第一篇：三角形公式定理

第三章 三角形公式定理

第三章 三角形三角形的有關概念和性質

1.1三角形的內角和

在同一平面內,由一些不在同一條直線上的線段首位順次相接所圍成的封閉圖形叫做多邊形.組成多變形的那些線段叫做多邊形的邊.相鄰兩邊的公共端點叫做多邊形的頂點.多變形相鄰兩邊所夾的角叫做多邊形的內角,簡稱多邊形的角.多變形的角的一邊與另一邊的反向延長線組成的角叫做多邊形的外角.三角形內角和定理：三角形三個內角和等于180

在原來圖形上添畫的線叫做輔助線

依據三角形內角的特征,對三角形進行分類：三個角都是銳角的三角形叫做銳角三角形；有一個角是直角的三角形叫做直角三角形；有一個角是鈍角的三角形叫做鈍角三角形；銳角三角形和鈍角三角形統(tǒng)稱斜三角形.在直角三角形中,夾直角的兩邊叫做直角邊,直角的對邊叫做斜邊.推論1 直角三角形的兩個銳角互余

推論2 三角形的一個外角等于與它不相鄰的兩個內角的和

1.2三角形的有關線段

三角形一個角的平分線和對邊相交,角的頂點和交點之間的線段叫做三角形的角平分線連接三角形的一個頂點和它對邊中點的線段叫做三角形的中線

從三角形的一個頂點向其對邊或對邊的延長線畫垂線,頂點和垂足間的線段叫做三角形的高全等三角形

2.1全等三角形的證明

邊邊邊 有三邊對應相等的兩個三角形全等

邊角邊 有兩邊及其夾角對應相等的兩個三角形全等

角邊角 有兩角及其夾邊對應相等的兩個三角形全等

定理 有兩角及其其中一角的對邊對應相等的兩個三角形全等

2.2直角三角形全等的判定

定理 斜邊和一條直角邊對應相等的兩個直角三角形全等等腰三角形

3.1等腰三角形及其性質

三角形的三邊,有的三邊互不相等,有的有兩邊相等,有的三邊都相等.三邊都不相等的三角形叫做不等邊三角形,有兩邊相等的三角形叫做等腰三角形,三邊都相等的三角形叫做等邊三角形.在等腰三角形中,相等的兩邊都叫做腰,另一邊叫做底邊,兩腰的夾角叫做頂角,腰和底邊的夾角叫做底角

定理 等腰三角形的底角相等

推論 等腰三角形頂角的平分線平分底邊并且垂直于底邊

定理 有兩個角相等的三角形是等腰三角形

定理 一個三角形是等腰三角形的充要條件是這個三角形有兩個內角相等

等邊三角形定理1 等邊三角形的各角都相等,并且每一個角都等于60

等邊三角形定理2 三個角都相等的三角形是等邊三角形

等邊三角形定理3 有一個角等于60的等腰三角形是等邊三角形

3.2線段的垂直平分線與角平分線

定理 線段的垂直平分線上的點和這條線段兩個端點的距離相等

定理 和一條線段兩個端點距離相等的點,都在這條線段的垂直平分線上

線段的垂直平分線可以看成是所有和線段兩段距離相等的點的集合定理 點在角平分線上的充要條件是這一點到這個角兩邊的距離相等

角的平分線可以看作是到角的兩邊距離相等的所有點的集合3.3 軸對稱

定義 如果點A,B在直線l的兩側,且l是線段AB的垂直平分線,則稱點A,B關于直線l互相對稱,點A,B互稱為關于直線l的對稱點,直線l叫做對稱軸

定義 在平面上,如果圖形F的所有點關于平面上的直線l成軸對稱,直線l叫做對稱軸

定義 在平面上,如果存在一條直線l,圖形F的所有點關于直線l的對稱點組成的圖形,仍是圖形F自身,則稱圖形F為軸對稱圖形,直線l是它的一條對稱軸

定理（1）對稱軸上的任意一點與一對對稱點的距離相等（2）對稱點所連線段被對稱軸垂直平分

推論 兩個圖形如果關于某直線稱軸對稱,那么這兩個圖形是全等形

3.4三角形中的不等關系

定理 三角形的外角大于和它不相鄰的任一內角

定理 三角形任何兩邊的和大于第三邊

推論 三角形任何兩邊的差小于第三邊

定理 在一個三角形中,如果兩邊不等,那么它們所對的角也不等,大邊所對的角較大定理 在一個三角形中,如果兩個角不等,那么它們所對的邊也不等,大角所對的邊較大

在一個三角形中,一條邊大于另一條邊的充要條件是,這條邊所對的角大于另一條邊所對的角 4 直角三角形

4.1勾股定理逆定理

勾股定理逆定理 如果三角形的三邊長a,b,c滿足條件a+b=c,那么c所對的角是直角

4.2含30角的直角三角形的性質

定理 在直角三角形中,如果一個瑞角等于30,那么它所對的直角邊等于斜邊的一半

4.3直角三角形斜邊上中線的性質

定理 在直角三角形中,斜邊上的中線等于斜邊的一半基本作圖

5.1基本作圖

5.1作三角形

5.3軌跡與反證法

我們把物體按某種規(guī)律運動的路線叫做物體運動的軌跡

我們就把一個點在空間按某種規(guī)律運動的路線,叫做這個點運動的軌跡,這個點就叫做動點定義 具有性質a的所有點構成的集合,叫做具有性質a的點的軌跡

軌跡具有純粹性和完備性

基本軌跡1 與兩個已知點距離相等的點的軌跡是連結這兩點的線段的垂直平分線基本軌跡2 與已知角的兩邊距離相等的點的軌跡是這個角的平分線

圓幾何公式：

101圓是定點的距離等于定長的點的集合102圓的內部可以看作是圓心的距離小于半徑的點的集合103圓的外部可以看作是圓心的距離大于半徑的點的集合104同圓或等圓的半徑相等

105到定點的距離等于定長的點的軌跡，是以定點為圓心，定長為半徑的圓106和已知線段兩個端點的距離相等的點的軌跡，是著條線段的垂直平分線107到已知角的兩邊距離相等的點的軌跡，是這個角的平分線

108到兩條平行線距離相等的點的軌跡，是和這兩條平行線平行且距離相等的一條直線109定理 不在同一直線上的三個點確定一條直線

110垂徑定理 垂直于弦的直徑平分這條弦并且平分弦所對的兩條弧

111推論1 ①平分弦(不是直徑)的直徑垂直于弦，并且平分弦所對的兩條?、谙业拇怪逼椒志€經過圓心，并且平分弦所對的兩條弧

③平分弦所對的一條弧的直徑，垂直平分弦，并且平分弦所對的另一條弧

112推論2 圓的兩條平行弦所夾的弧相等

113圓是以圓心為對稱中心的中心對稱圖形

114定理 在同圓或等圓中，相等的圓心角所對的弧相等，所對的弦相等，所對的弦的弦心距相等

115推論 在同圓或等圓中，如果兩個圓心角、兩條弧、兩條弦或兩弦的弦心距中有一組量相等那么它們所對應的其余各組量都相等

116定理 一條弧所對的圓周角等于它所對的圓心角的一半

117推論1 同弧或等弧所對的圓周角相等;同圓或等圓中，相等的圓周角所對的弧也相等

118推論2 半圓(或直徑)所對的圓周角是直角;90°的圓周角所對的弦是直徑

119推論3 如果三角形一邊上的中線等于這邊的一半，那么這個三角形是直角三角形120定理 圓的內接四邊形的對角互補，并且任何一個外角都等于它的內對角121①直線L和⊙O相交 d﹤r

②直線L和⊙O相切 d=r

③直線L和⊙O相離 d﹥r

122切線的判定定理 經過半徑的外端并且垂直于這條半徑的直線是圓的切線123切線的性質定理 圓的切線垂直于經過切點的半徑

124推論1 經過圓心且垂直于切線的直線必經過切點

125推論2 經過切點且垂直于切線的直線必經過圓心

126切線長定理 從圓外一點引圓的兩條切線，它們的切線長相等，圓心和這一點的連線平分兩條切線的夾角

127圓的外切四邊形的兩組對邊的和相等

128弦切角定理 弦切角等于它所夾的弧對的圓周角

129推論 如果兩個弦切角所夾的弧相等，那么這兩個弦切角也相等

130相交弦定理 圓內的兩條相交弦，被交點分成的兩條線段長的積相等

131推論 如果弦與直徑垂直相交，那么弦的一半是它分直徑所成的兩條線段的比例中項

132切割線定理 從圓外一點引圓的切線和割線，切線長是這點到割線與圓交點的兩條線段長的比例中項

133推論 從圓外一點引圓的兩條割線，這一點到每條割線與圓的交點的兩條線段長的積相等

134如果兩個圓相切，那么切點一定在連心線上

135①兩圓外離 d﹥R+r ②兩圓外切 d=R+r

③兩圓相交 R-r﹤d﹤R+r(R﹥r)

④兩圓內切 d=R-r(R﹥r)⑤兩圓內含d﹤R-r(R﹥r)

