多元函数的极限与连续
平面点集与多元函数
邻域与点集拓扑初步
R2 中的点记作 P=(x,y),两点 P1(x1,y1) 与 P2(x2,y2) 的距离为
ρ(P1,P2)=(x1−x2)2+(y1−y2)2
圆邻域:以 P0(x0,y0) 为中心、δ>0 为半径的圆邻域
U(P0,δ)={(x,y)∣ρ(P,P0)<δ}
方邻域:U□(P0,δ)={(x,y)∣∣x−x0∣<δ,∣y−y0∣<δ}。
两者拓扑等价(可通过 δ 的缩放互相包含),在定义极限时可不加区分。
去心邻域:U∘(P0,δ)=U(P0,δ)∖{P0}。
点与点集的关系
设 E⊆R2,P0∈R2。关于 E:
- 内点:若存在 δ>0 使 U(P0,δ)⊆E,则 P0 是 E 的内点。E 的全体内点记作 E∘。
- 外点:若存在 δ>0 使 U(P0,δ)∩E=∅,则 P0 是 E 的外点。
- 边界点:若对任意 δ>0,U(P0,δ) 既含 E 中的点又含非 E 中的点,则 P0 是 E 的边界点。E 的全体边界点记作 ∂E。
- 聚点(极限点/据点):若对任意 δ>0,U∘(P0,δ)∩E=∅,则 P0 是 E 的聚点。即 P0 的每个去心邻域内都含有 E 中的点。
- 聚点可能属于 E,也可能不属于 E。
- E 的全体聚点称为 E 的导集,记作 E′。
- 孤立点:若 P0∈E 且存在 δ>0 使 U(P0,δ)∩E={P0},则 P0 是 E 的孤立点。
- 孤立点一定属于 E,但一定不是聚点(是 E 的边界点)。
关系:Eˉ=E∪E′ 称为 E 的闭包。E 的内点 ⊂ E ⊂ Eˉ。
开集、闭集与区域
- 开集:若 E 中每一点都是 E 的内点(即 E=E∘),则 E 是开集。
- 闭集:若 E 包含了自身的全部聚点(即 E′⊆E),则 E 是闭集。
- 等价定义:E 的补集 R2∖E 是开集。
- 等价定义:E=Eˉ。
- 开域(区域):连通的开集称为开域或区域。连通指 E 中任意两点可用完全含于 E 内的折线连接。
- 闭域:开域连同它的边界,即 D∪∂D,其中 D 为开域。
- 有界集:存在 M>0 使 E⊆U(O,M)(原点为心的某圆内)。
区域必为开集,闭域必为闭集。“区域”一词在教材中有时泛指连通集(未必开)。
例 1(点集分类举例):
- E1={(x,y)∣x2+y2<1}:开集,区域,有界。∂E1 为单位圆周。
- E2={(x,y)∣x2+y2≤1}:闭集,闭域,有界。
- E3={(x,y)∣y>0}:开集,区域(上半平面),无界。
- E4={(0,0)}∪{(x,y)∣x2+y2≥1}:(0,0) 是孤立点。
R2 上的完备性定理
平面上与实数系中的完备性定理相平行,关键在于点列收敛的定义:
Pn→P0⟺ρ(Pn,P0)→0(n→∞)
1. 柯西收敛准则:点列 {Pn}⊆R2 收敛的充要条件是 {Pn} 为 Cauchy 列,即
∀ε>0,∃N∈N,∀m,n>N:ρ(Pm,Pn)<ε
2. 闭域套定理:设 {Dn} 是 R2 中一列非空闭域,满足
D1⊇D2⊇⋯⊇Dn⊇⋯,且diam(Dn)→0(n→∞)
其中 diam(Dn)=sup{ρ(P,Q)∣P,Q∈Dn} 为 Dn 的直径。则存在唯一的 P0∈R2 属于所有 Dn。
3. 聚点原理(Bolzano-Weierstrass 定理):R2 中任一有界无限点集至少有一个聚点。
等价表述:R2 中任一有界点列必存在收敛子列(列紧性)。
这三个定理是分析学在二维空间的基石,与实数完备性定理(确界原理、单调有界原理、区间套定理等)一一对应。
