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反例构造小结论#

闭包:Aˉ=((Ac)∘)c\bar{A}=((A^{c})^{\circ})^{c} P38 T22 对于高维,要分析 nn 的多少 各阶偏导用泰勒

1 累次极限#

总分关系 分存在而总不存在

f(x,y)={0,xy=01,xy≠0f(x,y)=\begin{cases} 0,&xy=0\\ 1,&xy\neq 0 \end{cases}

总存在而分不存在

f(x,y)={(x+y)sin⁡1xsin⁡1y,xy≠00,xy=0f(x,y)=\begin{cases} (x+y)\sin \dfrac{1}{x}\sin \dfrac{1}{y},&xy\neq 0\\ 0,&xy=0 \end{cases}

2 紧集#

连续函数在紧集上一致连续,但是在闭集上不一样。比如

f(x,y)=sin⁡(xy)f(x,y)=\sin(xy)

3 连续、偏导、可微#

偏导存在而不连续

f(x,y)={0,xy=01,xy≠0f(x,y)=\begin{cases} 0 ,&xy=0\\ 1,&xy\neq 0 \end{cases}

方向导数存在而偏导不存在

f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{ x^{2}+y^{2} }

方向导数存在而不连续

f(x,y)={1,y=x20,elsef(x,y)=\begin{cases} 1, &y= x^2\\ 0,&else \end{cases}

可微但偏导不连续

f(x,y)={(x2+y2)sin⁡1x2+y2,(x,y)≠(0,0)0,(x,y)=(0,0)f(x,y)=\begin{cases} (x^{2}+y^{2})\sin \dfrac{1}{{x^{2}+y^{2}}},& (x,y)\neq (0,0)\\ 0,&(x,y)=(0,0) \end{cases}

高阶偏导不相等

f(x,y)={xyx2−y2x2+y2,(x,y)≠(0,0)0,(x,y)=(0,0)f(x,y)=\begin{cases} xy\dfrac{x^{2}-y^{2}}{x^{2}+y^{2}},&(x,y)\neq (0,0)\\ 0,&(x,y)=(0,0) \end{cases}

方向导数存在、偏导存在、连续但不可微

f(x⃗)={x13∣x⃗∣2,x⃗≠00,x⃗=0f(\vec{x})=\begin{cases} \frac{x_{1}^{3}}{|\vec{x}|^{2}},&\vec{x}\neq 0 \\ 0,&\vec{x}=0 \end{cases}

4 齐次函数#

若f(x)f(x)为KK次齐次函数,则有欧拉定理

(∑i=1nxi∂∂x)kf(x)=K!(K−k)!f(x)\left( \sum_{i=1}^{n} x_{i}\frac{ \partial }{ \partial x } \right)^{k}f(x)=\dfrac{K!}{(K-k)!}f(x)

5 雅克比行列式#

逆映射存在定理只是局部的同胚映射,而不是全局的,比如

(uv)=(exp⁡xcos⁡yexp⁡xsin⁡y)\begin{pmatrix}u\\v\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\exp x\cos y\\ \exp x\sin y\end{pmatrix}

逆映射如不要求连续偏导数,雅克比行列式不是必要条件,比如

(uv)=(x3y)\begin{pmatrix}u\\v\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}x^{3}\\ y\end{pmatrix}

6 二重积分#

二重积分存在时,未必有累次积分

f(x,y)={1k,x=1k,y∈Q0,elsef(x,y)=\begin{cases} \dfrac{1}{k},& x = \dfrac{1}{k},y \in \mathbb{Q} & \\ 0,& else \end{cases}

课本内容#

1 第十三章 多元函数的极限和连续#

1.1 定义#

  1. 距离:对非空集合EE,若二元关系d:E×E→Rd: E×E→R满足正定性(d(x,y)≥0d(x,y)≥0且d(x,y)=0⇔x=yd(x,y)=0\Leftrightarrow x=y)、对称性(d(x,y)=d(y,x)d(x,y)=d(y,x))、三角不等式(d(x,y)≤d(x,z)+d(z,y)d(x,y)≤d(x,z)+d(z,y)),则dd为EE上的距离,(E,d)(E,d)为距离/度量空间。
  2. 范数:对线性空间EE(数域RR),若一元关系∣∣⋅∣∣:E→R||·||: E→R满足正定性(∣∣x∣∣≥0||x||≥0且∣∣x∣∣=0⇔x=0||x||=0\Leftrightarrow x=0)、正齐次性(∣∣cx∣∣=∣c∣∣∣x∣∣||cx||=|c|||x||)、次可加性(∣∣x+y∣∣≤∣∣x∣∣+∣∣y∣∣||x+y||≤||x||+||y||),则∣∣⋅∣∣||·||为EE上的范数,(E,∣∣⋅∣∣)(E,||·||)为赋范线性空间。
  3. 内积:对线性空间EE,若二元关系(⋅,⋅):E×E→R(·,·): E×E→R满足正定性((x,x)≥0(x,x)≥0且(x,x)=0⇔x=0(x,x)=0\Leftrightarrow x=0)、对称性((x,y)=(y,x)(x,y)=(y,x))、关于数的线性性((cx,y)=c(x,y)(cx,y)=c(x,y))、关于元素的线性性((x,y+z)=(x,y)+(x,z)(x,y+z)=(x,y)+(x,z)),则(⋅,⋅)(·,·)为EE上的内积,(E,(⋅,⋅))(E,(·,·))为内积空间。
  4. 欧几里得空间:带有内积(范数、距离)的RnR^n称为nn维欧几里得空间。
  5. 邻域:设x0∈Rnx_0\in R^n,δ>0\delta>0,U(x0,δ)={x∈Rn∣∣x−x0∣<δ}U(x_0,\delta)=\{x\in R^n||x-x_0|<\delta\}为以x0x_0为心的δ\delta邻域;U0(x0,δ)=U(x0,δ)∖{x0}U_0(x_0,\delta)=U(x_0,\delta)\setminus\{x_0\}为x0x_0的空心δ\delta邻域;N(x0,δ)={x∈Rn∣∣xj−xj0∣<δ}N(x_0,\delta)=\{x\in R^n||x_j - x_j^0|<\delta\}为方形邻域。
  6. 点列收敛:设点列{xk}⊂Rn\{x_k\}\subset R^n,若存在x0∈Rnx_0\in R^n使得lim⁡k→+∞∣xk−x0∣=0\lim_{k→+\infty}|x_k - x_0|=0,则称{xk}\{x_k\}收敛于x0x_0,x0x_0为{xk}\{x_k\}的极限点。
  7. 有界集:集合E⊂RnE\subset R^n有界,当且仅当∃M>0\exists M>0,使得∣x∣≤M|x|≤M对∀x∈E\forall x\in E成立。
  8. 聚点:对RnR^n的非空集合EE,若∀δ>0\forall \delta>0,U0(x,δ)∩E≠∅U_0(x,\delta)\cap E≠\emptyset,则xx为EE的聚点。
  9. 孤立点:若x∈Ex\in E且不是EE的聚点,则∃δ>0\exists \delta>0使得U0(x,δ)∩E=∅U_0(x,\delta)\cap E=\emptyset,此时xx为EE的孤立点。
  10. 稠密:对无限集 A,BA,B,若 A⊂BA\subset B 且 AA 中任何点的任何邻域都有 BB 的点,则称 BB 在 AA 中稠密。
  11. 内点、外点、边界点:点PP为EE的内点,若∃δ>0\exists \delta>0使得U(P,δ)⊂EU(P,\delta)\subset E,所有内点的集合为EE的内部E∘E^\circ;点PP为EE的外点,若∃δ>0\exists \delta>0使得U(P,δ)∩E=∅U(P,\delta)\cap E=\emptyset;点PP为EE的边界点,若∀ε>0\forall \varepsilon>0,U(P,ε)∩E≠∅U(P,\varepsilon)\cap E≠\emptyset且U(P,ε)∩Ec≠∅U(P,\varepsilon)\cap E^c≠\emptyset,所有边界点的集合为EE的边界∂E\partial E(Ec=Rn∖EE^c=R^n\setminus E为EE的余集)。
  12. 导集,闭包:集合EE的导集E′E'是EE的所有聚点构成的集合,闭包Eˉ=E∪E′\bar{E}=E\cup E'。
  13. 开集、闭集:若E∘=EE^\circ=E,则EE为开集;集合EE的导集E′E'是EE的所有聚点构成的集合,闭包Eˉ=E∪E′\bar{E}=E\cup E',若E=EˉE=\bar{E},则EE为闭集(空集和RnR^n既开又闭)。
  14. 道路连通集、区域、闭区域:若EE中任意两点都能用属于EE的连续曲线连接,则EE是道路连通集;道路连通的开集称为区域;区域DD的闭包Dˉ\bar{D}称为闭区域。
  15. 凸集、凸域:若EE内任意两点间的直线也属于EE,则EE为凸集;凸的区域称为凸域。
  16. Cauchy列:设点列{Pn}⊂Rn\{P_n\}\subset R^n,若∀ε>0\forall \varepsilon>0,存在K∈NK\in N使得d(Pk,Pm)<εd(P_k,P_m)<\varepsilon对∀k,m>K\forall k,m>K成立,则{Pk}\{P_k\}为Cauchy列。
  17. 集合的直径:集合EE的直径diam(E)=sup⁡d(P1,P2)diam(E)=\sup d(P_1,P_2),其中P1,P2∈EP_1,P_2\in E。
  18. 完备空间:有距离的空间XX,若其任一Cauchy列都有极限点,则XX是完备的。
  19. 开覆盖、紧集:开集族Θ={Gα}\Theta=\{G_\alpha\}称为EE的开覆盖,若E⊂∪αGαE\subset\cup_\alpha G_\alpha;若集合KK的每一个开覆盖都含有有限子覆盖,则KK为紧集。
  20. 单射、满射、双射:若x1≠x2⇒f(x1)≠f(x2)x_1≠x_2\Rightarrow f(x_1)≠f(x_2),则ff为单射;若f(X)=Yf(X)=Y,则ff为满射;既单又满的映射为双射;若X⊂RnX\subset R^n,Y⊂RY\subset R,则映射ff为nn元函数。
  21. 多元函数极限:设f(P)f(P)定义于E⊂RnE\subset R^n,P0P_0是EE的聚点,若∃\exists常数AA,使得∀ε>0\forall \varepsilon>0,∃δ>0\exists \delta>0,当P∈U0(P0,δ)∩EP\in U_0(P_0,\delta)\cap E时∣f(P)−A∣<ε|f(P)-A|<\varepsilon,则lim⁡P∈E→P0f(P)=A\lim_{P\in E→P_0}f(P)=A。
  22. 累次极限:设f(x,y)f(x,y)在{(x,y)∣0<∣x−x0∣<a,0<∣y−y0∣<a}\{(x,y)|0<|x - x_0|<a,0<|y - y_0|<a\}上有定义,若对任意固定的y∈(y0−a,y0+a)∖{y0}y\in(y_0 - a,y_0 + a)\setminus\{y_0\},lim⁡x→x0f(x,y)=φ(y)\lim_{x→x_0}f(x,y)=\varphi(y)存在,且lim⁡y→y0φ(y)=A\lim_{y→y_0}\varphi(y)=A,则AA是f(x,y)f(x,y)的累次极限,记作lim⁡y→y0lim⁡x→x0f(x,y)=A\lim_{y→y_0}\lim_{x→x_0}f(x,y)=A。
  23. 向量函数:映射f⃗:Rn→Rm\vec{f}: R^n→R^m称为nn元mm维向量函数,记作u=f⃗(x)u=\vec{f}(x);若f⃗(E)\vec{f}(E)是RmR^m中的有界集,则f⃗\vec{f}是EE上的有界向量函数。
  24. 向量函数极限:lim⁡x→x0f⃗(x)=(A1,⋯ ,Am)\lim_{x→x_0}\vec{f}(x)=(A_1,\cdots,A_m)当且仅当lim⁡x→x0f⃗j(x)=Aj\lim_{x→x_0}\vec{f}_j(x)=A_j对∀j\forall j成立。
  25. 多元函数连续:设x0x_0是nn元函数y=f(x)y=f(x)定义域EE中的点,若lim⁡x∈E→x0f(x)=f(x0)\lim_{x\in E→x_0}f(x)=f(x_0),则f(x)f(x)在x0x_0点连续;若f(x)f(x)在EE的每一点都连续,则f(x)∈C(E)f(x)\in C(E)。
  26. 向量函数连续:向量函数f⃗(x)=(f1(x),⋯ ,fm(x))\vec{f}(x)=(f_1(x),\cdots,f_m(x))在x0x_0点连续,当且仅当fj(x)f_j(x)(j=1,⋯ ,mj=1,\cdots,m)都在x0x_0点连续。
  27. 一致连续:设f(x)∈C(E)f(x)\in C(E),若∀ε>0\forall \varepsilon>0,∃δ>0\exists \delta>0,使得对∀x1,x2∈E\forall x_1,x_2\in E,当∣x1−x2∣<δ|x_1 - x_2|<\delta时∣f(x1)−f(x2)∣<ε|f(x_1)-f(x_2)|<\varepsilon,则f(x)f(x)在EE上一致连续;向量函数一致连续当且仅当各分量函数一致连续。
  28. 连通:设 E⊂RnE\subset \mathbb{R}^{n} 是一个非空集合,若对于∀x⃗,y⃗∈E\forall \vec{x},\vec{y} \in E ,都存在一条道路 h⃗(t):t∈[α,β]\vec{h}(t):t \in[\alpha,\beta ],使得 h⃗(α)=x⃗\vec{h}(\alpha)=\vec{x},h⃗(β)=y⃗\vec{h}(\beta)=\vec{y} 且 h⃗(t)∈E\vec{h}(t)\in E 对 ∀t∈[α,β]\forall t \in [\alpha,\beta ] 成立,则称 EE 是连通的。
  29. 区域:设 E⊂RnE\subset \mathbb{R}^{n} 是一个非空开集,若 是连通的,则称 是区域。设 DD 是一个区域,则 称为区域 DD 的闭包 Dˉ\bar{D} 为闭区域。
  30. 同胚映射:若f⃗:E⊂Rn→f⃗(E)⊂Rn\vec{f}: E\subset R^n→\vec{f}(E)\subset R^n是双射,且f⃗\vec{f}与f⃗−1\vec{f}^{-1}都连续,则f⃗\vec{f}为EE到f⃗(E)\vec{f}(E)的同胚映射(f⃗−1(y)=x\vec{f}^{-1}(y)=x其中f⃗(x)=y\vec{f}(x)=y)。