136定理 相交兩圓的連心線垂直平分兩圓的公共弦

137定理 把圓分成n(n≥3):

⑴依次連結各分點所得的多邊形是這個圓的內接正n邊形

⑵經過各分點作圓的切線，以相鄰切線的交點為頂點的多邊形是這個圓的外切正n邊形138定理 任何正多邊形都有一個外接圓和一個內切圓，這兩個圓是同心圓

139正n邊形的每個內角都等于(n-2)×180°/n

140定理 正n邊形的半徑和邊心距把正n邊形分成2n個全等的直角三角形141正n邊形的面積Sn=pnrn/2 p表示正n邊形的周長

142正三角形面積√3a/4 a表示邊長

143如果在一個頂點周圍有k個正n邊形的角，由于這些角的和應為360°，因此k×(n-2)180°/n=360°化為(n-2)(k-2)=4

144弧長計算公式：L=n∏R/180

145扇形面積公式：S扇形=n∏R/360=LR/2

146內公切線長= d-(R-r)外公切線長= d-(R+r)

第二篇：三角形公式

在直角三角形中，如果一個銳角等于30°那么它所對的直角邊等于斜邊的一半 2 直角三角形斜邊上的中線等于斜邊上的一半

3勾股定理

直角三角形兩直角邊a、b的平方和、等于斜邊c的平方，即a+b=c

4勾股定理的逆定理

如果三角形的三邊長a、b、c有關系a+b=c，那么這個三角形是直角三角形

5定理

四邊形的內角和等于360°

6多邊形內角和定理: n邊形的內角的和等于(n-2)×180°

7平行四邊形性質定理1平行四邊形的對角相等

8平行四邊形性質定理2平行四邊形的對邊相等

9推論

夾在兩條平行線間的平行線段相等

10平行四邊形性質定理3平行四邊形的對角線互相平分

11平行四邊形判定定理1兩組對角分別相等的四邊形是平行四邊形

12平行四邊形判定定理2兩組對邊分別相等的四邊形是平行四邊形

13平行四邊形判定定理3對角線互相平分的四邊形是平行四邊形

14平行四邊形判定定理4一組對邊平行相等的四邊形是平行四邊形

15矩形性質定理1矩形的四個角都是直角

16矩形性質定理2矩形的對角線相等

17矩形判定定理1有三個角是直角的四邊形是矩形

18矩形判定定理2對角線相等的平行四邊形是矩形

19菱形性質定理1菱形的四條邊都相等

20菱形性質定理2菱形的對角線互相垂直，并且每一條對角線平分一組對角 21菱形面積=對角線乘積的一半，即S=(a×b)÷2

22菱形判定定理1四邊都相等的四邊形是菱形

23菱形判定定理2對角線互相垂直的平行四邊形是菱形

24正方形性質定理1正方形的四個角都是直角，四條邊都相等

25正方形性質定理2正方形的兩條對角線相等，并且互相垂直平分，每條對角線平分 一組對角

26定理1關于中心對稱的兩個圖形是全等的27定理2關于中心對稱的兩個圖形，對稱點連線都經過對稱中心，并且被對稱中心平分 28逆定理如果兩個圖形的對應點連線都經過某一點，并且被這一點平分，那么這兩個 圖形關于這一點對稱

29等腰梯形性質定理等腰梯形在同一底上的兩個角相等

30等腰梯形的兩條對角線相等

76等腰梯形判定定理在同一底上的兩個角相等的梯形是等腰梯形

77對角線相等的梯形是等腰梯形

31平行線等分線段定理

如果一組平行線在一條直線上截得的線段相等，那么在其他直線上截得的線段也相等 32 推論1經過梯形一腰的中點與底平行的直線，必平分另一腰

推論2經過三角形一邊的中點與另一邊平行的直線，必平分第三邊

三角形中位線定理三角形的中位線平行于第三邊，并且等于它的一半

梯形中位線定理梯形的中位線平行于兩底，并且等于兩底和的一半L=(a+b)÷2

第三篇：三角形射影定理

幾何證明

射影就是正投影，從一點到過頂點垂線垂線的垂足，叫做這點在這條直線上的正投影。一條線段的兩個端點在一條直線上的正投影之間的線段，叫做這條線段在這直線上的正投影，即射影定理。

直角三角形射影定理

直角三角形射影定理）：直角三角形中，斜邊上的高是兩直角邊在斜邊上射影的比例中項。每一條直角邊是這條直角邊在斜邊上的射影和斜邊的比例中項。

公式 如圖，Rt△ABC中，∠BAC=90°，AD是斜邊BC上的高，則有射影定理如下：

（1）（AD）=BD·DC，（2）（AB）=BD·BC，（3）（AC）=CD·BC。

證明：在 △BAD與△ACD中，∠B+∠C=90°，∠DAC+∠C=90°，∴∠B=∠DAC，又∵∠BDA=∠ADC=90°，∴△BAD∽△ACD相似，∴ AD/BD＝CD/AD，即（A

D）^2=BD·DC。其余類似可證。

注：由上述射影定理還可以證明勾股定理。由公式（2）+（3）得：（AB）+（AC）=BD·BC+CD·BC =（BD+CD)·BC=（BC）

即（AB）+（AC）=（BC）。22222222

2任意三角形射影定理

任意三角形射影定理又稱“第一余弦定理”：

設⊿ABC的三邊是a、b、c，它們所對的角分別是A、B、C，則有a＝b·cosC＋c·cosB，b＝c·cosA＋a·cosC，c＝a·cosB＋b·cosA。

注：以“a＝b·cosC＋c·cosB”為例，b、c在a上的射影分別為b·cosC、c·cosB，故名射影定理。

證明1：設點A在直線BC上的射影為點D，則AB、AC在直線BC上的射影分別為BD、CD，且

BD=c·cosB，CD=b·cosC，∴a=BD+CD=b·cosC＋c·cosB.同理可證其余。

1.圓周角定理:一條弧所對的圓周角等于它所對的圓心角的一半.2.圓周角定理的推論：同弧或等弧所對的圓周角相等；同圓或等圓中，相等的圓周角所對的弧也相等.弦切角定理：弦切角的度數等于它所夾的弧的度數的一半.2．弦切角定理推論：弦切角等于它所夾的弧所對的圓周角.切線的性質定理：圓的切線垂直于過切點的半徑．

進一步指出：由于過已知點有且只有一條直線與已知直線垂直，所以經過圓心垂直于切線的直線一定過切點；反過來，過切點垂直于切線的直線一定經過圓心，因此可以得到兩個推論：

推論1 經過圓心且垂直于切線的直線必經過切點．

推論2 經過切點且垂直于切線的直線必經過圓心．

引導學生分析性質定理及兩個推論的條件和結論間的關系，總結出如下結論：如果一條直線具備下列三個條件中的任意兩個，就可推出第三個．

(1)垂直于切線；(2)過切點；(3)過圓心．

相交弦定理

：圓內的兩條相交弦，被交點分成的兩條線

段長的積相等

幾何語言：

若弦AB、CD交于點P

則PA·PB=PC·PD（相交弦定理）

推論：如果弦與直徑垂直相交，那么弦的一半是它分直徑所成的兩條線段的比例中項

幾何語言：

若AB是直徑，CD垂直AB于點P，則PC=PA·PB（相交弦定理推論）

割線定理：

割線定理：從圓外一點引圓的兩條割線則有這點到割線與圓交點的兩條線段的積相等.要證PT2=PA·PB，可以證明，為此可證以 PA·PT為邊的三角形與以PT，BP為邊的三角形相似，于是考慮作輔助線TP，PB。容易證明∠PTA=∠B又∠P=∠P，因此△BPT∽△TPA，于是問題可證：

直線ABP和CDT是自點P引的⊙O的兩條割線，則PA·PB=PC·PD

證明:連接AD、BC

∵∠A和∠C都對弧BD

∴由圓周角定理，得 ∠A=∠C

又∵∠APD=∠CPB

∴△ADP∽△CBP

∴AP:CP=DP:BP, 也就是AP·BP=CP·DP

切線長定理：從圓外一點引圓的兩條切線，它們的切線長相等，圓心和這一點的連線平分兩條切線的夾角．

圓內接四邊形的判斷定理定理1：圓內接四邊形的對角互補；定理2：圓內接四邊形的外角等于它的內角的對角。

圓冪定理

圓冪的定義:一點P對半徑R的圓O的冪定義如下：OP?R

所以圓內的點的冪為負數，圓外的點的冪為正數，圓上的點的冪為零。

圓冪定理是相交弦定理、切割線定理及割線定理(切割線定理推論)以及他們推論的統(tǒng)稱。

（1）相交弦定理：圓內的兩條相交弦，被交點分成的兩條線段長的積相等。

2如圖，AB、CD為圓O的兩條任意弦。相交于點P，連接AD、BC，則∠D=∠B，∠A=∠C。所以△APD∽△BPC。所以 APPD??AP?BP?PC?PD PCBP

