三重積分圍成的閉區(qū)域。,其中Ω是由曲面z = x+y與平面z = 4所
22解 把閉區(qū)域Ω投影到xOy面上,得半徑為2的圓形閉區(qū)域D:0≤r≤2,0≤θ≤2π。在D22內(nèi)任取一點(diǎn)(r,θ),過此點(diǎn)作平行于z軸的直線,此直線通過曲面z = x+y穿入Ω內(nèi),然后通過平面z = 4穿出Ω外。因此閉區(qū)域Ω可用不等式 r2≤z≤4,0≤r≤2,0≤θ≤2π 來表示。于是
9.4.2 利用球面坐標(biāo)計(jì)算三重積分
設(shè)M(x,y,z)為空間內(nèi)一點(diǎn),則點(diǎn)M也可用這樣三個(gè)有次序的數(shù)r,φ,θ來確定,其中r為原點(diǎn)O與點(diǎn)M間的距離,φ為有向線段看自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到有向線段
與z軸正向所夾的角,θ為從正z軸來的角,這里P為點(diǎn)M在xOy面上的投影。這樣的三個(gè)數(shù)r,φ,θ叫做點(diǎn)M的球面坐標(biāo),這里r,φ,θ的變化范圍為 0 ≤ r < +∞, 0 ≤φ≤ π, 0 ≤θ≤ 2π.r = 常數(shù),即以原點(diǎn)為心的球面;
φ= 常數(shù),即以原點(diǎn)為頂點(diǎn)、z軸為軸的圓錐面; θ = 常數(shù),即過z軸的半平面。點(diǎn)M的直角坐標(biāo)與球面坐標(biāo)的關(guān)系為
(3)
為了把三重積分中的變量從直角坐標(biāo)變換為球面坐標(biāo),用三組坐標(biāo)面r = 常數(shù),φ=常數(shù),θ= 常數(shù)把積分區(qū)域Ω分成許多小閉區(qū)域??紤]由r,φ,θ各取得微小增量dr,dφ,dθ所成的六面體的體積。不計(jì)高階無窮小,可把這個(gè)六面體看作長方體,其經(jīng)線方向的長為rdφ,緯線方向的寬為r sinφdθ,向徑方向的高為dr,于是得 dv = r sinφdrdφdθ,這就是球面坐標(biāo)系中的體積元素。再注意到關(guān)系式(3),就有 2,(4)
其中F(r,φ,θ)= f(r sinφcosθ,r sinφsinθ,r cosφ)。(4)式就是把三重積分的變量從直角坐標(biāo)變換為球面坐標(biāo)的公式。
要計(jì)算變量變換為球面坐標(biāo)后的三重積分,可把它化為對r對φ及對θ的三次積分。若積分區(qū)域Ω的邊界曲面是一個(gè)包圍原點(diǎn)在內(nèi)的閉曲面,其球面坐標(biāo)方程為r = r(φ,θ),則。
當(dāng)積分區(qū)域Ω為球面r = a所圍成時(shí),則。
特別地,當(dāng)F(r,φ,θ)= 1時(shí),由上式即得球的體積,這是我們所熟知的。
例2 求半徑為a的球面與半頂角為α的內(nèi)接錐面所圍成的立體的體積。解 設(shè)球面通過原點(diǎn)O,球心在z軸上,又內(nèi)接錐面的頂點(diǎn)在原點(diǎn)O,其軸與z軸重合,則球面方程為r = 2acosφ,錐面方程為φ=α。因?yàn)榱Ⅲw所占有的空間閉區(qū)域Ω可用不等式 0≤r≤2acosφ, 0≤φ≤α, 0≤θ≤2π 來表示,所以
在三重積分的應(yīng)用中也可采用元素法。
設(shè)物體占有空間閉區(qū)域Ω,在點(diǎn)(x,y,z)處的密度為ρ(x,y,z),假定這函數(shù)在Ω上連續(xù),求該物體的重心的坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。與第三節(jié)中關(guān)于平面薄片的這類問題一樣,應(yīng)用元素法可寫出