1.2 定理#

  1. 定理 13.1.1:点列收敛的充要条件:设 {xk}\{x_k\} 是 RnR^n 中的点列,x0=(x10,⋯ ,xn0)∈Rnx_0=(x_1^0,\cdots,x_n^0)\in R^n,则 lim⁡k→+∞xk=x0⇔lim⁡k→+∞xjk=xj0\lim_{k→+\infty}x_k = x_0\Leftrightarrow\lim_{k→+\infty}x_j^k = x_j^0 对 ∀j\forall j 成立。
  2. 高维空间点列极限的性质:极限唯一;收敛有界;线性性;保内积。
  3. 定理 13.1.5:聚点的充要条件:点 P0P_0 是 EE 的聚点,当且仅当存在点列 {Pn}⊂E\{P_n\}\subset E,Pn≠P0P_n≠P_0 对 ∀n∈N\forall n\in N 成立,且 lim⁡n→∞Pn=P0\lim_{n→\infty}P_n = P_0。
  4. 定理 13.1.6(7):开集与闭集的运算性质:
    1. Rn\mathbb{R}^{n} 和 ∅\emptyset 是开集和闭集;
    2. 有限个开集的交集是开集,任意多个开集的并集是开集;
    3. 有限个闭集的并集是闭集,任意多个闭集的交集是闭集;
    4. E⊂RnE\subset R^n 是开集 ⇔Ec\Leftrightarrow E^c 是闭集。
  5. 德摩根定律:设 Λ\Lambda 为指标集,Eλ⊂RnE_\lambda\subset R^n 对 ∀λ∈Λ\forall \lambda\in\Lambda,则
    1. (∪λ∈ΛEλ)c=∩λ∈ΛEλc(\cup_{\lambda\in\Lambda}E_\lambda)^c=\cap_{\lambda\in\Lambda}E_\lambda^c,
    2. (∩λ∈ΛEλ)c=∪λ∈ΛEλc(\cap_{\lambda\in\Lambda}E_\lambda)^c=\cup_{\lambda\in\Lambda}E_\lambda^c。
  6. 定理 13.1.8:设 E⊂RnE \subset \mathbb{R}^{n} 则EE 是闭集的充分必要条件是 E=EˉE=\bar{E}
  7. 定理 13.1.9:Cauchy列与收敛的关系:RnR^n中Cauchy列⇔\Leftrightarrow收敛。
  8. 定理 13.1.10(闭集套定理):设{Fk}\{F_k\}是非空闭集列,满足F1⊃F2⊃⋯⊃Fk⊃⋯F_1\supset F_2\supset\cdots\supset F_k\supset\cdots且diam(Fk)→0(k→∞)diam(F_k)→0(k→\infty),则存在唯一一点P0∈∩k=1+∞FkP_0\in\cap_{k=1}^{+\infty}F_k。
  9. 定理 13.1.11:有界点列与聚点定理:有界点列必有收敛子列;RnR^n中任何有界无穷集必有聚点。
  10. 有限覆盖定理:设E⊂RnE\subset R^n是非空有界闭集,Θ={Gα}\Theta=\{G_\alpha\}是EE的开覆盖,则从Θ\Theta中必能选出有限个开集G1,⋯ ,GnG_1,\cdots,G_n使得E⊂∪j=1nGjE\subset\cup_{j=1}^n G_j。
  11. 定理 13.1.13:紧集的充要条件:E⊂RnE\subset R^n是紧集⇔E\Leftrightarrow E是有界闭集。
  12. 定理 13.2.2:设f(x,y)f(x,y)在{(x,y)∣0<∣x−x0∣<a,0<∣y−y0∣<a}\{(x,y)|0<|x - x_0|<a,0<|y - y_0|<a\}上有定义,若
    1. lim⁡(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=A\lim_{(x,y)→(x_0,y_0)}f(x,y)=A(可以是无穷)
    2. 对固定y∈(y0−a,y0+a)∖{y0}y\in(y_0 - a,y_0 + a)\setminus\{y_0\},lim⁡x→x0f(x,y)=φ(y)\lim_{x→x_0}f(x,y)=\varphi(y)存在,
    3. 则lim⁡y→y0lim⁡x→x0f(x,y)=A\lim_{y→y_0}\lim_{x→x_0}f(x,y)=A;
  13. 定理 13.3.1:设 E⊂RnE\subset \mathbb{R}^{n},向量函数 y⃗=f⃗(x⃗)\vec{y}=\vec{f}(\vec{x}) 在 EE 上连续,向量函数 g⃗(y⃗)\vec{g}(\vec{y}) 在 在 f⃗(E)\vec{f}(E) 上连续,则复合函数 h⃗(x⃗)=g⃗(f⃗(x⃗))\vec{h}(\vec{x})=\vec{g}(\vec{f}(\vec{x})) 在 EE 上连续。
  14. 定理 13.3.2:E⊂RnE\subset R^n是紧集,向量函数f⃗(x)\vec{f}(x)在EE上连续,则f⃗(E)⊂Rm\vec{f}(E)\subset R^m是紧集,推论:f(x)f(x)在EE上有界、取到最大最小值、一致连续。
  15. 定理 13.3.3:E⊂RnE\subset R^n是道路连通集,向量函数f⃗(x)\vec{f}(x)在EE上连续,则f⃗(E)⊂Rm\vec{f}(E)\subset R^m连通;若f(x)∈C(E)f(x)\in C(E)且∃x1,x2∈E\exists x_1,x_2\in E使得f(x1)<0f(x_1)<0,f(x2)>0f(x_2)>0,则∃x0∈E\exists x_0\in E使得f(x0)=0f(x_0)=0。
  16. 定理 13.3.4:设 E⊂RnE\subset \mathbb{R}^{n} 是紧集,若 f⃗(x⃗)\vec{f}(\vec{x}) 在 EE 上连续,则 f⃗(x⃗)\vec{f}(\vec{x}) 在 EE 上一致连续。