（2）切割線定理：從圓外一點引圓的切線和割線，切線長是這點到割線與圓焦點的兩條線段長的比例中項。

如圖，PT為圓切線，PAB為割線。連接TA，TB，則∠PTA=∠B（弦切角等于同弧圓周角）所以△PTA∽△PBT，所以

PTPA??PT2?PA?PB PBPT

（3）割線定理：從圓外一點P引兩條割線與圓分別交于A.B.C.D 則有

PA·PB=PC·PD。

這個證明就比較簡單了?？梢赃^P做圓的切線，也可以連接CB和AD。證相似。存在：PA?PB?PC?PD

進一步升華（推論）：

過任意在圓O外的一點P引一條直線L1與一條過圓心的直線L2，L1與圓交于

A、B（可重合，即切線），L2與圓交于C、D。則PA·PB=PC·PD。若圓半徑為r，則 PC?PD?(PO?R)?(PO?R)?PO2?R2?|PO2?R2|（一定要加絕對值，原因見下）為定值。這個值稱為點P到圓O的冪。（事實上所有的過P點與圓相交的直線都滿足這個值）

若點P在圓內，類似可得定值為R?PO?|PO?R|

故平面上任意一點對于圓的冪為這個點到圓心的距離與圓的半徑的平方差的絕 對值。（這就是“圓冪”的由來）

2222

第四篇：三角形垂心定理

三角形的三條高（所在直線）交于一點，該點叫做三角形的垂心。

垂心的性質：

1、三角形三個頂點，三個垂足，垂心這7個點可以得到6個四點圓。

2、三角形外心O、重心G和垂心H三點共線，且OG∶GH=1∶2。（此直線稱為三角形的歐拉線（Euler line））

3、垂心到三角形一頂點距離為此三角形外心到此頂點對邊距離的2倍。

4、垂心分每條高線的兩部分乘積相等。

定理證明

已知：ΔABC中，AD、BE是兩條高，AD、BE交于點O，連接CO并延長交AB于點F，求證：CF⊥AB

證明：

連接DE ∵∠ADB=∠AEB=90度 ∴A、B、D、E四點共圓 ∴∠ADE=∠ABE∵∠EAO=∠DAC ∠AEO=∠ADC ∴ΔAEO∽ΔADC

∴AE/AO=AD/AC ∴ΔEAD∽ΔOAC ∴∠ACF=∠ADE=∠ABE

又∵∠ABE+∠BAC=90度 ∴∠ACF+∠BAC=90度 ∴CF⊥AB

第五篇：數學分析公式定理2

第十二章

富里埃級數

§1

富里埃級數

一

富里埃（Fourier）級數的引進

定義：設是上以為周期的函數，且在上絕對可積，稱形如的函數項級數為的Fourier級數(的Fourier展開式)，其中，稱為的Fourier系數，記為

說明

1）在未討論收斂性，證明一致收斂到之前，不能將“~”改為“=”；此處“~”也不包含“等價”之意，而僅僅表示是的Fourier級數，或者說的Fourier級數是。

2)

要求上的Fourier級數，只須求出Fourier系數。

二

富里埃級數收斂性的判別

1.Riemann（黎曼）引理

設在（有界或無界）區(qū)間上絕對可積，則，.推論

在上絕對可積函數的Fourier系數；

2.Fourier級數收斂的充要條件

定理1

和,使得當時成立

其中.3.Fourier級數收斂的Dini判別法

推論:

設在上除去有限點外存在有界導數,則的Fourier級數點點收斂,且

特別地,是的連續(xù)點時，即

例:

設是以為周期的函數，其在上可表示為,判定的Fourier級數的收斂性.例：設是以為周期的函數,其在上等于,判定的Fourier級數的收斂性

例：

4.Jordan判別法

設在上單調(或有界變差)，則。

例：設是以為周期的函數，其在上可表示為,求的Fourier展開式。

計算的Fourier系數的積分也可以沿別的長度為的區(qū)間來積.如，例：

設是以為周期的函數,其在上等于,求的Fourier級數.如果僅定義在長為的區(qū)間上,例如定義在上,此時不是周期函數,從而不能按上述方法展開為Fourier級數.但可對在外補充定義,使其以為周期,如定義,它有下述性質:

a)

時,；

b)

以為周期.例

:

三

正弦級數和余弦級數

定義

形如的三角級數(函數項級數)稱為正弦級數;形如的三角級數（函數項級數）稱為余弦級數.2

如果是以為周期的函數,在上絕對可積,若是奇函數,則有；若是偶函數,則有.3設僅在上有定義,如果按奇函數的要求,補充定義,然后再作周期延拓,必得奇函數,所得Fourier級數必為正弦級數.對應地,補充定義后,再作周期延拓,必得偶函數,所得Fourier級數必為余弦級數。

例:),將展開成余弦函數。

例：將在上展開為余弦級數。

四

一般周期函數的Fourier級數

設是周期為的函數,且在上絕對可積,則有,其中，例:

求的Fourier展開式.五

Fourier級數的復數表示形式

設,則其復數表示形式為,其中,復的Fourier系數.§2

富里埃變換

一

富里埃變換的概念

設在內絕對可積。

定義1

稱是的富里埃變換，并把它記為或。即。

富里埃變換的性質

（i）是內的連續(xù)函數；

（ii）。

定義2

稱是的富里埃逆變換。又稱

是的富里埃變換積分公式。

例：

求衰減函數的富里埃變換。

例：

求函數的富里埃變換和富里埃變換積分公式。

二

富里埃變換的一些性質

富里埃變換有一些簡單的性質，這些性質在偏微分方程和概率論等課程中有著很重要的應用。

性質1（線性），其中是兩個任意給定的常數。

性質2（平移）對任何，設，那么。

性質3（導數）設，則。

性質4。

第十三章

多元函數的極限和連續(xù)性

§1、平面點集

一

鄰域、點列的極限

定義1

在平面上固定一點，凡是與的距離小于的那些點組成的平面點集，叫做的鄰域，記為。

定義2

設。如果對的任何一個鄰域，總存在正整數，當時，有。就稱點列收斂，并且收斂于，記為或。

性質：（1）。

（2）若收斂，則它只有一個極限，即極限是唯一的。

二

開集、閉集、區(qū)域

設是一個平面點集。

1．內點：設，如果存在的一個鄰域，使得，就稱是的內點。

2．外點：設，若存在的一個鄰域，使，就稱是的外點。

3．邊界點：設是平面上一點，它可以屬于，也可以不屬于，如果對的任何鄰域，其中既有的點，又有非中的點，就稱是的邊界點。的邊界點全體叫做的邊界。

4．開集：如果的點都是的內點，就稱是開集。

5．聚點：設是平面上的一點，它可以屬于，也可以不屬于，如果對的任何鄰域，至少含有中一個（不等于的）點，就稱是的聚點。

性質：設是的聚點，則在中存在一個點列以為極限。

6．閉集：設的所有聚點都在內，就稱是閉集。

7．區(qū)域：設是一個開集，并且中任何兩點和之間都可以用有限條直線段所組成的折線連接起

來，而這條折線全部含在中，就稱是區(qū)域。一個區(qū)域加上它的邊界就是一個閉區(qū)域。

三

平面點集的幾個基本定理

1．矩形套定理：設是矩形序列，其中每一個矩形都含在前一個矩形中，并且，那么存在唯一的點屬于所有的矩形。

2.致密性定理：如果序列有界，那么從其中必能選取收斂的子列。

3.有限覆蓋定理：若一開矩形集合覆蓋一有界閉區(qū)域。那么從

里，必可選出有限個開矩形，他們也能覆蓋這個區(qū)域。

4．收斂原理：平面點列有極限的充分必要條件是：對任何給定的，總存在正整數，當時，有。

§2

多元函數的極限和連續(xù)

一

多元函數的概念

不論在數學的理論問題中還是在實際問題中，許多量的變化，不只由一個因素決定，而是由多個因素決定。例如平行四邊行的面積由它的相鄰兩邊的長和寬以及夾角所確定,即;圓柱體體積由底半徑和高所決定,即。這些都是多元函數的例子。

一般地，有下面定義：

定義1

設是的一個子集，是實數集，是一個規(guī)律，如果對中的每一點，通過規(guī)律，在中有唯一的一個與此對應，則稱是定義在上的一個二元函數，它在點的函數值是，并記此值為，即。

有時，二元函數可以用空間的一塊曲面表示出來，這為研究問題提供了直觀想象。例如，二元函數就是一個上半球面，球心在原點，半徑為，此函數定義域為滿足關系式的，全體，即。又如，是馬鞍面。

二

多元函數的極限

定義2

設是的一個開集，是一個常數，二元函數在點附近有定義．如果，當時，有，就稱是二元函數在點的極限。記為或。

定義的等價敘述1

設是的一個開集，是一個常數，二元函數在點

附近有定義．如果，當時，有，就稱是二元函數在點的極限。記為或。

定義的等價敘述2

設是的一個開集，是一個常數，二元函數在點

附近有定義．如果，當且時，有，就稱是二元函數在點的極限。記為或。

注：（1）和一元函數的情形一樣，如果，則當以任何點列及任何方式趨于時，的極限是；反之，以任何方式及任何點列趨于時，的極限是。但若在某一點列或沿某一曲線時，的極限為，還不能肯定在的極限是。所以說，這里的“或”要比一元函數的情形復雜得多，下面舉例說明。