等,其中為物體的質(zhì)量。
例3 求均勻半球體的重心。
解 取半球體的對稱軸為z軸,原點(diǎn)取在球心上,又設(shè)球半徑為a,則半球體所占空間閉區(qū)域Ω可用不等式 x+y+z≤a,z≥0 來表示。2222顯然,重心在z軸上,故。,其中為半球體的體積。
因此,重心為。
第四篇:高等數(shù)學(xué)總結(jié)
FROM BODY TO SOUL
高等數(shù)學(xué)
第一講 函數(shù)、極限和連續(xù)
一、函數(shù) 1.函數(shù)的概念
幾種常見函數(shù) 絕對值函數(shù): 符號函數(shù): 取整函數(shù): 分段函數(shù):
最大值最小值函數(shù):
2.函數(shù)的特性
有界性: 單調(diào)性: 奇偶性: 周期性:
3.反函數(shù)與復(fù)合函數(shù)
反函數(shù):
復(fù)合函數(shù):
第五篇:高等數(shù)學(xué)難點(diǎn)總結(jié)
高等數(shù)學(xué)難點(diǎn)總結(jié) 上冊:
函數(shù)(高等數(shù)學(xué)的主要研究對象)
極限:數(shù)列的極限(特殊)——函數(shù)的極限(一般)極限的本質(zhì)是通過已知某一個(gè)量(自變量)的變化趨勢,去研究和探索另外一個(gè)量(因變量)的變化趨勢
由極限可以推得的一些性質(zhì):局部有界性、局部保號性……應(yīng)當(dāng)注意到,由極限所得到的性質(zhì)通常都是只在局部范圍內(nèi)成立
在提出極限概念的時(shí)候并未涉及到函數(shù)在該點(diǎn)的具體情況,所以函數(shù)在某點(diǎn)的極限與函數(shù)在該點(diǎn)的取值并無必然聯(lián)系
連續(xù):函數(shù)在某點(diǎn)的極限 等于 函數(shù)在該點(diǎn)的取值 連續(xù)的本質(zhì):自變量無限接近,因變量無限接近
導(dǎo)數(shù)的概念
本質(zhì)是函數(shù)增量與自變量增量的比值在自變量增量趨近于零時(shí)的極限,更簡單的說法是變化率
微分的概念:函數(shù)增量的線性主要部分,這個(gè)說法有兩層意思,一、微分是一個(gè)線性近似,二、這個(gè)線性近似帶來的誤差是足夠小的,實(shí)際上任何函數(shù)的增量我們都可以線性關(guān)系去近似它,但是當(dāng)誤差不夠小時(shí),近似的程度就不夠好,這時(shí)就不能說該函數(shù)可微分了
不定積分:導(dǎo)數(shù)的逆運(yùn)算 什么樣的函數(shù)有不定積分
定積分:由具體例子引出,本質(zhì)是先分割、再綜合,其中分割的作用是把不規(guī)則的整體劃作規(guī)則的許多個(gè)小的部分,然后再綜合,最后求極限,當(dāng)極限存在時(shí),近似成為精確 什么樣的函數(shù)有定積分
求不定積分(定積分)的若干典型方法:換元、分部,分部積分中考慮放到積分號后面的部分,不同類型的函數(shù)有不同的優(yōu)先級別,按反對冪三指的順序來記憶
定積分的幾何應(yīng)用和物理應(yīng)用
高等數(shù)學(xué)里最重要的數(shù)學(xué)思想方法:微元法
微分和導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用:判斷函數(shù)的單調(diào)性和凹凸性
微分中值定理,可從幾何意義去加深理解
泰勒定理:本質(zhì)是用多項(xiàng)式來逼近連續(xù)函數(shù)。要學(xué)好這部分內(nèi)容,需要考慮兩個(gè)問題:
一、這些多項(xiàng)式的系數(shù)如何求?