2 第十四章 多元微分学#

2.1 定义#

  1. 偏导数:∂f(x0)∂xi=lim⁡xi→xi0f(x10,⋯ ,xi−10,xi,xi+10,⋯ ,xn0)−f(x10,⋯ ,xn0)xi−xi0\frac{\partial f(x_0)}{\partial x_i}=\lim_{x_i→x_i^0}\frac{f(x_1^0,\cdots,x_{i-1}^0,x_i,x_{i+1}^0,\cdots,x_n^0)-f(x_1^0,\cdots,x_n^0)}{x_i - x_i^0}。
  2. 全微分:设Δx=(Δx1,⋯ ,Δxn)\Delta x=(\Delta x_1,\cdots,\Delta x_n),x=x0+Δxx=x_0+\Delta x,若存在仅依赖于x0x_0的常数AiA_i使得Δf(x0)=∑i=1nAiΔxi+o(∣Δx∣)\Delta f(x_0)=\sum_{i=1}^n A_i\Delta x_i + o(|\Delta x|),则f(x)f(x)在x0x_0处可微,∑i=1nAiΔxi\sum_{i=1}^n A_i\Delta x_i为全微分。
  3. 方向导数:单位向量v=(cos⁡θ1,⋯ ,cos⁡θn)v=(\cos\theta_1,\cdots,\cos\theta_n),∂f(x0)∂v=lim⁡t→0+f(x0+tv)−f(x0)t\frac{\partial f(x_0)}{\partial v}=\lim_{t→0^+}\frac{f(x_0 + tv)-f(x_0)}{t}为f(x)f(x)在x0x_0点沿方向vv的方向导数。
  4. 梯度:设 f(x⃗)f(\vec{x}) 在 x⃗0\vec{x}_{0}处可微,则 grad⁡f(x0)=(∂f(x0)∂x1,⋯ ,∂f(x0)∂xn)\operatorname{grad} f(x_0)=(\frac{\partial f(x_0)}{\partial x_1},\cdots,\frac{\partial f(x_0)}{\partial x_n}),也记作∇f\nabla f。
  5. 切平面、法向量:函数y=f(x1,⋯ ,xn)y=f(x_1,\cdots,x_n)在可微点存在切平面,所有切线所在的平面为切平面,垂直于切平面的矢量为法向量。
  6. 向量函数可微、Jacobi矩阵:若向量函数f⃗(x)\vec{f}(x)满足Δf⃗(x)=AΔx+α(∣Δx∣)\Delta \vec{f}(x)=A\Delta x + \alpha(|\Delta x|)(其中lim⁡∣Δx∣→0αi(∣Δx∣)∣Δx∣=0\lim_{|\Delta x|→0}\frac{\alpha_i(|\Delta x|)}{|\Delta x|}=0),则f⃗(x)\vec{f}(x)可微,矩阵AA为导数/Jacobi矩阵,记作Df⃗(x)D\vec{f}(x)或f⃗′(x)\vec{f}'(x),AΔxA\Delta x为全微分df⃗(x)=f⃗′(x)dxd\vec{f}(x)=\vec{f}'(x)dx,Aij=∂fi(x)∂xjA_{ij}=\frac{\partial f_i(x)}{\partial x_j};若AA是方阵,∣A∣|A|为Jacobi行列式,记作∣f′(x0)∣|f'(x_0)|或∂(f1,⋯ ,fn)∂(x1,⋯ ,xn)∣x0\frac{\partial(f_1,\cdots,f_n)}{\partial(x_1,\cdots,x_n)}|_{x_0}。
  7. 临界点、临界值:设f⃗:D⊂Rn→Rm\vec{f}: D\subset R^n→R^m,f⃗(x)∈C1(D)\vec{f}(x)\in C^1(D),x0∈Dx_0\in D,若rank(f⃗′(x0))<min(n,m)rank(\vec{f}'(x_0))<min(n,m),则x0x_0为f⃗(x)\vec{f}(x)的临界点,y0=f⃗(x0)y_0=\vec{f}(x_0)为临界值;nn元函数的临界点满足∇f(x0)=0\nabla f(x_0)=0;nn元nn维向量函数的临界点满足∣f′(x0)∣=0|f'(x_0)|=0。
  8. 高阶偏导数:∂2f∂xk∂xi=∂(∂f∂xi)∂xk\frac{\partial^2 f}{\partial x_k\partial x_i}=\frac{\partial(\frac{\partial f}{\partial x_i})}{\partial x_k},nn元函数有n2n^2个二阶偏导数;Ck(D)C^k(D)为区域DD上具有直到kk阶连续偏导数的函数的全体。
  9. 二阶微分:d2f(x)=∑i=1n∑k=1n∂2f(x)∂xk∂xidxkdxid^2 f(x)=\sum_{i=1}^n\sum_{k=1}^n\frac{\partial^2 f(x)}{\partial x_k\partial x_i}dx_kdx_i;Laplace算子Δ=∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2\Delta=\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{\partial^2}{\partial y^2}+\frac{\partial^2}{\partial z^2}。
  10. 高阶全微分:2元函数dku=(dx∂∂x+dy∂∂y)ku=∑i=0kCki∂ku∂xi∂yk−idxidyk−id^k u=(dx\frac{\partial}{\partial x}+dy\frac{\partial}{\partial y})^k u=\sum_{i=0}^k C_k^i\frac{\partial^k u}{\partial x^i\partial y^{k - i}}dx^i dy^{k - i};nn元函数dku=(∑i=1ndxi∂∂xi)kud^k u=(\sum_{i=1}^n dx_i\frac{\partial}{\partial x_i})^k u。
  11. Hesse矩阵:Hf(x0)=(∂2f(x0)∂xi∂xj)H_f(x_0)=(\frac{\partial^2 f(x_0)}{\partial x_i\partial x_j})(二次型)。
  12. 多元函数极值:设u=f(x)u=f(x)在D⊂RnD\subset R^n内有定义,x0∈Dx_0\in D,若∃U(x0,δ)\exists U(x_0,\delta)使得f(x)≤f(x0)f(x)≤f(x_0)(或f(x)≥f(x0)f(x)≥f(x_0))对∀x∈U(x0,δ)\forall x\in U(x_0,\delta)成立,则f(x)f(x)在x0x_0点取得极大值(或极小值),x0x_0为极大值点(或极小值点)。
  13. 曲线:RnR^n中的一条曲线是[α,β]→Rn[\alpha,\beta]→R^n的连续映射h(t)=(x1(t),⋯ ,xn(t))h(t)=(x_1(t),\cdots,x_n(t));若h(t1)≠h(t2)h(t_1)≠h(t_2)对∀t1,t2∈[α,β]\forall t_1,t_2\in[\alpha,\beta],则为简单曲线;若h(t1)≠h(t2)h(t_1)≠h(t_2)对∀t1,t2∈[α,β)\forall t_1,t_2\in[\alpha,\beta)且h(α)=h(β)h(\alpha)=h(\beta),则为简单闭曲线(Jordan曲线)。
  14. 凸函数:设D⊂RnD\subset R^n是凸区域,f(x)f(x)在DD上定义,若对∀x1,x2∈D\forall x_1,x_2\in D,∀t∈(0,1)\forall t\in(0,1),有f(tx1+(1−t)x2)≤tf(x1)+(1−t)f(x2)f(tx_1+(1 - t)x_2)≤tf(x_1)+(1 - t)f(x_2),则f(x)f(x)为DD上的凸函数;若不等式严格成立,则为严格凸函数。