例：設二元函數，討論在點的的二重極限。

例：設二元函數，討論在點的二重極限是否存在。

例：，討論該函數的二重極限是否存在。

二元函數的極限較一元函數的極限而言，要復雜得多，特別是自變量的變化趨勢，較之一元函數要復雜。

例：。

例：①　②?、?/p>

例：求在（０，０）點的極限，若用極坐標替換則為

（注意：在時為０，此時無界）。

例：（極坐標法再舉例）：設二元函數，討論在點的二重極限．

證明二元極限不存在的方法．

基本思想：根據重極限定義，若重極限存在，則它沿任何路徑的極限都應存在且相等，故若１）某個特殊路徑的極限不存在；２）或某兩個特殊路徑的極限不等；３）或用極坐標法說明極限與輻角有關．

例：在的二重極限不存在．

三

二元函數的連續(xù)性

定義3

設在點有定義，如果，則稱在點連續(xù)．

“語言”描述：，有。

如果在開集內每一點連續(xù)，則稱在內連續(xù)，或稱是內的連續(xù)函數。

例：求函數的不連續(xù)點。

四

有界閉區(qū)域上連續(xù)函數的性質

有界性定理

若再有界閉區(qū)域上連續(xù)，則它在上有界。

一致連續(xù)性定理

若再有界閉區(qū)域上連續(xù)，則它在上一致連續(xù)。

最大值最小值定理

若再有界閉區(qū)域上連續(xù)，則它在上必有最大值和最小值。

零點存在定理

設是中的一個區(qū)域，和是內任意兩點，是內的連續(xù)函數，如果，則在內任何一條連結的折線上，至少存在一點，使。

五

二重極限和二次極限

在極限中，兩個自變量同時以任何方式趨于，這種極限也叫做重極限（二重極限）．此外，我們還要討論當先后相繼地趨于與時的極限．這種極限稱為累次極限（二次極限），其定義如下：

若對任一固定的，當時，的極限存在：,而在時的極限也存在并等于，亦即，那么稱為先對，再對的二次極限，記為

．

同樣可定義先后的二次極限：．

上述兩類極限統(tǒng)稱為累次極限。

注意：二次極限（累次極限）與二重極限（重極限）沒有什么必然的聯系。

例：（二重極限存在，但兩個二次極限不存在）．設

由　得（兩邊夾）;不存在知的累次極限不存在。

例：（兩個二次極限存在且相等，但二重極限不存在）。設，由知兩個二次極限存在且相等。但由前面知

不存在。

例：（兩個二次極限存在，但不相等）。設，則，;

（不可交換）

上面諸例說明：二次極限存在與否和二重極限存在與否，二者之間沒有一定的關系。但在某些條件下，它們之間會有一些聯系。

定理1　設（1）二重極限；（2）。則。

（定理1說明：在重極限與一個累次極限都存在時，它們必相等。但并不意味著另一累次極限存在）。

推論1

設（1）

；（2），存在；（3），存在；則，都存在，并且等于二重極限。

推論2

若累次極限與存在但不相等，則重極限必不存在（可用于否定重極限的存在性）。

例：求函數在的二次極限和二重極限。

第十四章

多元函數微分學

§1

偏導數和全微分的概念

一

偏導數的定義

1．偏導數定義

定義1

設是一個二元函數，定義在內某一個開集內，點（，）

D，在中固定,那么是一個變元的函數，如果在點可導，即如果

(1)

存在，則稱此極限值為二元函數在點（,）關于的偏導數。

記為。

類似地可定義。

2．偏導數的計算

例:

設，求偏導數。

例：，求和。

例：U=++yz

求。

3.偏導數和連續(xù)

若在點關于（或）可導，則在關于（或）連續(xù)。但不能推出關于兩個變量是連續(xù)的。見下面的例子。

例：

。

4.偏導數的幾何意義

就是曲線在的切向量。

就是曲線在的切向量。

二

全微分的定義

二元函數微分的定義

定義2

若函數的全改變量可表示為

=(+,+)=++()

且其中與，無關而僅與有關，則稱函數在點可微，并稱為在點的全微分，記為，即。

性質1

如果在點（,）可微，則。

注：若在點可微，則。

性質2

若在點（，）可微，則f在點（，）連續(xù)。

例：設

證明在點不可微。

定理1

設函數的兩個偏導數，在點（，）存在而且都連續(xù)，則在點（，）可微。

例：設，求。

三

高階偏導數與高階全微分

類似于一元函數的高階導數，可以定義高階偏導數。

例：設，求，；，。

注：一般情況下，未必有。

例：

設，可求得。

定理2

設二元函數的兩個混合偏導數，在(，)連續(xù)，則有(,)=(,)。

§2

求復合函數求導的鏈式法則

一

復合函數求導的鏈式法則

定理1（鏈式法則）設，此時在點可微，又和都在點

關于的偏導數存在，則

說明：(1)

幾種特殊情形：定理1顯然講的是2個中間變量，2個自變量的情形，但其思想方法完全適用與其它情形：

1）

則。

2）設則

例：又設。求

（2）

計算復合函數的兩階及兩階以上偏導數，只要重復運用鏈式法則即可。

(3)有時記。

例：。

例：

（4）鏈式法則鏈式法則中的條件是充分的，并非必要的。在使用鏈式法則時，要注意的可微性條件，如果不滿足這一條件，鏈式法則不一定成立。

二

一階微分形式不變性

一階微分有個很重要性質——形式不變性。在二元函數中也有類似的性質。

設是二元可微函數，如果是自變量，則：

（各自獨立變量）（1）

如果不是自變量而是中間變量，又設都可微，并且可以構成復合函數，那么：

（2）

由（1），（2）的可知一階微分形式的不變性。

注意（1）兩階微分沒有這一性質，如下例。

例：設

則

如果二階微分只有形式不變性，則有：

但

（2）利用一階微分形式不變性求偏導數

例：設利用微分形式不變性求

并求出

（3）高階微分不具有形式不變性。

§3

由方程（組）所確定的函數的求導法

在此之前，我們所接觸的函數，其表達式大多是自變量的某個算式，如

這種形式的函數稱為顯函數。但在不少場合常會遇到另一種形式的函數，其自變量與因變量之間的對應法則是由一個方程式所決定的。這種形式的函數稱為隱函數。

本節(jié)將介紹由一個方程所確定的隱函數求導法以及由方程組所確定的隱函數求導法。

一．

一個方程的情形

對

說明：（1）

求需要假定，這一假設是很重要的；（2）

這里只用到了“鏈式法則”；（3）

對求導，只在假定的函數的情況下，求導數，如何確定。

例：

設。

例：

設二階可微，求。

二

方程組的情形

設由方程組

確定了：并且它們具有對各個變元的連續(xù)偏導數，如何求偏導數？

解決方案：

求完全相同。

例：設。

例：設。

例：設，，變換方程。

§4

空間曲線的切線與法平面

本節(jié)主要討論由參數方程表示的空間曲線和由方程組表示的空間曲線的切線和法平面的計算問題。

參數方程的情形

設空間曲線的參數方程為

其中的參數。又設都在連續(xù)，并且對每一不全為0，這樣的曲線稱為光滑曲線。通過曲線上任一點的切線定義為割線的極限位置，由此就可寫出曲線在任一點的切線方程為：。

法平面：過點可以作無窮多條切線與切線垂直，所有這些直線都在同一平面上，稱這個平面為曲線在點處的法平面，其方程為：。

例：求螺旋線：，（其中為常數）在點（，0，0）的切線方程和法平面方程。

如果曲線方程由下式表示：。則過點的切線方程為，過點的法平面方程為。

空間曲線是用兩個曲面的交線表示：。

又設，關于有連續(xù)的偏導數，；

例：求兩柱面的交線在點的切線方程和法平面方程。

§5

曲面的切平面與法線

1、設光滑曲面的方程，為曲面上一點，過點的切平面方程為：。

過點并與切線平面垂直的直線，稱為曲線在點的法線，方程為：。

2、若曲面方程為，則曲面過的切平面方稱為

法線方程：。

3、曲面方程由方程組給出：，給出，其中是參數。則曲面過的切平面方稱為。

法線方程為：

例：求曲面在點（2，1，4）的法向量的方向余弦，并求其法線方程和切平面方程。

例：證明對任何常數，球面和錐面正交。

§6

方向導數和梯度

一

方向導數

在許多實際問題中，常常需要知道函數在一點沿任何方向或某個方向的變化率。

定義1

設是中的一個區(qū)域，是D內一個函數，是一個方向向量，令，如果

存在，則稱此極限是在點沿方向的方向導數，記為。它表示在點沿方向的變化率。

定理1

設函數在點可微，則在點沿任何方向的方向導數存在，并且有

其中是方向的方向余弦。

例：設，求在點（1，0，2）沿方向（2，1，-1）的方向導數。

設是中的一個區(qū)域，是內的一個二元可微函數，那么在內每一點，沿單位向量的方向導數是，其中是軸正向（即軸上單位向量）和向量之間的夾角。

二

梯度

1、引言

在一個數量場中，在給定點沿不同的方向，其方向導數一般是不相同的，現在我們所關心的是：沿哪一個方向其方向導數最大？其最大值是多少？為此引進一個很重要的概念——梯度。