二元函数的定义 / n 元函数
二元函数:设 D⊆R2,映射 f:D→R 称为定义在 D 上的二元函数,记作 z=f(x,y) 或 f(P),D 为定义域。
n 元函数:更一般地,u=f(x1,x2,…,xn),定义域为 Rn 的某个子集。
- n 维空间:Rn={(x1,…,xn)∣xi∈R}。
- 距离:ρ(P,Q)=∑i=1n(xi−yi)2。
- 邻域、开集、闭集、极限、连续等概念均以这种方式自然推广至 n 维。
二元函数的极限
重极限(二重极限)
定义:设 f 在 P0(x0,y0) 的去心邻域上有定义,A 是一个确定的数。若
∀ε>0,∃δ>0,∀P:0<ρ(P,P0)<δ⇒∣f(P)−A∣<ε
则称 f 在 P0 处以 A 为极限,记作
(x,y)→(x0,y0)limf(x,y)=A或P→P0limf(P)=A
核心要求:P 沿任意路径趋近于 P0 时 f(P) 都趋于同一值 A。这是重极限与一元函数极限最根本的区别。
重极限存在的判别方法:
- 沿不同路径极限不等 ⇒ 重极限不存在(最常用的否定法)。
- 极坐标法:令 x=x0+rcosθ,y=y0+rsinθ,将 limP→P0 转化为 limr→0,若极限值与 θ 无关且存在,则重极限存在。
- 夹逼准则:若 0≤∣f(P)−A∣≤g(P) 且 limP→P0g(P)=0,则 limP→P0f(P)=A。
例 2(沿不同路径极限不同):讨论极限 (x,y)→(0,0)limx2+y2xy。
解:取路径 y=kx:
x→0limx2+k2x2x⋅kx=1+k2k
极限值随 k 变化,故重极限不存在。
例 3(极坐标法):求 (x,y)→(0,0)lim(x2+y2)sinx2+y21。
解:令 x=rcosθ,y=rsinθ,则
(x,y)→(0,0)limf(x,y)=r→0limr2sinr21=0
因为 r2→0 而 sinr21 有界(夹逼原理),故重极限 =0。
例 4(路径依赖——高阶情形):讨论 (x,y)→(0,0)limx4+y2x2y。
解:沿 y=kx:x→0limx4+k2x2kx3=x→0limx2+k2kx=0(与 k 无关),似乎极限存在。
但沿 y=x2:x→0limx4+x4x4=21。
两条路径极限不同,重极限不存在。此例警示:仅检验直线路径不够,还需考虑曲线路径。
累次极限(二次极限)
定义:固定 y,先求 x→x0 的极限,再对 y→y0 取极限:
y→y0limx→x0limf(x,y)(先 x 后 y 的累次极限)
同样定义先 y 后 x 的累次极限 x→x0limy→y0limf(x,y)。
重极限与累次极限的关系:两者是不同概念:
- 重极限存在 ⇒ 两个累次极限未必存在(例 3:lim(x,y)→(0,0)(x2+y2)sinx2+y21=0,但累次极限不存在,因 limx→0f(x,y) 对固定的 y 振荡无极限)。
- 两个累次极限存在且相等 ⇒ 重极限未必存在(例 2:x2+y2xy 的两个累次极限均为 0,但重极限不存在)。
- 充分条件:若重极限存在,且对每个固定的 y(或 x),内层一元极限存在,则相应的累次极限等于重极限。
重极限是”同时趋于”,累次极限是”先后趋于”——两者次序不可随意交换。
二元函数的连续性
连续性定义
定义:设 f 在 P0 的某邻域(含 P0)上有定义。若
P→P0limf(P)=f(P0)
则称 f 在 P0 处连续。若 f 在区域 D 的每一点均连续,则称 f 在 D 上连续,记作 f∈C(D)。