2.2 定理#

  1. 注 2:设 f(x⃗)f(\vec{x}) 关于 xix_{i} 的偏导数存在并等于 AA ,若记 v⃗i\vec{v}_{i} 是 第 ii 个坐标轴的单位向量,则有 ∂f(x⃗)∂xi=∂f(x⃗)∂v⃗i=A\frac{\partial f(\vec{x})}{\partial x_{i}}=\frac{\partial f(\vec{x})}{\partial \vec{v}_{i}}=A,但是应该注意到 ∂f(x⃗)∂−v⃗i=−A\frac{\partial f(\vec{x})}{\partial -\vec{v}_{i}}=-A
  2. 定理 14.1.1:nn 元函数ff可微,则必连续,且df=∑i=1n∂f∂xidxi\mathrm{d}f=\sum_{i=1}^n\frac{\partial f}{\partial x_i}\mathrm{d}x_i;
  3. 定理 14.1.2:设函数 f(x⃗)f(\vec{x}) 在区域 D⊂RnD \subset \mathbb{R}^{n} 上有定义,且在 x⃗0\vec{x}_{0} 的某邻域内 f(x⃗)f(\vec{x}) 的各偏导数均存在且连续,则 f(x⃗)f(\vec{x}) 在 x⃗0\vec{x}_{0} 处可微;
  4. 定理 14.1.3:设函数 f(x⃗)f(\vec{x}) 在区域 D⊂RnD \subset \mathbb{R}^{n} 上有定义,且在 x⃗0∈D\vec{x}_{0}\in D 处可微,则∂f(x0)∂v=∑i=1n∂f(x0)∂xicos⁡θi\frac{\partial f(x_0)}{\partial v}=\sum_{i=1}^n\frac{\partial f(x_0)}{\partial x_i}\cos\theta_i。
  5. 梯度的运算性质:设ff和gg是nn元可微函数,则:
    1. ∇C=0\nabla C=0;
    2. ∇(af+bg)=a∇f+b∇g\nabla(af+bg)=a\nabla f+b\nabla g;
    3. ∇(fg)=f∇g+g∇f\nabla(fg)=f\nabla g+g\nabla f;
    4. ∇(fg)=g∇f−f∇gg2\nabla(\frac{f}{g})=\frac{g\nabla f - f\nabla g}{g^2}。
  6. 复合函数求导法则(链式法则):设u=f(x,y)u=f(x,y),x=g(s,t)x=g(s,t),y=h(s,t)y=h(s,t)构成复合函数,∂x∂s,∂x∂t,∂y∂s,∂y∂t\frac{\partial x}{\partial s},\frac{\partial x}{\partial t},\frac{\partial y}{\partial s},\frac{\partial y}{\partial t}都存在,f(x,y)f(x,y)可微,则∂u∂s=∂f∂x∂x∂s+∂f∂y∂y∂s\frac{\partial u}{\partial s}=\frac{\partial f}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial f}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial s},∂u∂t=∂f∂x∂x∂t+∂f∂y∂y∂t\frac{\partial u}{\partial t}=\frac{\partial f}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial t}+\frac{\partial f}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial t}。
  7. 向量函数可微的充要条件:向量函数可微的充要条件是分量函数可微。
  8. 导数的四则运算:
    1. (f(x)±g(x))′=f′(x)±g′(x)(f(x)\pm g(x))'=f'(x)\pm g'(x);
    2. (f(x)g(x))′=f(x)g′(x)+g(x)f′(x)(f(x)g(x))'=f(x)g'(x)+g(x)f'(x);
    3. (f(x)g(x))′=g(x)f′(x)−f(x)g′(x)g2(x)(\frac{f(x)}{g(x)})'=\frac{g(x)f'(x)-f(x)g'(x)}{g^2(x)}(要求定义域和值域合适)。
  9. Jacobi矩阵的链式法则:∂(f1,⋯ ,fp)∂(x1,⋯ ,xn)=∂(f1,⋯ ,fp)∂(u1,⋯ ,um)⋅∂(u1,⋯ ,um)∂(x1,⋯ ,xn)\frac{\partial(f_1,\cdots,f_p)}{\partial(x_1,\cdots,x_n)}=\frac{\partial(f_1,\cdots,f_p)}{\partial(u_1,\cdots,u_m)}\cdot\frac{\partial(u_1,\cdots,u_m)}{\partial(x_1,\cdots,x_n)},或df(u(x))=f′(u(x))u′(x)dxdf(u(x))=f'(u(x))u'(x)dx,从而∂f(u(x0))∂xi=∑j=1m∂f(u0)∂uj⋅∂uj(x0)∂xi\frac{\partial f(u(x_0))}{\partial x_i}=\sum_{j=1}^m\frac{\partial f(u_0)}{\partial u_j}\cdot\frac{\partial u_j(x_0)}{\partial x_i}。
  10. 定理 14.2.3:如果二阶偏导数存在且连续,那么fki′′(x)=fik′′(x)f_{ki}''(x)=f_{ik}''(x);若fki′′(x)f_{ki}''(x)或fik′′(x)f_{ik}''(x)在x0x_0点附近存在且其中之一在x0x_0点连续,那么fki′′(x0)=fik′′(x0)f_{ki}''(x_0)=f_{ik}''(x_0)。
  11. 定理 14.3.1:设f(x)f(x)在x0∈Rnx_0\in R^n的邻域U(x0,δ0)U(x_0,\delta_0)内具有K+1K+1阶连续偏导数,则对x0+h∈U(x0,δ0)x_0 + h\in U(x_0,\delta_0),有f(x0+h)=f(x0)+∑k=1K1k!(∑i=1nhi∂∂xi)kf(x0)+1(K+1)!(∑i=1nhi∂∂xi)K+1f(x0+θh)f(x_0 + h)=f(x_0)+\sum_{k=1}^K\frac{1}{k!}(\sum_{i=1}^n h_i\frac{\partial}{\partial x_i})^k f(x_0)+\frac{1}{(K+1)!}(\sum_{i=1}^n h_i\frac{\partial}{\partial x_i})^{K+1}f(x_0+\theta h)(0<θ<10<\theta<1)。
    1. 推论 1:设f(x)f(x)在x0∈Rnx_0\in R^n的邻域U(x0,δ0)U(x_0,\delta_0)内具有KK阶连续偏导数,则对x0+h∈U(x0,δ0)x_0 + h\in U(x_0,\delta_0),有f(x0+h)=f(x0)+∑k=1K1k!(∑i=1nhi∂∂xi)kf(x0)+o(∣h∣K)f(x_0 + h)=f(x_0)+\sum_{k=1}^K\frac{1}{k!}(\sum_{i=1}^n h_i\frac{\partial}{\partial x_i})^k f(x_0)+o(|h|^K)(∣h∣→0|h|→0)。
    2. 推论 2(拉格朗日微分中值定理):设f(x)f(x)在x0x_0的某邻域内具有连续偏导数,则对于 ∀t∈[0,1],x⃗0+t(x⃗−x⃗0)∈D\forall t\in[0,1], \vec{x}_{0}+t(\vec{x}-\vec{x}_{0})\in D,我们有 f(x⃗)−f(x⃗0)=∑i=1n∂f(x⃗0+θ(x⃗−x⃗0))∂xi(xi−xi0)f(\vec{x})-f(\vec{x}_{0})=\sum_{i=1}^{n}\frac{\partial f(\vec{x}_{0}+\theta(\vec{x}-\vec{x}_{0}))}{\partial x_{i}}(x_{i}-x_{i}^{0}),其中 θ∈(0,1)\theta \in (0,1)
    3. 推论 3:若函数 f(x⃗)f(\vec{x}) 在区域 D⊂RnD \subset \mathbb{R}^{n} 上各个偏导数均为 00,则 f(x⃗)f(\vec{x}) 在 DD 上为常函数。
  12. 定理 14.4.1(隐函数存在定理):设二元函数F(x,y)F(x,y)在U((x0,y0),δ)U((x_0,y_0),\delta)内满足:
    1. F(x0,y0)=0F(x_0,y_0)=0;
    2. F(x,y)F(x,y)和Fy′(x,y)F_y'(x,y)连续;
    3. Fy′(x0,y0)≠0F_y'(x_0,y_0)≠0, 则∃δ0∈(0,δ)\exists \delta_0\in(0,\delta),使得在U(x0,δ0)U(x_0,\delta_0)内存在唯一连续函数y=f(x)y=f(x),满足
    4. y0=f(x0)y_0=f(x_0),
    5. F(x,f(x))=0F(x,f(x))=0;
    6. 若Fx′(x,y)F_x'(x,y)连续,则f(x)∈C1f(x)\in C^1且f′(x)=−Fx′(x,f(x))Fy′(x,f(x))f'(x)=-\frac{F_x'(x,f(x))}{F_y'(x,f(x))}。
  13. 隐函数存在定理(n+1n+1元):设F(x⃗,y)=F(x1,⋯ ,xn,y)F(\vec{x},y)=F(x_1,\cdots,x_n,y)在U(x⃗0,δ)×U(y0,δ)U(\vec{x}_0,\delta)×U(y_0,\delta)内满足:
    1. F(x⃗0,y0)=0F(\vec{x}_0,y_0)=0;
    2. F(x⃗,y)F(\vec{x},y)和Fy′(x⃗,y)F_y'(\vec{x},y)连续;
    3. Fy′(x⃗0,y0)≠0F_y'(\vec{x}_0,y_0)≠0, 则∃δ0>0\exists \delta_0>0,使得在U(x0,δ0)U(x_0,\delta_0)内存在唯一连续函数y=f(x⃗)y=f(\vec{x}),满足
    4. y0=f(x⃗0)y_0=f(\vec{x}_0),
    5. F(x⃗,f(x⃗))=0F(\vec{x},f(\vec{x}))=0;
    6. 若FF的各偏导数连续,则f(x⃗)f(\vec{x}) 存在各个连续偏导数,且∂f(x⃗)∂xi=−Fxi′(x⃗,y)Fy′(x⃗,y)\frac{ \partial f(\vec{x}) }{ \partial x_{i} } =-\frac{F_{x_{i}}'(\vec{x},y)}{F_y'(\vec{x},y)}。
  14. 隐函数组存在定理(向量函数):设向量函数F(x,u)=(F1(x,u),⋯ ,Fm(x,u))F(x,u)=(F_1(x,u),\cdots,F_m(x,u))在U(x0,δ)×U(u0,δ)U(x_0,\delta)×U(u_0,\delta)内有定义(x=(x1,⋯ ,xn)x=(x_1,\cdots,x_n),u=(u1,⋯ ,um)u=(u_1,\cdots,u_m)),满足:Fj(x0,u0)=0F_j(x_0,u_0)=0对∀j\forall j;Fj(x,u)F_j(x,u)及各偏导数连续;∂(F1,⋯ ,Fm)∂(u1,⋯ ,um)∣(x0,u0)≠0\frac{\partial(F_1,\cdots,F_m)}{\partial(u_1,\cdots,u_m)}|_{(x_0,u_0)}≠0,则∃δ0>0\exists \delta_0>0,使得在U(x0,δ0)U(x_0,\delta_0)内存在唯一mm维nn元向量函数f(x)=(f1(x),⋯ ,fm(x))f(x)=(f_1(x),\cdots,f_m(x)),满足u0=f(x0)u_0=f(x_0),Fj(x,f(x))=0F_j(x,f(x))=0对∀x∈U(x0,δ0)\forall x\in U(x_0,\delta_0);f′(x)=−Fu′(x,u)−1Fx′(x,u)f'(x)=-{F_u'(x,u)}^{-1}{F_x'(x,u)}(分母为逆矩阵)。
  15. 逆映射存在定理:设y=f(x)=(f1(x),⋯ ,fn(x))y=f(x)=(f_1(x),\cdots,f_n(x))是区域D⊂RnD\subset R^n到Ω⊂Rn\Omega\subset R^n的C1C^1映射,且∂(f1,⋯ ,fn)∂(x1,⋯ ,xn)∣x0≠0\frac{\partial(f_1,\cdots,f_n)}{\partial(x_1,\cdots,x_n)}|_{x_0}≠0(y0=f(x0)y_0=f(x_0)),则ff在x0x_0的某邻域U(x0,δ)U(x_0,\delta)内是C1C^1同胚映射,f(U(x0,δ))f(U(x_0,\delta))是包含y0y_0的区域。
  16. 定理 14.5.1:设函数u=f(x⃗)u=f(\vec{x})在x0x_0点取得极值,且f(x⃗)f(\vec{x})在x⃗0\vec{x}_0点各偏导数存在,则偏导数都为00;若f(x⃗)f(\vec{x})在x⃗0\vec{x}_0点可微,则f′(x⃗0)=0f'(\vec{x}_0)=0。
  17. 定理 14.5.2:设函数f(x)f(x)在D⊂RnD\subset R^n内有连续二阶偏导数,且f′(x0)=0f'(x_0)=0,Hf(x0)H_f(x_0)满秩,则
    1. Hf(x0)H_f(x_0)正定时f(x0)f(x_0)取极小值,
    2. 负定时取极大值,不定时不取极值;
    3. Hf(x0)H_f(x_0)不满秩时需用高阶导数判定。
  18. 条件极值的必要条件(拉格朗日乘数法):设nn元函数f(x)f(x)和mm维nn元向量函数g(x)=(g1(x),⋯ ,gm(x))g(x)=(g_1(x),\cdots,g_m(x))(m<nm<n)在DD内有连续偏导数,x0∈Dx_0\in D为f(x)f(x)在约束g(x)=0g(x)=0下的极值点,且rank(g′(x0))=mrank(g'(x_0))=m,则存在常数t1,⋯ ,tm∈Rt_1,\cdots,t_m\in R,使得g(x0)=0g(x_0)=0,∂f(x0)∂xi+∑j=1mtj∂gj(x0)∂xi=0\frac{\partial f(x_0)}{\partial x_i}+\sum_{j=1}^m t_j\frac{\partial g_j(x_0)}{\partial x_i}=0(∀i\forall i),即f′(x0)+(t1,⋯ ,tm)g′(x0)=0f'(x_0)+(t_1,\cdots,t_m)g'(x_0)=0(构造F(x,t)=f(x)+∑j=1mtjgj(x)F(x,t)=f(x)+\sum_{j=1}^m t_jg_j(x),必要条件为∂F(x0,t0)∂xi=0\frac{\partial F(x_0,t_0)}{\partial x_i}=0,∂F(x0,t0)∂tj=0\frac{\partial F(x_0,t_0)}{\partial t_j}=0)。
  19. 定理 14.5.3:设(x0,λ0)(x_0,\lambda_0)为F(x,λ)=f(x)+∑j=1mλjφj(x)F(x,\lambda)=f(x)+\sum_{j=1}^m \lambda_j\varphi_j(x)的驻点,且 φ⃗′(x⃗0)\vec{\varphi}'(\vec{x}_{0}) 的秩为 mm,HF(x0,λ0)=(∂2F∂xi∂xj(x0,λ0))n×nH_F(x_0,\lambda_0)=(\frac{\partial^2 F}{\partial x_i\partial x_j}(x_0,\lambda_0))_{n×n},则HF(x0,λ0)H_F(x_0,\lambda_0)正定或负定时,x0x_0是F(x,λ0)F(x,\lambda_0)的极值点且为f(x)f(x)的条件极值点;HF(x0,λ0)H_F(x_0,\lambda_0)不定时,x0x_0不是F(x,λ0)F(x,\lambda_0)的极值点,但不能确定是否为f(x)f(x)的条件极值点。
  20. 曲线的切线方向:曲线方程为h(t)=(x(t),y(t),z(t))h(t)=(x(t),y(t),z(t)),在t=t0t=t_0点的切线方向为(x′(t0),y′(t0),z′(t0))(x'(t_0),y'(t_0),z'(t_0))。
  21. 曲面的法线方向:参数式曲面x=x(u,v),y=y(u,v),z=z(u,v)x=x(u,v),y=y(u,v),z=z(u,v)在M0=(x0,y0,z0)M_0=(x_0,y_0,z_0)点的法线方向为(∂(y,z)∂(u,v),∂(z,x)∂(u,v),∂(x,y)∂(u,v))(\frac{\partial(y,z)}{\partial(u,v)},\frac{\partial(z,x)}{\partial(u,v)},\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)});曲面F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0在M0M_0点的法线方向为(∂F∂x,∂F∂y,∂F∂z)∣M0(\frac{\partial F}{\partial x},\frac{\partial F}{\partial y},\frac{\partial F}{\partial z})|_{M_0}。
  22. 隐式曲线的切线方向:曲线由{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0\begin{cases}F(x,y,z)=0\\G(x,y,z)=0\end{cases}给出,在M0M_0点的切线方向为(∂(F,G)∂(y,z),∂(F,G)∂(z,x),∂(F,G)∂(x,y))∣M0(\frac{\partial(F,G)}{\partial(y,z)},\frac{\partial(F,G)}{\partial(z,x)},\frac{\partial(F,G)}{\partial(x,y)})|_{M_0}。
  23. 定理 14.6.1:设D⊂RnD\subset R^n是凸区域,f(x)∈C2(D)f(x)\in C^2(D),则以下命题等价:
    1. f(x)f(x)是DD上的凸函数;
    2. ∀x0,x∈D\forall x_0,x\in D,f(x)≥f(x0)+f′(x0)(x−x0)⊤f(x)≥f(x_0)+f'(x_0)(x - x_0)^{\top};
    3. ∀x0∈D\forall x_0\in D,Hf(x0)H_f(x_0)半正定。