2、梯度的定義

定義2

設定義于某個三維區(qū)域內，又設函數具有關于各個多元的連續(xù)偏導數，稱向量

是在點的梯度，記為，即

。它的長度為。

注：它是一個向量，是由數量場產生的向量。

3、的性質：

設可微，則

（1）；（是常數）。

（2）；

（3）

（）

（4）

（在可微）

例：設在空間原點處有一個點電荷，在真空中產生一個靜電場，在空間任一點處的電位是：，則。

4、的意義：的方向表示數量場沿此方向的方向導數達到最大；的根長就是這個最大的方向導數。

例：求數量函數在的梯度及其大小。

§7

泰勒公式

定理1

設函數在點內對及具有直到階連續(xù)偏導數。對D內任意一點，設，則，這里。

二元函數的中值公式，其中。

例：寫出在點附近函數的泰勒公式。

例：按及的乘冪展開函數到三項為止。

第十五章

極值和條件極值

§1.極值和最小二乘法

一

極值

定義1　設在的鄰域內成立不等式，則稱函數在點取到極大值，點稱為函數的極大點，若在的鄰域內成立不等式，則稱函數在點取到極小值，點稱為函數的極小點。極大值和極小值統(tǒng)稱為極值，極大點和極小點統(tǒng)稱為極值點。

定義2

設是內的一個區(qū)域，是的一個內點，如果，則稱是的一個駐點。

根據費瑪定理，可知

定理1

二元函數的極值點必為的點或至少有一個偏導數不存在的點。

注：定理1的條件是必要條件，而不是充分條件。

例：在點。

例：在點。

怎樣進一步判斷是否有極值？

定理2

設在點的某個鄰域內有各個二階連續(xù)偏導數，并且點是的一個駐點，，，則：（1）若，則在點有極小值；（2）若，則在點有極大值；（3）若，則在點沒有極值；（4）若，則須進一步判斷。

例：求的極值。

例：求的極值。

多元函數的最大（?。┲祮栴}

設函數在某一有界閉區(qū)域中連續(xù)且可導，必在上達到最大（?。┲?。若這樣的點位于區(qū)域內部，則在這點顯然函數有極大（?。┲?。因此，在這種情形函數取到最大（?。┲档狞c必是極值點之一。然而函數的最大（?。┲底羁赡茉趨^(qū)域的邊界上達到。因此，為找出函數在區(qū)域上的最大（?。┲?，必須找出一切有極值的內點，算出這些點的函數值，再與區(qū)域邊界上的函數值相比較，這些數值中最大數（或最小數）就是函數在閉區(qū)域上的最大（小）值。通常可根據問題的實際意義來判斷。

例：有一塊寬24cm的矩形薄鐵皮，把兩邊折起來，做成一個梯形水槽，問和各自為何值時，水槽的流量是最大？

例：試在軸，軸與直線圍成的三角形區(qū)域上求函數的最大值。

二

.最小二乘法

例：已知，…服從線性關系：

問：如何根據這組數據來合理地確定系數和？

解：總偏差為，確定系數，使總偏差最小。這種確定系數的方法叫做最小二乘法。令，即可解得。

幾個疑問：1）如果怎么辦？2）這樣求出的就是達到極小值的點？

3）在選取

時，為什么不取各個偏差的代數和作為總偏差？

例：已知，現測得一組數據，利用最小二乘法，求系數所滿足的三元一次方程組。

§2

條件極值

一

何謂條件極值

在討論極值問題時，往往會遇到這樣一種情形，就是函數的自變量要受到某些條件的限制。決定一給定點到一曲面的最短距離問題，就是這種情形。我們知道點到點的距離為?，F在的問題是要求出曲面上的點使F為最小。即，問題歸化為求函數在條件下的最小值問題。

又如在總和為C的幾個正數的數組中，求一數組，使函數值為最小，這是在條件的限制下，求函數的極小值問題。這類問題叫做條件極值問題。

二

條件極值的必要條件

為了方便起見，同時又不不失一般性，我們僅討論以下情形。

前提：設函數具有對各個變元的連續(xù)偏導數，而這些變元之間又受到以下條件的限制：

其中和都具有對各個變元的連續(xù)偏導數，并且它們的行列式。

目標：我們要求函數在限制條件下的極值的必要條件。

定理1（限制極值的必要條件）在限制條件下于點取得極值，那么必存在常數，使得在該點有：

稱，是乘數（待定乘數）。

這一結果可推廣到元函數。

三

條件極值的求法

在具體解題時，例如在限制條件下求的極值，可如下進行：

1．引入函數（函數）：。

2．求的極值（視為獨立變量）：由，，。

解得可能的極值點。

3.求的二階全微分。若，則取得極小值；若，則取得極大值。

例：求空間內一點到平面的距離。

例：要制造一容積為16的無蓋長方形水箱，問水箱長、寬、高為多少時，所用材料最省？

第十六章

隱函數存在定理、函數相關

§1

隱函數存在定理

一

一個方程的情形

在前面，我們是在假定從方程中可以確定的前提下，給出求導數的方法。然而需要指出的是：并不是任一方程都能確定出隱函數。因此，我們必須知道方程在什么情況下才能確定隱函數？

例：設有方程，問在點，，的附近是否確定為的函數？

定理1

（隱函數存在定理）

設二元函數滿足下列條件：

注：

(1)定理的幾何意義：條件(1)表明曲面是光滑的；條件（2）表明曲面和坐標平面有一個交點，條件（3）（不妨設）表明在的附近，對固定的，設為正向，曲面是單調增加的。定理的結論是：在點的附近曲面和有一條唯一的光滑交線.（2）定理的結論是局部性的，即在點的某個鄰域內由方程可以唯一確定一個可微的隱函數。例如：

在點(0,1)的某個鄰域內由方程可以確定唯一的。在點(0,-1)的某個鄰域內由方程可確定唯一的（3）

定理的條件是充分的，非必要的。如上例中的函數：在（-1，0）和（1，0）兩點，破壞了定理中的條件（3），從而定理失效。從圖中可以看出，對于一在右鄰域或左鄰域內的任何一個值，將獲得兩個值：，唯一性條件破壞。

定理1中的方程是含有兩個變量和的，對于3個變量，甚至于多個變量，也有類似的結果。

二

多變量及方程組的情形

定理2

滿足：的一個鄰域內對各個變元有連續(xù)的偏導數；

（2）

（3）

F，G關于的Jacobi矩陣

則：（1）存在點的一個鄰域，在此鄰域內由方程組

可以確定唯一的函數：滿足：

（2）在內連續(xù)；

（3）在內有關于和的連續(xù)偏導數。

例：。問：（1）由方程確定的是關于和的可微函數？

（2）由方程確定的都是關于和的可微函數？

例：函數在那些點近旁可唯一地確定膽汁連續(xù)，且又連續(xù)導數的函數？

§2

函數行列式的性質、函數相關

一

函數行列式的性質

函數行列式不僅在隱含數存在定理中起著重要作用，而且在其它分析問題和應用中，也是經常出現的，它有以下主要性質：

性質1

設函數

定義于某一維區(qū)域中，且有關于一切變元的連續(xù)偏導數。又設

定義于某一維區(qū)域中，且有關于一切變元的連續(xù)偏導數。設的值域包含在中。則有。

注：這個性質可看成復合函數求導公式的拓廣。

性質2

設函數

定義于某一維區(qū)域中，且有關于一切變元的連續(xù)偏導數，并且它們的反函數

存在，且有關于一切變元的連續(xù)偏導數。則有。

第十七章

含參變量的積分

設函數在矩形上連續(xù)。定義含參積分

和.含參積分提供了表達函數的又一手段。我們稱由含參積分表達的函數為含參積分。這種形式的函數在理論上和應用上都有重要作用，有很多很有用的特殊函數就是這種形式的函數。

下面討論這種由積分所確定的函數的連續(xù)性，可微性與可積性。

定理1

若函數在矩形上連續(xù),則函數在上連續(xù).注：在定理的條件下，有，即極限運算可以通過積分號。

例：求。

定理2

若函數及其偏導數都在矩形上連續(xù),則，也就是微分運算可以通過積分號。

例：當時，能否利用定理2計算的導數？

定理3

若函數及其偏導數在矩形域上連續(xù),函數和在上連續(xù)，并且，則函數在上連續(xù)。

例：求。

定理4

設函數函數及其偏導數在矩形域上連續(xù)，函數和在上存在，并且，則。

例：設，求。

定理5若函數在矩形上連續(xù)，則

.注：在定理的條件下，累次積分可交換求積分的次序。

例：求。

例：

研究函數的連續(xù)性，其中是上連續(xù)且為正的函數。

解：

令，則在連續(xù)，其中。從而在連續(xù)。

當時，當時，記，則

若存在，則

故在不連續(xù)。

或用定積分中值定理，當時，使

若存在，則,故在不連續(xù)。

問題1

上面最后一個式子能否寫為。

事實上，是依賴于的，極限的存在性還難以確定。

例：設在連續(xù)，求證

:

（其中）

滿足微分方程。

證：令，則，它們都在上連續(xù)，則

例：設為連續(xù)函數，,求。

解：令，則

第一項中令，第二項中令，則。

第十八章

含參變量的廣義積分一、一致收斂的定義

定義1

設函數定義在上，稱含參變量的無窮積分。

定義2設函數定義在上，若,當時,對一切，成立

或。

就稱含參無窮積分關于一致收斂。

定義3設對于上的每一值，以為奇點的積分存在。若,當時，對一切，成立

或，就稱含參無窮積分關于一致收斂。

二、一致收斂積分的判別法

以下假定積分收斂。

定理1（魏爾斯特拉斯判別法）設有函數，使得

如果積分收斂，那么關于一致收斂。

例：證明含參無窮積分在內一致收斂。

三、一致收斂積分的性質

1.連續(xù)性定理

定理2

設函數在上連續(xù)，關于一致收斂，那么是上的連續(xù)函數。

注：在定理的條件下，有，即極限運算可以通過積分號。

2.積分順序交換定理.定理3設函數在上連續(xù)，關于一致收斂，那么。

注：在定理的條件下，累次積分可交換求積分的次序。

例：計算積分。

3.積分號下求導定理.定理4

設函數，在上連續(xù)，存在，關于一致收斂。那么，也就是微分運算可以通過積分號。

例：計算積分。

例：證明含參量非正常積分在上一致收斂，其中。但在區(qū)間內非一致收斂。

4.含參無窮積分與函數項級數的關系

定理5

積分在上一致收斂對任一數列,↗,函數項級數在上一致收斂。

四、歐拉（Euler）積分

介紹用含參廣義積分表達的兩個特殊函數,即和.它們統(tǒng)稱為Euler積分.在積分計算等方面,它們是很有用的兩個特殊函數

1.Beta函數

（1）

Beta函數及其連續(xù)性：

稱(含有兩個參數的)含參積分為Beta函數。當和中至少有一個小于1

時,該積分為瑕積分。下證對,該積分收斂。由于時點和均為瑕點，故把積分分成和考慮。

:

時為正常積分;

當時,點為瑕點。由被積函數非負,和,（由Cauchy判法)

積分收斂.（易見時積分發(fā)散).:

時為正常積分;

當時,點為瑕點.由被積函數非負,和,（由Cauchy判法)

積分收斂.（易見時積分發(fā)散).綜上,當時積分收斂.設D,于是,積分定義了D內的一個二元函數.稱該函數為Beta函數,記為,即

=

不難驗證,函數在D內閉一致收斂.又被積函數在D內連續(xù),因此,函數是D內的二元連續(xù)函數.（2）函數的對稱性:

.由于函數的兩個變元是對稱的,因此,其中一個變元具有的性質另一個變元自然也具有.2．Gamma函數

（1）Gamma函數

考慮無窮限含參積分,當時,點還是該積分的瑕點.因此我們把該積分分為

來討論其斂散性

.:

時為正常積分.時,.利用非負函數積的Cauchy判別法,注意到當時積分收斂.(易見當時,仍用Cauchy判別法判得積分發(fā)散).因此,時積分收斂.:

對R成立,.因此積分對R收斂.綜上,時積分收斂.稱該積分為Euler第二型積分.Euler第二型積分定義了內的一個函數,稱該函數為Gamma函數,記為,即

=,.函數是一個很有用的特殊函數.（2）函數的連續(xù)性和可導性:

在區(qū)間內非一致收斂.這是因為時積分發(fā)散.這里利用了下面的結果:

若含參廣義積分在內收斂,但在點發(fā)散,則積分在內非一致收斂.但在區(qū)間內閉一致收斂.即在任何上,一致收斂.因為時,對積分,有,而積分收斂.對積分，而積分收斂.由M—判法,它們都一致收斂,積分在區(qū)間上一致收斂.作類似地討論,可得積分也在區(qū)間內閉一致收斂.于是可得如下結論:的連續(xù)性:

在區(qū)間內連續(xù).的可導性:

在區(qū)間內可導,且

.同理可得:

在區(qū)間內任意階可導,且

.（3）的遞推公式，函數表的遞推公式

:

.證

..于是,利用遞推公式得:，,…………，一般地有

.可見,在上,正是正整數階乘的表達式.倘定義,易見對,該定義是有意義的.因此,可視為內實數的階乘.這樣一來,我們很自然地把正整數的階乘延拓到了內的所有實數上,于是,自然就有,可見在初等數學中規(guī)定

是很合理的.例：計算積分。

第十九章

積分（二重、三重積分，第一類曲線、曲面積分）的定義和性質

§1

二重積分、三重積分、第一類曲線積分、第一類曲面積分的概念

1.二重積分、三重積分，第一類曲線積分、第一類曲面積分都可看成已知物體的密度，求物體的質量。

但要看物體的幾何形狀。

2.幾何體上的黎曼積分的定義。

定義1

設為一塊幾何形體，這個幾何形體是可以度量的，在這個幾何形體上定義了一個函數。將這幾何形體分為若干可以度量的小塊，…。既然每一小塊都可度量，故它們皆有度量大小可言，把他們的度量大小仍記為。并令，在每一塊中任取一點，做下列和式：

如果這個和式不論對于的怎樣分劃以及在上如何取法，只要當時恒有同一極限，則稱此極限為在幾何形體上的黎曼積分，記為：

.也就是，這個極限是與分法和取法無關的。

敘述：如果對任意及一定數，總存在一個數，對于任意的分法，只要時，不管點在上如何選取，恒有，則稱為在上的黎曼積分，記為：，這時，也稱在上可積。

根據幾何形體的不同形態(tài)，進一步給出上積分的具體表示式及名稱。

（1）如果幾何體是一塊可求面積的平面圖形，那么上的積分就稱為二重積分，在直角坐標下記為。

（2）如果幾何體是一塊可求體積的空間幾何體，那么上的積分就稱為三重積分，在直角坐標下記為。

（3）如果幾何體是一塊可求長的空間曲線段，那么上的積分稱為第一類曲線積分，在直角坐標下記為。

（4）如果幾何體是一塊可求面積的曲面片，那么上的積分稱為第一類曲面積分，在直角坐標下記為。

3．性質

（1）。

（2）若在上可積，則在上有界。

§2

積分的性質

性質1

若函數在上可積，為常數，則在上也可積，且。

即常數因子可從積分號里提出（注意與不定積分的不同）。

性質2

若函數、都在上可積，則在上也可積，且有。

性質3

若函數在上可積，且，則在和上都可積，且。

反之，若在和上都可積，則在上可積，且上述等式成立。

性質4

若函數和都在上可積，且在上成立，則。

性質5

若函數在上可積，則在上可積，且。

注：若在上可積，不能推出在上可積。

例：

在上不可積，但可積。

性質6（積分第一中值定理）若函數在上可積，則存在常數，使得。

推論

若函數在上連續(xù)，則在上至少存在一點，使。

例：若函數在上連續(xù)，但不恒等于0，則。

第二十章

重積分

§1二重積分的計算

一

化二重積分為二次計分

1.關于體積的計算

2.矩形上的二重積分可以化為二次積分進行計算

簡單地說，形如的積分稱為一個先后的二次積分。確切地說，設函數在上有定義，如果任意確定，則是自變量為的一元函數，設，有意義，其值是的函數，記為，又得體積為

同樣，可以先后的二次積分：=

在此例中，先后的二次積分等于先后的二次積分，即兩個二次積分相等，這個現象包含在下面的定理中。

3．一般性化二重積分為二次積分

在平面區(qū)域中，有兩類特殊的區(qū)域是最具代表性的。所示區(qū)域用集合可表示為：

型區(qū)域

其特點是，則直線至多與區(qū)域的邊界交于兩點；所示區(qū)域用集合可表示為：

型區(qū)域

其特點是，則直線至多與區(qū)域的邊界交于兩點。

為什么說這兩類區(qū)域常用到（最具代表性），因為許多常見的區(qū)域都可分割為有限個無分類點的型區(qū)域和型區(qū)域。因而，解決了型區(qū)域和型區(qū)域上二重積分的計算方法后，一般區(qū)域上的二重積分的計算問題也就得到解決。