等价表述:∀ε>0,∃δ>0,当 ρ(P,P0)<δ 时有 ∣f(P)−f(P0)∣<ε。
增量形式:记 Δx=x−x0,Δy=y−y0,则全增量
Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)
连续性即 Δz→0(ρ→0)。
间断点:若 f 在 P0 处不连续,则 P0 为 f 的间断点。常见类型:
- 不存在极限(如例 2 中的 (0,0));
- 极限存在但不等于函数值(可去间断点);
- 沿某方向无定义。
连续函数的性质
设 f,g 在 P0 处连续,则 f±g,f⋅g,gf(g(P0)=0)均在 P0 处连续。复合函数的连续性:若 u=φ(x,y),v=ψ(x,y) 在 P0 处连续,且 f(u,v) 在对应点处连续,则 f(φ(x,y),ψ(x,y)) 在 P0 处连续。
以下定理是有界闭域上连续函数的经典性质(与一元函数完全对应):
1. 有界性与最大值最小值定理
若 f 在有界闭域 Dˉ 上连续,则:
- f 在 Dˉ 上有界;
- f 在 Dˉ 上必取得最大值与最小值(即 ∃P1,P2∈Dˉ 使 f(P1)=supDˉf,f(P2)=infDˉf)。
条件”有界闭域”缺一不可:开域上有界连续函数未必可取到最值(如 f(x,y)=1−x2−y2 在 x2+y2<1 上取不到最小值 0)。
2. 一致连续性定理(Cantor 定理)
若 f 在有界闭域 Dˉ 上连续,则 f 在 Dˉ 上一致连续,即
∀ε>0,∃δ>0,∀P,Q∈Dˉ:ρ(P,Q)<δ⇒∣f(P)−f(Q)∣<ε
其中 δ 只依赖于 ε 而不依赖于点的位置,这与普通连续性的 δ=δ(ε,P0) 形成对比。
3. 介值定理(中间值定理)
若 f 在连通集(区域)D 上连续,P1,P2∈D,f(P1)=f(P2),则对 f(P1) 与 f(P2) 之间的任意值 μ,存在 P∈D 使 f(P)=μ。
此即一元函数介值定理的二维推广——连续函数将连通集映为区间(R 中的连通集)。
例 5(介值定理的应用):证明方程 x2+y2+z2=xyz+1 在原点附近存在非零解。
(留作习题,提示:考虑 f(x,y,z)=x2+y2+z2−xyz−1 在球面上的符号。)
多元函数微分学
多元函数的可微性
可微性与全微分
设函数 z=f(x,y) 在点 P0(x0,y0) 的某邻域内有定义。
定义:若 f 在 P0 处的全增量可表为
Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)=AΔx+BΔy+o(ρ)(ρ→0)
其中 A,B 不依赖于 Δx,Δy,ρ=Δx2+Δy2,则称 f 在 P0 处可微。
线性主部 AΔx+BΔy 称为 f 在 P0 处的全微分,记作
dzP0=Adx+Bdy
其中 dx=Δx,dy=Δy。
几何意义:可微性等价于曲面 z=f(x,y) 在 P0 处存在不垂直于 z 轴的切平面,且
z−z0=A(x−x0)+B(y−y0)
恰好是切平面方程。o(ρ) 表示当点无限靠近 P0 时,曲面与切平面之间的差异是高于一阶的无穷小。
推广到 n 元:u=f(x1,…,xn) 在 P0 处可微 ⇔ Δu=∑i=1nAiΔxi+o(ρ),此时 du=∑Aidxi。
偏导数
定义:z=f(x,y) 在 (x0,y0) 处关于 x 的偏导数定义为
fx(x0,y0)=∂x∂f(x0,y0)=Δx→0limΔxf(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)