3 第十五章 重积分#

3.1 定义#

  1. Jordan可测集(有面积):对于1/n×1/n1/n×1/n的方体分割Δn\Delta_n,记Qn−Q_n^-为内部方体,Qn+Q_n^+为最小覆盖方体,若lim⁡n→+∞m(Qn−)=lim⁡n→+∞m(Qn+)\lim_{n→+\infty}m(Q_n^-)=\lim_{n→+\infty}m(Q_n^+),则集合AA有面积(Jordan可测),极限为AA的面积m(A)m(A)。
  2. 简单图形:边界线均为垂直或水平直线段的闭区域。
  3. 分划:平面有界可测集DD的分划Δ={Δσi}i=1n\Delta=\{\Delta\sigma_i\}_{i=1}^n,满足Δσi\Delta\sigma_i可测且Δσi∘∩Δσj∘=∅\Delta\sigma_i^\circ\cap\Delta\sigma_j^\circ=\emptyset,分划的直径∥Δ∥=max{diam(Δσi)}\|\Delta\|=max\{diam(\Delta\sigma_i)\};空间有界可测集Ω\Omega的分划Δ={ΔVi}i=1n\Delta=\{\Delta V_i\}_{i=1}^n,定义类似。
  4. 二重积分:设DD为平面有界可测集,f(x,y)f(x,y)在DD上定义,若lim⁡∥Δ∥→0∑i=1nf(ξi,ηi)m(Δσi)=I\lim_{\|\Delta\|→0}\sum_{i=1}^n f(\xi_i,\eta_i)m(\Delta\sigma_i)=I(对任意分划和取点都成立),则f(x,y)f(x,y)在DD上可积,II为二重积分,记作∬Df(x,y)dσ\iint_D f(x,y)d\sigma或∬Df(x,y)dxdy\iint_D f(x,y)dxdy,DD上所有可积函数全体记为R(D)R(D)。
  5. 三重积分:设Ω\Omega为空间有界可测集,f(x,y,z)f(x,y,z)在Ω\Omega上定义,若lim⁡∥Δ∥→0∑i=1nf(xi,yi,zi)ΔVi=I\lim_{\|\Delta\|→0}\sum_{i=1}^n f(x_i,y_i,z_i)\Delta V_i=I(对任意分划和取点都成立),则f(x,y,z)f(x,y,z)在Ω\Omega上可积,II为三重积分,记作∭Ωf(x,y,z)dv\iiint_\Omega f(x,y,z)dv或∭Ωf(x,y,z)dxdydz\iiint_\Omega f(x,y,z)dxdydz,Ω\Omega上所有可积函数全体记为R(Ω)R(\Omega)。
  6. 穷竭列:设D⊂R2D\subset R^2为区域,∀R>0\forall R>0,D∩{x2+y2<R2}D\cap\{x^2+y^2<R^2\}可测,若有界可测闭集列{Dn}\{D_n\}满足D1⊂D2⊂⋯⊂Dn⊂DD_1\subset D_2\subset\cdots\subset D_n\subset D,且任意有界闭集F⊂DF\subset D都存在mm使得F⊂DmF\subset D_m,则{Dn}\{D_n\}为DD的穷竭列。
  7. 内闭可积:函数f(x,y)f(x,y)在DD的任何可求面积的有界闭子区域上可积,则f(x,y)f(x,y)在DD上内闭可积。
  8. 广义重积分:设DD为区域,∀R>0\forall R>0,D∩{x2+y2<R2}D\cap\{x^2+y^2<R^2\}可测,f(x,y)f(x,y)在DD上内闭可积,若对DD的任意穷竭列{Dn}\{D_n\},lim⁡n→+∞∬Dnf(x,y)dxdy\lim_{n→+\infty}\iint_{D_n}f(x,y)dxdy存在且唯一,则广义二重积分∬Df(x,y)dxdy\iint_D f(x,y)dxdy收敛;若∬D∣f(x,y)∣dxdy\iint_D|f(x,y)|dxdy收敛,则称原积分绝对收敛。