如何計算型區(qū)域和型區(qū)域上的二重積分呢？

最基本的想法還是化二重積分為二次積分（累次積分）。問題是化為什么樣的二次積分呢？有下面的結果：

定理1

設，則

=。

例：化二重積分為二次積分，其中是由直線，拋物線所圍的平面區(qū)域。

例：求由和，，所圍空間區(qū)域的體積V。

例：求二次積分

注意：最外層積分的積分限一定是常數。

二

用極坐標計算二重積分

也有一種情形，函數f在上可積，但無論采用哪種積分次序都“算不出來”。

例：，=

在定積分中，換元積分法對簡化定積分計算起著重要的作用。對于二重積分也有相應的換元公式，用于簡化積分區(qū)域或被積函數。

作極坐標變換：。

在變換下，函數，區(qū)域。二重積分化為。

說明：①注意，雖經極坐標交換，但又變成極坐標系下二重積分，這是如何計算極坐標系下二重積分，在極坐標下，二重積分一樣可以化為二次積分來計算，下面分情況討論之：

情形1

若=，為[，]上的連續(xù)函數，則稱之為型區(qū)域。這時，可將之化為下面形式：

=

情形2

若=，其中，C[，]（型區(qū)域），此時有

=

情形3

若極點O是積分區(qū)域的內點，則交換后的區(qū)域為：=

此處=是的邊界曲線，=

情形4

若積分區(qū)域的邊界曲線=通過極點O時，應先求出極徑，繼使=0的兩個角度，此時有：=。

②何時使用極坐標變換？當積分區(qū)域是圓域或是圓域的部分或被積函數的形式為時，采用極坐標交換來計算往往簡便得多。

例：，=。

例：求。

三

二重積分的一般變量替換

計算二重積分，除了引用上面講的極坐標這一特殊交換外,有時還要取一般的變量替換。

定理2

設是平面的閉區(qū)域上的連續(xù)函數，又設，（*）。

在上有關于和的連續(xù)偏導數，通過（*）把變?yōu)椋⑶易儞Q（*）是一對一的，又設，則

=。

注：（1）在定理中，假設，但有時會遇到這種情形。變換行列式在區(qū)域內個別點上等于0。

或只在一小區(qū)域上等于0而在其他點上非0，此時上述結論能成立。

（2）特例：，此時=，根據①，有

=。

（3）在具體問題中，選擇變換公式的依據有兩條：（i）使交換的函數容易積分；（ii）使得積分限容易安排。

例：求橢球體的體積。

例:

求出由拋物線，以及雙曲線，所圍區(qū)域的面積。

§2

三重積分的計算

一

化三重積分為三次積分

設是中的（閉）長方體，是定義在上的有界函數。那么在上的三重積分可以化為先對，后對的積分：

=，或的積分

=

。等等（共6種），并且此時（連續(xù)時），各個三次積分的值與積分次序無關，他們都相等。

1.計算（化為逐次積分）

●設，則有=，如果，則=。

●設，==。

2.三重積分的直接計算方法（舉例）

例：，：有平面所圍成區(qū)域。

例：，：錐面，平面所圍（）成區(qū)域。

例：，：的內部區(qū)域。

二

三重積分的變量替換

設作變量替換：,且滿足下列條件：

（1）

建立了之間的一一對應；

（2）在內有關于的連續(xù)偏導數，并且其變換：在內有關于的連續(xù)偏導數；

（3）

Jacohi行列式

在內無零點，則

=

注：和二重積分類似，當J點在內個別點上為零時，上述公式仍成立。

最常用的坐標變換

1.柱坐標代換

令，則三重積分的柱坐標換元公式為

=。

注：柱坐標變換適用于型被積函數或積分區(qū)域。

注：用柱坐標計算三重積分，通常是找出在平面上的投影區(qū)域，那當時，=

先對積分，再計算上的三重積分，其中二重積分能用極坐標來計算（極坐標系下的二重積分）。

例：，D由上半球面和拋物面所圍的區(qū)域。

2．球面坐標變換

球面坐標：設空間一點在平面上的投影為，是有向線段與軸的正向之間的交角（），是兩平面與的交角（），則叫做點M的球面坐標。

在球面坐標中，有三族坐標平面：=常數，以原點為中心的球面；=常數，以原點為頂點，軸為軸的圓錐面；=常數，過軸的柱面（兩兩正交是正交坐標系）。有時，取作為，這時點的直角坐標與它的球面坐標的點系為：，而。

令，則

=。

例：求球面和錐面所圍區(qū)域的體積，其中錐面是以軸為軸，頂角為的錐面。

§3

積分在物理上的應用

一

質心

設為一塊可以度量的幾何體，它的密度函數是。又假設為上的連續(xù)函數。則幾何體的質心的坐標為：。

具體地說，如果幾何體是一塊空間體積，那么這塊體積的質心坐標應為：。

例：求密度均勻的上半橢球體的質心.二

矩

設為一塊可度量的幾何形體，它的密度函數為，并設在上連續(xù)。分別稱，為物體關于坐標平面，坐標平面，坐標平面的階矩。當時稱為零階矩，表示物體的質量。當時稱為靜矩。當時稱為轉動慣量。

例：計算由平面，，所圍成的均勻物體（設）對于坐標平面的轉動慣量。

例：求密度均勻的圓環(huán)對于圓環(huán)面中心軸的轉動慣量.例：求密度均勻的圓盤對于其直徑的轉動慣量.例：設某球體的密度與球心的距離成正比,求它對于切平面的轉動慣量.三

引力

設為一塊可以度量的幾何體，它的密度函數是，為上的連續(xù)函數。為外一點，質點具有單位質量。則幾何體對質點的引力在三個坐標軸上的分量，分別為:，其中為引力常數。

例：設球體具有均勻的密度,求對球外一點(質量為1)的引力。

§4

廣義重積分

對于重積分，也可以作兩方面的拓廣：無界區(qū)域上的積分和無界函數的積分。

定義1

設是平面上一無界區(qū)域，函數在上各點有定義，用任意光滑曲線在中劃出有限區(qū)域.設二重積分存在，當曲線連續(xù)變動時，使所劃出的區(qū)域無限擴展而趨于區(qū)域時，如果不論的形狀如何，也不論擴展的過程怎樣，而

常有同一極限值，就稱是函數在無界區(qū)域上的二重積分，記為,這時也稱函數在上的積分收斂。否則，稱積分是發(fā)散的。

柯西判別法

設在無界區(qū)域上的任意有界區(qū)域上二重積分存在，如果在內相當遠處滿足

。其中為正的常數，是到原點的距離，且，那么積分收斂。

例：計算廣義重積分。

例：討論廣義重積分的收斂性。

定義2

設在有界區(qū)域上有奇點或奇線（函數在這些點或線的附近無界）。以中的光滑曲線來隔開奇點或奇線，所圍成的區(qū)域記為.如果在區(qū)域收縮到奇點或奇線時，這些積分的極限值存在且與的取法和收縮的方式無關，則稱這極限值是上的無界函數的廣義二重積分，記為。并稱函數在上的積分收斂。否則，稱積分是發(fā)散的。

柯西判別法

設在內有奇點，如果對于和充分鄰近的點，有。

其中為正的常數，是與點的距離，且，那么積分收斂。

例：計算廣義重積分。

例：討論廣義重積分的收斂性。

第21章

曲線積分和曲面積分的計算

§1

第一類曲線積分的計算

設函數在光滑曲線上有定義且連續(xù)，的方程為

則。

特別地，如果曲線為一條光滑的平面曲線，它的方程為，那么有。

例：設是半圓周,。求。

例：設是曲線上從點到點的一段，計算第一類曲線積分。

例：計算積分，其中是球面被平面截得的圓周。

例：求，此處為連接三點，的直線段。

§2

第一類曲面積分的計算

一

曲面的面積

（1）設有一曲面塊，它的方程為

。具有對和的連續(xù)偏導數，即此曲面是光滑的，且其在平面上的投影為可求面積的。則該曲面塊的面積為。

（2）若曲面的方程為,令，，則該曲面塊的面積為。

例：求球面含在柱面內部的面積。

例：求球面含在柱面內部的面積。

二

化第一類曲面積分為二重積分

（1）設函數為定義在曲面上的連續(xù)函數。曲面的方程為。具有對和的連續(xù)偏導數，即此曲面是光滑的，且其在平面上的投影為可求面積的。則。

（2）設函數為定義在曲面上的連續(xù)函數。若曲面的方程為

令，，則。

例：計算，是球面。

例：計算，其中為螺旋面的一部分：。

注：第一類曲面積分通過一個二重積分來定義，這就是為什么在第一類曲面積分中用“二重積分符“的原因。

例：I=，是球面，球心在原點，半徑為。

§3

第二類曲線積分

一

變力做功和第二類曲線積分的定義

1.力場沿平面曲線從點A到點B所作的功。先用微元法，再用定義積分的方法討論這一問題，得。

2.第二型曲線積分的定義

定義1

設是一條光滑或逐段光滑曲線，且設是定義在上的有界函數，將沿確定方向從起點開始用分點分成個有向弧段，直至終點。且設。在每一弧段

上任取一點，作和式：。

其中為起點，為終點。設，這里表示有向線段的長度。若當時，和有極限，且它與的分法無關，也與點的選擇無關，則稱為沿曲線按所述方向的第二類曲線積分，記作

或。

注：如果向量，則向量沿曲線按一定方向的第二類曲線積分為。

注：第二類曲線積分是與沿曲線的方向有關的。這是第二類曲線積分的一個很重要性質，也是它區(qū)別于第一類曲線積分的一個特征。

注：在平面情況下，若一人立在平面上沿閉路循一方向作環(huán)行時，如閉路所圍成的區(qū)域靠近這人的部分總在他的左方，則這個方向就算作正向，否則就算作負向。這時只要方向不變，曲線積分的值是與起點的位置無關的。