二、即使求出了這些多項(xiàng)式的系數(shù),如何去評估這個(gè)多項(xiàng)式逼近連續(xù)函數(shù)的精確程度,即還需要求出誤差(余項(xiàng)),當(dāng)余項(xiàng)隨著項(xiàng)數(shù)的增多趨向于零時(shí),這種近似的精確度就是足夠好的。下冊
(一):
多元函數(shù)的微積分:將上冊的一元函數(shù)微積分的概念拓展到多元函數(shù)
最典型的是二元函數(shù)
極限:二元函數(shù)與一元函數(shù)要注意的區(qū)別,二元函數(shù)中兩點(diǎn)無限接近的方式有無限多種(一元函數(shù)只能沿直線接近),所以二元函數(shù)存在的要求更高,即自變量無論以任何方式接近于一定點(diǎn),函數(shù)值都要有確定的變化趨勢
連續(xù):二元函數(shù)和一元函數(shù)一樣,同樣是考慮在某點(diǎn)的極限和在某點(diǎn)的函數(shù)值是否相等
導(dǎo)數(shù):上冊中已經(jīng)說過,導(dǎo)數(shù)反映的是函數(shù)在某點(diǎn)處的變化率(變化情況),在二元函數(shù)中,一點(diǎn)處函數(shù)的變化情況與從該點(diǎn)出發(fā)所選擇的方向有關(guān),有可能沿不同方向會(huì)有不同的變化率,這樣引出方向?qū)?shù)的概念
沿坐標(biāo)軸方向的導(dǎo)數(shù)若存在,稱之為偏導(dǎo)數(shù)
通過研究發(fā)現(xiàn),方向?qū)?shù)與偏導(dǎo)數(shù)存在一定關(guān)系,可用偏導(dǎo)數(shù)和所選定的方向來表示,即二元函數(shù)的兩個(gè)偏導(dǎo)數(shù)已經(jīng)足夠表示清楚該函數(shù)在一點(diǎn)沿任意方向的變化情況
高階偏導(dǎo)數(shù)若連續(xù),則求導(dǎo)次序可交換
微分:微分是函數(shù)增量的線性主要部分,這一本質(zhì)對一元函數(shù)或多元函數(shù)來說都一樣。只不過若是二元函數(shù),所選取的線性近似部分應(yīng)該是兩個(gè)方向自變量增量的線性組合,然后再考慮誤差是否是自變量增量的高階無窮小,若是,則微分存在
僅僅有偏導(dǎo)數(shù)存在,不能推出用線性關(guān)系近似表示函數(shù)增量后帶來的誤差足夠小,即偏導(dǎo)數(shù)存在不一定有微分存在
若偏導(dǎo)數(shù)存在,且連續(xù),則微分一定存在
極限、連續(xù)、偏導(dǎo)數(shù)和可微的關(guān)系在多元函數(shù)情形里比一元函數(shù)更為復(fù)雜
極值:若函數(shù)在一點(diǎn)取極值,且在該點(diǎn)導(dǎo)數(shù)(偏導(dǎo)數(shù))存在,則此導(dǎo)數(shù)(偏導(dǎo)數(shù))必為零
所以,函數(shù)在某點(diǎn)的極值情況,即函數(shù)在該點(diǎn)附近的函數(shù)增量的符號,由二階微分的符號判斷。對一元函數(shù)來說,二階微分的符號就是二階導(dǎo)數(shù)的符號,對二元函數(shù)來說,二階微分的符號可由相應(yīng)的二次型的正定或負(fù)定性判斷。
級數(shù)斂散性的判別思路:首先看通項(xiàng)是否趨于零,若不趨于零則發(fā)散。若通項(xiàng)趨于零,看是否正項(xiàng)級數(shù)。若是正項(xiàng)級數(shù),首先看能否利用比較判別法,注意等比級數(shù)和調(diào)和級數(shù)是常用來作比較的級數(shù),若通項(xiàng)是連乘形式,考慮用比值判別法,若通項(xiàng)是乘方形式,考慮用根值判別法。若不是正項(xiàng)級數(shù),取絕對值,考慮其是否絕對收斂,絕對收斂則必收斂。若絕對值不收斂,考察一般項(xiàng),看是否交錯(cuò)級數(shù),用萊布尼茲準(zhǔn)則判斷。若不是交錯(cuò)級數(shù),只能通過最根本的方法判斷,即看其前n項(xiàng)和是否有極限,具體問題具體分析。
比較判別法是充分必要條件,比值和根值法只是充分條件,不是必要條件。
函數(shù)項(xiàng)級數(shù)情況復(fù)雜,一般只研究冪級數(shù)。阿貝爾定理揭示了冪級數(shù)的重要性質(zhì):收斂區(qū)域存在一個(gè)收斂半徑。所以對冪級數(shù),關(guān)鍵在于求出收斂半徑,而這可利用根值判別法解決。
逐項(xiàng)求導(dǎo)和逐項(xiàng)積分不改變冪級數(shù)除端點(diǎn)外的區(qū)域的斂散性,端點(diǎn)情況復(fù)雜,需具體分析。
一個(gè)函數(shù)能展開成冪級數(shù)的條件是:存在任意階導(dǎo)數(shù)。展開后的冪級數(shù)能收斂于原來函數(shù)的條件是:余項(xiàng)(誤差)要隨著項(xiàng)數(shù)的增加趨于零。這與泰勒展開中的結(jié)論一致。
微分方程:不同種類的方程有不同的常見解法,但理解上并無難處。