3.2 定理#

  1. 定理 15.1.1:有面积的充要条件:平面有界点集AA有面积⇔∀ε>0\Leftrightarrow\forall \varepsilon>0,存在包含∂A\partial A的简单图形QQ使得 m(Q)<εm(Q)<\varepsilon 。
    1. A,BA,B有面积⇒A∪B,A∩B,A∖B\Rightarrow A\cup B,A\cap B,A\setminus B有面积;
    2. DD 可求体积的充分必要条件是 Dˉ\bar{D} 可求体积,V(D)=V(Dˉ)V(D)=V(\bar{D})
    3. 当A∘∩B∘=∅A^\circ\cap B^\circ=\emptyset时,m(A∪B)=m(A)+m(B)m(A\cup B)=m(A)+m(B);
    4. ∪i=1nAi,∩i=1nAi\cup_{i=1}^n A_i,\cap_{i=1}^n A_i有面积且m(∪i=1nAi)≤∑i=1nm(Ai)m(\cup_{i=1}^n A_i)≤\sum_{i=1}^n m(A_i)。
  2. 特殊集合的面积:平面可求长曲线的面积为00;由有限条可求长曲线或显式连续曲线围成的区域面积存在。
  3. 定理 15.2.1:有界可测区域上的可积函数必有界。
  4. 定理 15.2.3(达布定理):设D⊂R2D\subset R^2有界可测,f(x,y)f(x,y)在DD上有界,则f(x,y)∈R(D)⇔lim⁡∥Δ∥→0∑i=1nωiΔσi=0⇔∀ε>0f(x,y)\in R(D)\Leftrightarrow\lim_{\|\Delta\|→0}\sum_{i=1}^n \omega_i\Delta\sigma_i=0\Leftrightarrow\forall \varepsilon>0,∃\exists 分划 Δ\Delta 使得 Sˉ(f,Δ)−S‾(f,Δ)<ε⇔∬Df(x,y)dσ‾=∬Df(x,y)dσ‾\bar{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\varepsilon\Leftrightarrow\overline{\iint_D f(x,y)d\sigma}=\underline{\iint_D f(x,y)d\sigma}(ωi\omega_i为ff在Δσi\Delta\sigma_i上的振幅)。
  5. 定理 15.2.4:设 DD 是可求体积的有界闭区域,f(x,y)f(x,y)在DD上有界且在 DD 上连续,则f(x,y)∈R(D)f(x,y)\in R(D);连续函数必可积。
  6. 复合函数的可积性:设DD是有界可测区域,f(x,y)∈R(D)f(x,y)\in R(D),m≤f(x,y)≤Mm≤f(x,y)≤M,g(z)g(z)在[m,M][m,M]上连续,则g(f(x,y))∈R(D)g(f(x,y))\in R(D)。
  7. 二重积分的性质:
    1. 线性性、被积函数可加性、积分区域可加性;
    2. 积分区域单调性、被积函数单调性;三角不等式;
    3. 重积分第一中值定理,ff 在 DD 上连续,gg 在 DD 可积且不变号,使得∬Df(x,y)g(x,y)dσ=f(ξ,η)∬Dg(x,y)dσ\iint_D f(x,y)g(x,y)d\sigma=f(\xi,\eta)\iint_D g(x,y)d\sigma。
  8. 定理 15.3.1:设f(x,y)f(x,y)在D=[a,b]×[c,d]D=[a,b]×[c,d]上可积,且∀x∈[a,b]\forall x\in[a,b],I(x)=∫cdf(x,y)dyI(x)=\int_c^d f(x,y)dy存在,则定积分 ∫abI(x)dx\int_{a}^{b} I(x)\mathrm{d}x 存在,并且 ∬Df(x,y)dxdy=∫abI(x)dx\iint_{D}f(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\int_{a}^{b}I(x)\mathrm{d}x.
  9. 定理 15.3.2:设D={(x,y)∣a≤x≤b,g1(x)≤y≤g2(x)}D=\{(x,y)|a≤x≤b,g_1(x)≤y≤g_2(x)\},f(x,y)f(x,y)在DD上可积,且∀x∈[a,b]\forall x\in[a,b],I(x)=∫g1(x)g2(x)f(x,y)dyI(x)=\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}f(x,y)dy存在,则∬Df(x,y)dσ=∫abdx∫g1(x)g2(x)f(x,y)dy\iint_D f(x,y)d\sigma=\int_a^b dx\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}f(x,y)dy。
  10. 定理 15.4.1:设Dxy,DuvD_{xy},D_{uv}是由逐段光滑曲线围成的有界闭区域,变换T:{x=x(u,v)y=y(u,v)T:\begin{cases}x=x(u,v)\\y=y(u,v)\end{cases}是Duv→DxyD_{uv}→D_{xy}的C1C^1同胚映射,且J=∂(x,y)∂(u,v)≠0J=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}≠0对∀(u,v)∈Duv\forall(u,v)\in D_{uv},f(x,y)∈R(Dxy)f(x,y)\in R(D_{xy}),则∬Dxyf(x,y)dxdy=∬Duvf(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv\iint_{D_{xy}}f(x,y)dxdy=\iint_{D_{uv}}f(x(u,v),y(u,v))|J|dudv。
  11. 广义重积分收敛的充要条件:设DD为区域,∀R>0\forall R>0,D∩{x2+y2<R2}D\cap\{x^2+y^2<R^2\}可测,f(x,y)f(x,y)在DD上内闭可积,则∬Df(x,y)dσ\iint_D f(x,y)d\sigma收敛⇔∬D∣f(x,y)∣dσ\Leftrightarrow\iint_D|f(x,y)|d\sigma收敛。
  12. 广义重积分的变量替换:设区域G,D⊂RnG,D\subset R^n,∀R>0\forall R>0,G∩BR,D∩BRG\cap B_R,D\cap B_R可测,同胚变换T∈C1(G)T\in C^1(G),G→DG→D,则∬Df(x,y)dxdy\iint_D f(x,y)dxdy与∬Gf(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv\iint_G f(x(u,v),y(u,v))|J|dudv同敛散,收敛时值相等。
  13. 矩形区域广义重积分的敛散性:设D={a<x<b,c<y<d}D=\{a<x<b,c<y<d\},f(x,y)f(x,y)在DD上内闭可积,则∫cddy∫ab∣f(x,y)∣dx\int_c^d dy\int_a^b|f(x,y)|dx收敛⇒∬Df(x,y)dσ\Rightarrow\iint_D f(x,y)d\sigma收敛且∬Df(x,y)dσ=∫cddy∫abf(x,y)dx\iint_D f(x,y)d\sigma=\int_c^d dy\int_a^b f(x,y)dx;∫abdx∫cd∣f(x,y)∣dy\int_a^b dx\int_c^d|f(x,y)|dy收敛⇒∬Df(x,y)dσ\Rightarrow\iint_D f(x,y)d\sigma收敛且∬Df(x,y)dσ=∫abdx∫cdf(x,y)dy\iint_D f(x,y)d\sigma=\int_a^b dx\int_c^d f(x,y)dy;其中一个发散则原积分发散。

4 第十六章 曲线积分与曲面积分#

4.1 定义#

  1. 第一型曲线积分:设Γ\Gamma是平面可求长曲线,f(x,y)f(x,y)在Γ\Gamma上有定义,若lim⁡λ→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δsi\lim_{\lambda→0}\sum_{i=1}^n f(\xi_i,\eta_i)\Delta s_i(对任意分割和取点都成立),则极限为f(x,y)f(x,y)在Γ\Gamma上的第一型曲线积分,记作∫Γf(x,y)ds\int_\Gamma f(x,y)ds,闭曲线时记作∮Γf(x,y)ds\oint_\Gamma f(x,y)ds;空间曲线的第一型曲线积分定义类似。
  2. 光滑曲线:参数式曲线{x=x(t)y=y(t)\begin{cases}x=x(t)\\y=y(t)\end{cases}(或空间曲线{x=x(t)y=y(t)z=z(t)\begin{cases}x=x(t)\\y=y(t)\\z=z(t)\end{cases}),满足x(t),y(t)x(t),y(t)(或x(t),y(t),z(t)x(t),y(t),z(t))∈C1[a,b]\in C^1[a,b]且x′(t)2+y′(t)2>0x'(t)^2+y'(t)^2>0(或x′(t)2+y′(t)2+z′(t)2>0x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2>0)。
  3. 第二型曲线积分:设有向连续线段Γ=AB\Gamma=AB,向量函数F⃗(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))\vec{F}(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))在Γ\Gamma上连续,若lim⁡∥Δ∥→0∑i=1n[P(ξi,ηi,ςi)Δxi+Q(ξi,ηi,ςi)Δyi+R(ξi,ηi,ςi)Δzi]\lim_{\|\Delta\|→0}\sum_{i=1}^n[P(\xi_i,\eta_i,\varsigma_i)\Delta x_i+Q(\xi_i,\eta_i,\varsigma_i)\Delta y_i+R(\xi_i,\eta_i,\varsigma_i)\Delta z_i](对任意分割和取点都成立),则极限为F⃗(x,y,z)\vec{F}(x,y,z)在Γ\Gamma上的第二型曲线积分,记作∫ABF⃗⋅ds⃗\int_{AB}\vec{F}\cdot d\vec{s}或∫ABPdx+Qdy+Rdz\int_{AB}Pdx+Qdy+Rdz。
  4. 第一型曲面积分:设函数f(x,y,z)f(x,y,z)在分片光滑的曲面∑\sum上有定义,若lim⁡λ→0∑i=1nf(xi,yi,zi)ΔSi\lim_{\lambda→0}\sum_{i=1}^n f(x_i,y_i,z_i)\Delta S_i(对任意分割和取点都成立),则极限为f(x,y,z)f(x,y,z)在∑\sum上的第一型曲面积分,记作\iint_\sum f(x,y,z)dS。
  5. 双侧曲面、单侧曲面:光滑曲面∑\sum上任取一点M0M_0,选定法向量朝向,若M0M_0连同法向量沿∑\sum上任意封闭曲线连续滑行一周后法向量方向不变,则∑\sum为双侧曲面;否则为单侧曲面。
  6. 第二型曲面积分:设∑⊂R3\sum\subset R^3是分片光滑双侧曲面,单位法向量n(x,y,z)n(x,y,z),向量函数F⃗(x,y,z)=(P,Q,R)\vec{F}(x,y,z)=(P,Q,R)在∑\sum上有定义,若lim⁡λ(T)→0∑i=1kF⃗(xi,yi,zi)⋅n⃗(xi,yi,zi)ΔSi\lim_{\lambda(T)→0}\sum_{i=1}^k\vec{F}(x_i,y_i,z_i)\cdot\vec{n}(x_i,y_i,z_i)\Delta S_i(对任意分割和取点都成立),则极限为第二型曲面积分,记作\iint_\sum\vec{F}\cdot\vec{n}dS或\iint_\sum P dydz+Q dzdx+R dxdy,闭曲面时记作\oiint_\sum\vec{F}\cdot\vec{n}dS。
  7. 平面单连通区域:平面连通区域DD,若DD内任一简单闭曲线的内部总包含在DD内,则DD为单连通区域。
  8. 空间单连通区域、线单连通区域:空间连通区域Ω\Omega,若Ω\Omega内任一简单闭曲线能收缩成Ω\Omega中一点,则Ω\Omega为单连通区域;若Ω\Omega内任何闭曲线都可以张成一张完全属于Ω\Omega的曲面,则Ω\Omega为线单连通区域。
  9. 边界正向:一个人沿着DD的边界曲线前进时,曲线所围区域总在他的左边,该方向为∂D\partial D的正向。
  10. 旋度、散度:向量函数F⃗(x,y,z)=(P,Q,R)\vec{F}(x,y,z)=(P,Q,R)的旋度rotF⃗=∇×F⃗=(∂R∂y−∂Q∂z,∂P∂z−∂R∂x,∂Q∂x−∂P∂y)rot\vec{F}=\nabla×\vec{F}=(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z},\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x},\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y});散度divF⃗=∇⋅F⃗=∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂zdiv\vec{F}=\nabla\cdot\vec{F}=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}。
  11. 调和函数、Laplace方程:设DD为区域,u(x,y)∈C2(D)u(x,y)\in C^2(D),若Δu=0\Delta u=0,则u(x,y)u(x,y)是DD上的调和函数,方程Δu=0\Delta u=0称为Laplace方程(调和方程)。