fy 类似定义。偏导数的计算就是将其他变量视为常数,按一元函数求导。
可微 ⇒ 偏导数存在:若 f 在 P0 处可微,则 A=fx(x0,y0),B=fy(x0,y0)。因此全微分又可写为
dz=∂x∂fdx+∂y∂fdy
偏导数存在 ⇏ 可微:偏导数存在只是可微的必要而非充分条件。
例 1(偏导数存在但不可微):
f(x,y)=⎩⎨⎧x2+y2xy,0,(x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0)
在 (0,0) 处:
fx(0,0)=Δx→0limΔxf(Δx,0)−0=Δx→0limΔx0=0
同理 fy(0,0)=0,两个偏导数均存在。但 f 在 (0,0) 处甚至不连续(沿 y=kx 趋近时极限为 1+k2k),故不可微。
可微性条件
必要条件:
- f 在 P0 处可微 ⇒ f 在 P0 处连续;
- f 在 P0 处可微 ⇒ fx,fy 存在(且 dz=fxdx+fydy)。
充分条件:若 fx,fy 在 P0 的某邻域内存在,且在 P0 处连续,则 f 在 P0 处可微。
判别流程:
- 先求 fx,fy,若在 P0 处连续 → 可微;
- 若不连续但存在 → 需按定义检验 ρ→0limρΔz−fxΔx−fyΔy=0 是否成立;
- 若 fx 或 fy 不存在 → 不可微。
例 2(可微性的直接验证):判断
f(x,y)=⎩⎨⎧(x2+y2)sinx2+y21,0,(x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0)
在 (0,0) 处的可微性。
解:先求偏导数在 (0,0) 处的值:
fx(0,0)=Δx→0limΔx(Δx)2sin(1/Δx2)−0=Δx→0limΔxsinΔx21=0
同理 fy(0,0)=0。再检验可微性:
ρΔz−0⋅Δx−0⋅Δy=ρρ2sin(1/ρ2)=ρsinρ21→0(ρ→0)
故 f 在 (0,0) 处可微。但 fx 在 (0,0) 处不连续(在其邻域内 fx 振荡无极限),说明偏导数连续是可微的充分非必要条件。
复合函数微分法
链式法则
设 z=f(u,v) 可微,而 u,v 本身又是其他自变量的函数。
情形 1:中间变量均为一元函数
z=f(u(t),v(t))
则 z 是 t 的一元函数,链式法则为
dtdz=∂u∂fdtdu+∂v∂fdtdv
全导数公式——每条从 z 到 t 的路径贡献一项乘积。
情形 2:中间变量均为多元函数
z=f(u(x,y),v(x,y))
∂x∂z=∂u∂f∂x∂u+∂v∂f∂x∂v,∂y∂z=∂u∂f∂y∂u+∂v∂f∂y∂v
情形 3:混合型(自变量既直接出现在外层函数中又作为中间变量)
z=f(x,y,u(x,y))
此时 x 以两种身份出现——外层直接变量和中间变量的自变量。链式法则需合并两条路径:
∂x∂z=∂x∂f+∂u∂f∂x∂u,∂y∂z=∂y∂f+∂u∂f∂y∂u
注意区分 ∂x∂z(全偏导数)与 ∂x∂f(将 x,y,u 都看作独立变量时对第一个位置的偏导)。
推广到更多变量:若 w=f(u1,…,um) 且 ui=ui(x1,…,xn),则
∂xj∂w=i=1∑m∂ui∂f∂xj∂ui(j=1,…,n)
链式法则例题
例 3(情形 1——全导数):设 z=eusinv,u=t2,v=lnt,求 dtdz。
链式法则:
dtdz=∂u∂zdtdu+∂v∂zdtdv=eusinv⋅2t+eucosv⋅t1=et2(2tsin(lnt)+tcos(lnt))