二

第二類曲線積分的計算

設曲線自身不相交，其參數方程為：

。且設是光滑的。設當參數從調地增加到時，曲線從點按一定方向連續(xù)地變到點。設函數定義在曲線上，且設它在上連續(xù)。則。

（*）

注：（*）積分下限必須對應積分所沿曲線的起點，上限必須對應終點。

注：如果向量，則向量沿曲線按一定方向的第二類曲線積分為

例：計算積分,L的兩個端點為A（1,1),B（2,3).積分從點A到點B或閉合,路徑為

（1）直線段AB；

（2）拋物線；

（3）折線閉合路徑A（1,1)D（2,1)

B（2,3)

A（1,1)。.例：計算積分,這里L

:

（1）沿拋物線從點O（0,0)到點B（1,2)；

（2）沿直線從點O（0,0)到點B（1,2)；

（3）沿折線封閉路徑O(0,0)

A(1,0)

B(1,2)

O(0,0).例：計算第二型曲線積分I

=,其中L是螺旋線，從到的一段。

三

兩類曲線積分的聯系

第一類曲線積分與第二類曲線積分的定義是不同的，由于都是沿曲線的積分，兩者之間又有密切聯系。兩者之間的聯系式為

例：證明：對于曲線積分的估計式為

。利用這個不等式估計：,并證明。

例：設平面區(qū)域由一連續(xù)閉曲線所圍成，區(qū)域面積設為，推導用曲線積分計算面積的公式為：。

§4

第二類曲面積分

一

曲面的側的概念

1．單側曲面與雙側曲面

在實際生活中碰到的都是雙側曲面，至于單側曲面也是存在的，牟彼烏斯帶就是這類曲面的一個典型例子。

2．曲面的上側和下側，外側和內側

雙側曲面的定向:

曲面的上、下側，左、右側，前、后側.設法向量為,則上側法線方向對應第三個分量,即選“+”號時，應有，亦即法線方向與軸正向成銳角.類似確定其余各側的法線方向.封閉曲面分內側和外側.二

第二類曲面積分的定義

先討論由顯式方程

表示的無重點的光滑曲面,并設在平面上的投影為邊界由逐段光滑曲線所圍成的區(qū)域。設選定了曲面的一側，從而也確定了它的定向。

現在將有向曲面以任何方法分割為小塊。設為在平面上的投影，從而也得到區(qū)域的一個相應分割。如果取的是上側，這時所有算作正的。如取下側，這時所有算作負的。設有界函數定義在上，在每一小塊任取一點，作和式

其中表示的面積。由上述所見，是帶有符號的，它們的符號是由所選的側來決定的。設為的致敬，記。若當時，有確定的極限，且與曲面分割的方法無關，也點的選擇無關，則稱為沿曲面的所選定的一側上的第二類曲面積分，記為。

注：有時也會碰到幾個積分連在一起的情形，例如：。

注：如果沿曲面的另一側積分，則所得的值應當變號。

三

兩類曲面積分的聯系及第二類曲面積分的計算

第二型曲面積分與第一型曲面積分的關系

設為曲面的指定法向,則

.定理1

設是定義在光滑曲面D上的連續(xù)函數,以的上側為正側(即),則有

.類似地,對光滑曲面D,在其前側上的積分

.對光滑曲面

D,在其右側上的積分

.計算積分時,通常分開來計算三個積分，.為此,分別把曲面投影到YZ平面,ZX平面和XY平面上化為二重積分進行計算.投影域的側由曲面的定向決定.推論

設，是定義在光滑曲面D上的連續(xù)函數,則

=

曲面的方向為上側,則等式前取“＋”號;

曲面的方向為下側,則等式前取“－”號.例：計算積分,其中是球面

在部分取外側。

例：計算積分，為球面取外側.解：

對積分,分別用和記前半球面和后半球面的外側,則有

:

;

:

.因此,=+

.對積分,分別用和記右半球面和左半球面的外側,則有

:

;

:

.因此,+

.對積分,分別用和記上半球面和下半球面的外側,則有

:

;

:

.因此,=+

.綜上,=.第二十二章

各種積分間的聯系和場論初步

§1

各種積分間的聯系

一

Green公式

定義1

一個平面區(qū)域，如果全落在此區(qū)域內的任一條封閉曲線都可以不經過以外的點而連續(xù)地收縮為一點，則稱此區(qū)域為單連通的，否則稱為復連通的。

定理1

設是以光滑曲線為邊界的平面單連通區(qū)域，設函數，在及上連續(xù)并具有關于自變量和的連續(xù)偏導數，則有：

這里右端積分路徑的方向是和區(qū)域正相聯系的，既當一人沿著曲線行走時區(qū)域恒在他的左邊。

注：Green公式同時揭示了平面上某區(qū)域內的二維積分與該邊界上的一個特定的第二類曲線積分之間的關系；

注：常用于第二類曲線積分，有時用來計算二重積分在Green公式中。

例：求第二類曲線積分I=,是上半圓周：

方向從。

例：設函數，有其二階連續(xù)偏導數，記，證明

(i)；

(ii)

；(3)。

例：（用Green公式求曲面的面積）求曲線所圍圖形的面積。

注：在使用Green公式時，應注意“助線法”的使用。

二

Gauss公式

定理2

設空間二維單連通有界閉區(qū)域的邊界曲面是光滑的，又設函數，在及上具有關于的連續(xù)偏導數，則有：,為曲面的外法線方向，第二個積分沿曲面的外側。

注：①Gauss公式揭示了中的某區(qū)域內的三重積分和這一區(qū)域的邊界上的特定曲面積分之間的關系；

②與

Green公式一樣，由Gauss公式可計算某些空間立體積分：。

例：求積分

I=，:

沿外側。

例：求積分

其中是錐面。

注：在使用Gauss公式時，應注意“助面法”的使用。

三

Stokes公式

定理3（Stokes）設光滑曲面的邊界為光滑曲線，設函數，在曲面

及曲線上具有關于的連續(xù)偏導數，則有：,曲線積分的方向和曲面的側按右手法則聯系。

注：右端積分是一個第二類曲面積分，左端的積分是一個第二類曲線積分。所以Stokes公式是第二類曲面積分和第二類曲線積分的一個紐帶。

例：求曲線積分，其中是柱面x和平面的交線,其方向從軸正向望去，已知方向是逆時針。

§2

曲線積分和路徑的無關性

引言

第二類曲線積分不僅與曲線的起點和終點有關，而且也與所沿的積分路徑有關。對同一個起點和同一個重點，沿不同的路徑所得到的第二類曲線積分一般是不相同的。在什么樣的條件下第二類曲線積分與積分路徑無關而僅與曲線的起點和重點有關呢？下面我們在平面中情形來討論這個問題。

定理1

若函數，在區(qū)域上有連續(xù)的偏導數，是單連通區(qū)域，則下列命題等價：

⑴

對D內任意一條閉曲線，有。

⑵

對

內任意一條閉曲線，曲線積分,與路徑無關（只依賴曲線的端點）。

⑶存在可微函數，使得內成立；

⑷在D內處處成立。

定義1

當曲線積分和路徑無關時，即滿足上面的諸條件時，如令點固定而點為區(qū)域內任意一點，那么在內連續(xù)并且單值。這個函數稱為的原函數。

原函數的求法：

（1）；或

（2）。

例：求原函數:

（1）;

（2）。

定義2

只繞奇點一周的閉路上的積分值叫做區(qū)域的循環(huán)常數，記為。于是，對內任一閉路，這里為沿逆時針方向繞的圈數。

例：證明關于奇點的循環(huán)常數是，從而積分與路徑無關。

§3

場論初步

一

場的概念

物理量在空間或一部分空間上的分布就稱為場。場分為不定常場和定常場。

二

向量場的散度和旋度

設有一向量場，為一閉曲面所包圍的空間區(qū)域，為曲面上向外法線，由高斯公式得。

定義1

量稱為向量的散度，它形成一個數量場，記為。

利用散度的定義，高斯公式可寫為，這是高斯公式向量形式。它說明：向量通過閉曲面的流量等于這個向量的散度在所包圍的區(qū)域上的三重積分。

定義2

稱向量為向量的旋度，記為：。

利用的定義，Stokes公式可改寫為向量形式如下：。

它說明：向量沿閉曲線的環(huán)流量等于它的旋度通過以為邊界所張的任意曲面的流量。

散度和旋度的定義。

例：求在點的散度和旋度。

例：證明。