4.2 定理#

  1. 第一型曲线积分的存在性:当Γ\Gamma可求长且f(x,y)∈C(Γ)f(x,y)\in C(\Gamma)时,∫Γf(x,y)ds\int_\Gamma f(x,y)ds存在。
  2. 第一型曲线积分的计算(平面曲线):设Γ\Gamma为光滑曲线,参数方程{x=x(t)y=y(t)\begin{cases}x=x(t)\\y=y(t)\end{cases},t∈[a,b]t\in[a,b],f(x,y)∈C(Γ)f(x,y)\in C(\Gamma),则∫Γf(x,y)ds=∫abf(x(t),y(t))x′(t)2+y′(t)2dt\int_\Gamma f(x,y)ds=\int_a^b f(x(t),y(t))\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt。
  3. 第一型曲线积分的计算(空间曲线):设光滑曲线C:x=x(t),y=y(t),z=z(t)C: x=x(t),y=y(t),z=z(t),t∈[a,b]t\in[a,b],f(x,y,z)∈C(C)f(x,y,z)\in C(C),则∫Cf(x,y,z)ds=∫abf(x(t),y(t),z(t))x′(t)2+y′(t)2+z′(t)2dt\int_C f(x,y,z)ds=\int_a^b f(x(t),y(t),z(t))\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2}dt。
  4. 第一型曲线积分的性质:线性性(∫Γk1f+k2gds=k1∫Γfds+k2∫Γgds\int_\Gamma k_1f+k_2g ds=k_1\int_\Gamma f ds+k_2\int_\Gamma g ds);积分区域可加性(∫Γ1fds+∫Γ2fds=∫Γ1∪Γ2fds\int_{\Gamma_1}f ds+\int_{\Gamma_2}f ds=\int_{\Gamma_1\cup\Gamma_2}f ds);无向性(∫ABfds=∫BAfds\int_{AB}f ds=\int_{BA}f ds)。
  5. 第二型曲线积分的存在性与计算:设Γ=AB\Gamma=AB是光滑曲线,参数方程x=x(t),y=y(t),z=z(t)x=x(t),y=y(t),z=z(t),t∈[t0,t1]t\in[t_0,t_1](tt从t0t_0到t1t_1对应点从AA到BB),P,Q,R∈C(Γ)P,Q,R\in C(\Gamma),则∫ABPdx+Qdy+Rdz=∫t0t1[P(x(t),y(t),z(t))x′(t)+Q(x(t),y(t),z(t))y′(t)+R(x(t),y(t),z(t))z′(t)]dt\int_{AB}Pdx+Qdy+Rdz=\int_{t_0}^{t_1}[P(x(t),y(t),z(t))x'(t)+Q(x(t),y(t),z(t))y'(t)+R(x(t),y(t),z(t))z'(t)]dt。
  6. 第二型曲线积分的性质:线性性;积分区域可加性;有向性(∫ABF⃗⋅ds⃗=−∫BAF⃗⋅ds⃗\int_{AB}\vec{F}\cdot d\vec{s}=-\int_{BA}\vec{F}\cdot d\vec{s})。
  7. 第一型曲面积分的计算(显式曲面):设∑:z=z(x,y)\sum: z=z(x,y),(x,y)∈Dxy(x,y)\in D_{xy},则\iint_\sum f(x,y,z)dS=\iint_{D_{xy}}f(x,y,z(x,y))\sqrt{1+(\frac{\partial z}{\partial x})^2+(\frac{\partial z}{\partial y})^2}d\sigma_{xy}。
  8. 第一型曲面积分的计算(参数曲面):设∑:x=x(u,v),y=y(u,v),z=z(u,v)\sum: x=x(u,v),y=y(u,v),z=z(u,v),(u,v)∈Duv(u,v)\in D_{uv},r1⃗=(∂x∂u,∂y∂u,∂z∂u)\vec{r_1}=(\frac{\partial x}{\partial u},\frac{\partial y}{\partial u},\frac{\partial z}{\partial u}),r2⃗=(∂x∂v,∂y∂v,∂z∂v)\vec{r_2}=(\frac{\partial x}{\partial v},\frac{\partial y}{\partial v},\frac{\partial z}{\partial v}),则\iint_\sum f(x,y,z)dS=\iint_{D_{uv}}f(x(u,v),y(u,v),z(u,v))|\vec{r_1}×\vec{r_2}|d\sigma_{uv}。
  9. 第二型曲面积分的表达式:\iint_\sum\vec{F}\cdot\vec{n}dS=\iint_\sum P dydz+Q dzdx+R dxdy,其中dS=n⃗dS=(dydz,dzdx,dxdy)dS=\vec{n}dS=(dydz,dzdx,dxdy),dydz=cos⁡AdSdydz=\cos A dS,dzdx=cos⁡BdSdzdx=\cos B dS,dxdy=cos⁡CdSdxdy=\cos C dS(A,B,CA,B,C为法向量与坐标轴的夹角)。
  10. Green公式:设平面闭区域DD由有限条可求长简单闭曲线围成,∂D\partial D为DD的正向边界,P,Q∈C1(D)P,Q\in C^1(D),则∮∂DPdx+Qdy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dσ\oint_{\partial D}Pdx+Qdy=\iint_D(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y})d\sigma;特殊情况∮∂DPdx=−∬D∂P∂ydσ\oint_{\partial D}Pdx=-\iint_D\frac{\partial P}{\partial y}d\sigma,∮∂DQdy=∬D∂Q∂xdσ\oint_{\partial D}Qdy=\iint_D\frac{\partial Q}{\partial x}d\sigma。
  11. Gauss公式:设有界闭区域Ω⊂R3\Omega\subset R^3,边界曲面∂Ω\partial\Omega(外侧)分片光滑,P,Q,R,∂P∂x,∂Q∂y,∂R∂z∈C(Ω)P,Q,R,\frac{\partial P}{\partial x},\frac{\partial Q}{\partial y},\frac{\partial R}{\partial z}\in C(\Omega),则∯∂ΩF⃗⋅n⃗dS=∭ΩdivF⃗dv\oiint_{\partial\Omega}\vec{F}\cdot\vec{n}dS=\iiint_\Omega div\vec{F}dv。
  12. Stokes公式:设光滑双侧曲面∑\sum含于空间区域Ω\Omega,边界∂∑\partial\sum由有限条分段光滑曲线组成,∑\sum的正侧与∂∑\partial\sum的正向按右手法则取定,P,Q,R∈C1(Ω)P,Q,R\in C^1(\Omega),则\oint_{\partial\sum}Pdx+Qdy+Rdz=\iint_\sum(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z})dydz+(\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x})dzdx+(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y})dxdy,也可表示为\oint_{\partial\sum}Pdx+Qdy+Rdz=\iint_\sum\begin{vmatrix}\cos\alpha&\cos\beta&\cos\gamma\\\frac{\partial}{\partial x}&\frac{\partial}{\partial y}&\frac{\partial}{\partial z}\\P&Q&R\end{vmatrix}dS。
  13. 平面曲线积分与路径无关的等价条件:设DD为区域,P,Q∈C(D)P,Q\in C(D),则∀A,B∈D\forall A,B\in D,∫ABPdx+Qdy\int_{AB}Pdx+Qdy与路径无关⇔\Leftrightarrow对任意闭曲线C⊂DC\subset D,∮CPdx+Qdy=0⇔\oint_C Pdx+Qdy=0\Leftrightarrow存在可微函数u(x,y)u(x,y)使得du=Pdx+Qdydu=Pdx+Qdy;若DD为单连通区域且∂P∂y,∂Q∂x∈C(D)\frac{\partial P}{\partial y},\frac{\partial Q}{\partial x}\in C(D),则上述等价条件等价于∂P∂y=∂Q∂x\frac{\partial P}{\partial y}=\frac{\partial Q}{\partial x}对∀(x,y)∈D\forall(x,y)\in D成立。
  14. 空间曲线积分与路径无关的等价条件:设Ω\Omega是线单连通区域,P,Q,R∈C1(Ω)P,Q,R\in C^1(\Omega),F⃗=(P,Q,R)\vec{F}=(P,Q,R),则∀\forall闭曲线L⊂ΩL\subset\Omega,∮LPdx+Qdy+Rdz=0⇔∀A,B∈Ω\oint_L Pdx+Qdy+Rdz=0\Leftrightarrow\forall A,B\in\Omega,∫ABPdx+Qdy+Rdz\int_{AB}Pdx+Qdy+Rdz与路径无关⇔\Leftrightarrow存在uu使得du=Pdx+Qdy+Rdz⇔rotF⃗=0⇔F⃗du=Pdx+Qdy+Rdz\Leftrightarrow rot\vec{F}=0\Leftrightarrow\vec{F}是有势场(无旋场)。
  15. 曲面积分与曲面无关的等价条件:设P,Q,R∈C1(Ω)P,Q,R\in C^1(\Omega),则\iint_\sum P dydz+Q dzdx+R dxdy只与∂∑\partial\sum有关⇔\Leftrightarrow对任意闭曲面S⊂ΩS\subset\Omega,∯SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=0⇔divF⃗=0\oiint_S P dydz+Q dzdx+R dxdy=0\Leftrightarrow div\vec{F}=0(Ω\Omega为单连通区域)。
  16. 场论中的公式:Green公式∮∂Dv⃗⋅ds⃗=∬Drotv⃗dσ\oint_{\partial D}\vec{v}\cdot d\vec{s}=\iint_D rot\vec{v}d\sigma;Gauss公式∭Ωdivv⃗dv=∯∂Ωv⃗⋅n⃗dS\iiint_\Omega div\vec{v}dv=\oiint_{\partial\Omega}\vec{v}\cdot\vec{n}dS;Stokes公式\iint_\sum rot\vec{v}\cdot\vec{n}dS=\oint_{\partial\sum}\vec{v}\cdot d\vec{s}。
  17. 调和函数的积分公式:设闭区域DD由有限条逐段光滑曲线围成,u,v∈C2(D)u,v\in C^2(D),则∬DΔudσ=∮∂D∂u∂nds\iint_D\Delta u d\sigma=\oint_{\partial D}\frac{\partial u}{\partial n}ds;∬DvΔudσ=−∬D(∂u∂x∂v∂x+∂u∂y∂v∂y)dσ+∮∂Dv∂u∂nds\iint_D v\Delta u d\sigma=-\iint_D(\frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial v}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial v}{\partial y})d\sigma+\oint_{\partial D}v\frac{\partial u}{\partial n}ds;∬D(vΔu−uΔv)dσ=∮∂D(v∂u∂n−u∂v∂n)ds\iint_D(v\Delta u - u\Delta v)d\sigma=\oint_{\partial D}(v\frac{\partial u}{\partial n}-u\frac{\partial v}{\partial n})ds(Green第二公式)。

5 第十七章 含参变量积分#

5.1 定义#

  1. 含参变量定积分:I(x)=∫cdf(x,y)dyI(x)=\int_c^d f(x,y)dy(x∈[a,b]x\in[a,b]),其中f(x,y)f(x,y)在D=[a,b]×[c,d]D=[a,b]×[c,d]上定义。
  2. 含参变量广义积分:∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy(x∈[a,b]x\in[a,b])。
  3. 一致收敛:含参变量广义积分∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于xx在[a,b][a,b]上一致收敛,当且仅当∀ε>0\forall \varepsilon>0,∃A0>c\exists A_0>c,使得∀x∈[a,b]\forall x\in[a,b],∀A>A0\forall A>A_0,有∣∫A+∞f(x,y)dy∣<ε|\int_A^{+\infty} f(x,y)dy|<\varepsilon。
  4. Gamma函数(Γ\Gamma函数):Γ(s)=∫0+∞xs−1e−xdx\Gamma(s)=\int_0^{+\infty} x^{s-1}e^{-x}dx(s>0s>0)。
  5. Beta函数(BB函数):B(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1dxB(p,q)=\int_0^1 x^{p-1}(1 - x)^{q-1}dx(p,q>0p,q>0)。

5.2 定理#

  1. 含参变量定积分的连续性:设f(x,y)∈C(D=[a,b]×[c,d])f(x,y)\in C(D=[a,b]×[c,d]),则I(x)=∫cdf(x,y)dyI(x)=\int_c^d f(x,y)dy在[a,b][a,b]上连续;若h1(x),h2(x)∈C[a,b]h_1(x),h_2(x)\in C[a,b],则F(x)=∫h1(x)h2(x)f(x,y)dy∈C(D)F(x)=\int_{h_1(x)}^{h_2(x)}f(x,y)dy\in C(D)。
  2. 含参变量定积分的可微性:设f(x,y),fx′(x,y)∈C(D=[a,b]×[c,d])f(x,y),f_x'(x,y)\in C(D=[a,b]×[c,d]),则I(x)∈C1[a,b]I(x)\in C^1[a,b]且I′(x)=∫cdfx′(x,y)dyI'(x)=\int_c^d f_x'(x,y)dy;若h1(x),h2(x)∈C1[a,b]h_1(x),h_2(x)\in C^1[a,b],则J(x)=∫h1(x)h2(x)f(x,y)dy∈C1[a,b]J(x)=\int_{h_1(x)}^{h_2(x)}f(x,y)dy\in C^1[a,b]且J′(x)=∫h1(x)h2(x)fx′(x,y)dy−f(x,h1(x))h1′(x)+f(x,h2(x))h2′(x)J'(x)=\int_{h_1(x)}^{h_2(x)}f_x'(x,y)dy - f(x,h_1(x))h_1'(x)+f(x,h_2(x))h_2'(x)。
  3. 含参变量定积分的可积性:设f(x,y)∈C(D=[a,b]×[c,d])f(x,y)\in C(D=[a,b]×[c,d]),则对任意z∈[a,b]z\in[a,b],有∫az[∫cdf(x,y)dy]dx=∫cd[∫azf(x,y)dx]dy\int_a^z[\int_c^d f(x,y)dy]dx=\int_c^d[\int_a^z f(x,y)dx]dy。
  4. Dirichlet判别法:设1∘∃M>01^\circ\exists M>0,使得∣∫cAf(x,y)dy∣≤M|\int_c^A f(x,y)dy|≤M对∀A>c\forall A>c,∀x∈E\forall x\in E成立;2∘2^\circ对任意固定x∈Ex\in E,g(x,y)g(x,y)关于yy单调且g(x,y)→0g(x,y)→0(y→+∞y→+\infty,x∈Ex\in E),则∫c+∞f(x,y)g(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)g(x,y)dy关于x∈Ex\in E一致收敛。
  5. Abel判别法:设1∘∫c+∞f(x,y)dy1^\circ\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于x∈Ex\in E一致收敛;2∘2^\circ对任意固定x∈Ex\in E,g(x,y)g(x,y)关于yy单调且∃M>0\exists M>0使得∣g(x,y)∣≤M|g(x,y)|≤M对∀x∈E\forall x\in E,y∈[c,+∞)y\in[c,+\infty)成立,则∫c+∞f(x,y)g(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)g(x,y)dy关于x∈Ex\in E一致收敛。
  6. 含参变量广义积分的连续性:设f(x,y)f(x,y)在a≤x≤ba≤x≤b,c≤y<+∞c≤y<+\infty上连续,∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于x∈[a,b]x\in[a,b]一致收敛,则I(x)=∫c+∞f(x,y)dyI(x)=\int_c^{+\infty} f(x,y)dy在[a,b][a,b]上连续。
  7. 含参变量广义积分的可积性:设f(x,y)f(x,y)在a≤x≤ba≤x≤b,c≤y<+∞c≤y<+\infty上连续,∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于x∈[a,b]x\in[a,b]一致收敛,则∫ab[∫c+∞f(x,y)dy]dx=∫c+∞[∫abf(x,y)dx]dy\int_a^b[\int_c^{+\infty} f(x,y)dy]dx=\int_c^{+\infty}[\int_a^b f(x,y)dx]dy。
  8. 含参变量广义积分的可微性:设f(x,y),fx′(x,y)f(x,y),f_x'(x,y)在a≤x≤ba≤x≤b,y≥cy≥c上连续,存在x0∈[a,b]x_0\in[a,b]使得∫c+∞f(x0,y)dy\int_c^{+\infty} f(x_0,y)dy收敛,∫c+∞fx′(x,y)dy\int_c^{+\infty} f_x'(x,y)dy关于x∈[a,b]x\in[a,b]一致收敛到g(x)g(x),则I(x)=∫c+∞f(x,y)dyI(x)=\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于x∈[a,b]x\in[a,b]一致收敛且I′(x)=∫c+∞fx′(x,y)dyI'(x)=\int_c^{+\infty} f_x'(x,y)dy。
  9. 非负函数含参变量广义积分的一致收敛性:设f(x,y)f(x,y)在a≤x≤ba≤x≤b,y>cy>c上连续非负,∀x∈[a,b]\forall x\in[a,b],I(x)=∫c+∞f(x,y)dyI(x)=\int_c^{+\infty} f(x,y)dy收敛且I(x)∈C[a,b]I(x)\in C[a,b],则∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于x∈[a,b]x\in[a,b]一致收敛。
  10. 无穷限含参变量广义积分的交换次序:设f(x,y)f(x,y)在x≥ax≥a,y≥cy≥c上连续,∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy关于x∈[a,+∞)x\in[a,+\infty)内闭一致收敛,∫a+∞f(x,y)dx\int_a^{+\infty} f(x,y)dx关于y∈[c,+∞)y\in[c,+\infty)内闭一致收敛,且∫c+∞[∫a+∞f(x,y)dx]dy\int_c^{+\infty}[\int_a^{+\infty} f(x,y)dx]dy与∫a+∞[∫c+∞f(x,y)dy]dx\int_a^{+\infty}[\int_c^{+\infty} f(x,y)dy]dx有一个存在,则两者相等。
  11. 非负函数无穷限含参变量广义积分的交换次序:设f(x,y)f(x,y)在x≥ax≥a,y≥cy≥c上连续非负,∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infty} f(x,y)dy和∫a+∞f(x,y)dx\int_a^{+\infty} f(x,y)dx分别关于x,yx,y连续,且∫c+∞[∫a+∞f(x,y)dx]dy\int_c^{+\infty}[\int_a^{+\infty} f(x,y)dx]dy与∫a+∞[∫c+∞f(x,y)dy]dx\int_a^{+\infty}[\int_c^{+\infty} f(x,y)dy]dx有一个存在,则两者相等。
  12. Gamma函数的性质:Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1)=s\Gamma(s),从而Γ(n)=(n−1)!\Gamma(n)=(n-1)!(nn为正整数);Γ(s)=2∫0+∞x2s−1e−x2dx\Gamma(s)=2\int_0^{+\infty} x^{2s-1}e^{-x^2}dx;Γ(s)∈C∞(0,+∞)\Gamma(s)\in C^\infty(0,+\infty);Γ(s)\Gamma(s)是(0,+∞)(0,+\infty)内的严格凸函数。
  13. Beta函数的性质:B(p,q)=B(q,p)B(p,q)=B(q,p);B(p,q)=Γ(p)Γ(q)Γ(p+q)B(p,q)=\frac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}(p,q>0p,q>0);B(p,q)=2∫0π2cos⁡2p−1θsin⁡2q−1θdθB(p,q)=2\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^{2p-1}\theta\sin^{2q-1}\theta d\theta;B(p,q)=∫0+∞xq−1(1+x)p+qdxB(p,q)=\int_0^{+\infty} \frac{x^{q-1}}{(1+x)^{p+q}}dx(换元x=t1+tx=\frac{t}{1+t})。

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1.求 ∫(∑xi)2dx⃗\int \left( \sum x_{i} \right)^{2}\mathrm{d}\vec{x} 在 [0,1]n[0,1]^{n} 上的值,其中 dx⃗=dx1dx2⋯dxn\mathrm{d}\vec{x}=\mathrm{d}x_{1}\mathrm{d}x_{2}\cdots \mathrm{d}x_{n}。 2.求体积,第一卦限内,坐标平面和 z=x2+y2+1z = x^{2}+y^{2}+1, 2x+y=22x+y=2 所围立体。 3.证明连续性和任意开集的原像是开集的等价性 4.证明有界开区域,若一阶偏导连续,且任意两点间道路长度有界,则函数有界;并给出道路长度不有界时的反例 5.求 x3+y3+z3−2xyzx^{3}+y^{3}+z^{3}-2xyz 在单位球内(包括边界)的最大值和最小值

数学分析三
https://adreamleft.site/blog/mathematicsanalysis3
Author ADL
Published at November 3, 2025
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