验证(直接代入):z=et2sin(lnt),求导后结果一致。
例 4(情形 2——二元中间变量):设 z=u2v+v3,u=x+y,v=xy,求 ∂x∂z,∂y∂z。
∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v=(2uv)⋅1+(u2+3v2)⋅y=2uv+y(u2+3v2)
∂y∂z=∂u∂z∂y∂u+∂v∂z∂y∂v=(2uv)⋅1+(u2+3v2)⋅x=2uv+x(u2+3v2)
例 5(情形 3——混合型):设 z=x2+y2+f(xy),其中 f 可导。求 ∂x∂z。
∂x∂z=2x+f′(xy)⋅y=2x+yf′(xy)
这里 x 既直接出现在 x2 中(外层),又出现在 f(xy) 的变量中(经过 u=xy 这条路径)。
例 6(三中间变量的全导数):设 w=f(x,y,z),而 x=cost,y=sint,z=t,求 dtdw。
dtdw=∂x∂f(−sint)+∂y∂f(cost)+∂z∂f⋅1
一阶全微分的形式不变性
结论:不论 u,v 是自变量还是中间变量(即其他自变量的函数),只要函数可微,一阶全微分的形式
dz=∂u∂zdu+∂v∂zdv
保持成立。二阶及更高阶的全微分不具有形式不变性。
推导:设 z=f(u,v),而 u=u(x,y),v=v(x,y)。
- 若视 u,v 为自变量:dz=zudu+zvdv。
- 若视 x,y 为自变量:由链式法则
dz=zxdx+zydy=(zuux+zvvx)dx+(zuuy+zvvy)dy
重新组合:
dz=zu(uxdx+uydy)+zv(vxdx+vydy)=zudu+zvdv
形式完全一致。
应用:全微分形式不变性使我们可以直接利用一元微分的运算法则:
d(u±v)=du±dv,d(uv)=udv+vdu,d(vu)=v2vdu−udv
在多元复合函数中对中间变量作微分运算,无需将中间变量展开为自变量。
方向导数与梯度
方向导数
设 f(P) 在 P0(x0,y0) 的某邻域内有定义,l=(cosα,cosβ) 为一单位方向向量(cos2α+cos2β=1)。
定义:f 在 P0 处沿方向 l 的方向导数定义为
∂l∂fP0=t→0+limtf(x0+tcosα,y0+tcosβ)−f(x0,y0)
若该极限存在,表示 f 在 P0 处沿 l 方向的变化率。
计算公式:若 f 在 P0 处可微,则对任意单位方向 l:
∂l∂fP0=fx(P0)cosα+fy(P0)cosβ
对于 n 元函数 u=f(x1,…,xn),沿单位方向 l=(cosα1,…,cosαn):
∂l∂f=i=1∑n∂xi∂fcosαi
注意:
- 方向导数与偏导数的关系:∂x∂f 是 l=(1,0) 时的方向导数;∂y∂f 是 l=(0,1) 时的方向导数。
- 方向导数是单侧极限(t→0+),同一方向的反方向的方向导数是原值的相反数,即 ∂(−l)∂f=−∂l∂f。
- 可微是方向导数可用公式 fxcosα+fycosβ 计算的充分条件。偏导数存在不足以保证沿任意方向的方向导数都存在(参见例 1 中 (0,0) 处)。
梯度
定义:可微函数 z=f(x,y) 在点 P0 处的梯度(gradient)定义为向量
gradf(P0)=∇f(P0)=(fx(P0),fy(P0))
n 元函数:∇f=(fx1,fx2,…,fxn)。
方向导数与梯度的关系:
∂l∂f=∇f⋅l=∣∇f∣cosθ
其中 θ 是 ∇f 与 l 的夹角。
梯度的基本性质:
- 方向导数的最大值:当 l 与 ∇f 同向(θ=0)时方向导数最大,值为 ∣∇f∣。因此 ∇f 的方向是函数增长最快的方向。
- 方向导数的最小值:当 l 与 ∇f 反向(θ=π)时方向导数最小,值为 −∣∇f∣。
- 沿等值线的方向:当 l 与 ∇f 垂直(θ=π/2)时方向导数为零——梯度方向垂直于等值线(f(x,y)=C 的切线方向)。
- 梯度是函数值变化最快的向量,其模长是最大方向导数。
梯度的运算法则(f,g 可微):
∇(f±g)=∇f±∇g,∇(fg)=g∇f+f∇g,∇(gf)=g2g∇f−f∇g
∇(h∘f)=h′(f)∇f(若 h 可导)
例 11(方向导数与梯度的计算):设 f(x,y)=x2+xy+y2,求 f 在点 (1,1) 处沿方向 l=(21,21) 的方向导数,并求该点处的最大方向导数。
解:
fx=2x+y,fy=x+2y
在 (1,1) 处:∇f=(3,3)。
沿 l 的方向导数:
∂l∂f=3⋅21+3⋅21=26=32
最大方向导数:∣∇f∣=32+32=32,沿 (1,1) 方向(即梯度方向)。
例 12(等值线的法向量):证明曲线 f(x,y)=C 在点 P0 处的法向量为 ∇f(P0)。
在 f(x,y)=C 两边沿切线方向 T 取方向导数:切线方向是等值线方向,函数值恒定,故 ∂T∂f=0,即 ∇f⋅T=0。因此 ∇f⊥T,梯度方向即法线方向。
泰勒公式与极值问题
高阶偏导数
二阶偏导数:z=f(x,y) 的四个二阶偏导数定义为
fxx=∂x∂(∂x∂f),fxy=∂y∂(∂x∂f),fyx=∂x∂(∂y∂f),fyy=∂y∂(∂y∂f)
Clairaut 定理:若 fxy 和 fyx 在 (x0,y0) 处连续,则
fxy(x0,y0)=fyx(x0,y0)
即混合偏导数在连续条件下与求导次序无关。在后面的讨论中,如无特别说明,均默认混合偏导数连续,从而 fxy=fyx。
算子记号:设 z=f(x,y) 的 k 阶偏导数均连续。引入算子:
(h∂x∂+k∂y∂)mf=i=0∑m(im)hm−iki∂xm−i∂yi∂mf
例如 m=2 时:
(h∂x∂+k∂y∂)2f=h2fxx+2hkfxy+k2fyy
二元函数的中值定理
设 f(x,y) 在凸区域 D 上可微,则对 D 内任意两点 (x0,y0) 与 (x0+h,y0+k),存在 θ∈(0,1) 使得
f(x0+h,y0+k)−f(x0,y0)=fx(x0+θh,y0+θk)⋅h+fy(x0+θh,y0+θk)⋅k
即
Δf=∇f(x0+θh,y0+θk)⋅(h,k)
推论:若 ∇f≡0 在区域 D 上成立,则 f 在 D 上为常数。
二元函数的泰勒公式
设 f(x,y) 在点 P0(x0,y0) 的邻域内有直到 n+1 阶连续偏导数。
n 阶 Taylor 展开(带 Lagrange 余项):
f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+(h∂x∂+k∂y∂)f(x0,y0)+2!1(h∂x∂+k∂y∂)2f(x0,y0)+⋯+n!1(h∂x∂+k∂y∂)nf(x0,y0)+Rn
其中 Rn=(n+1)!1(h∂x∂+k∂y∂)n+1f(x0+θh,y0+θk),θ∈(0,1)。
二阶展开(最常用):
f(x0+h,y0+k)=f(P0)+[fx(P0)h+fy(P0)k]+2!1[fxx(P0)h2+2fxy(P0)hk+fyy(P0)k2]+o(ρ2)
其中 ρ=h2+k2。
矩阵形式:令 r=(h,k)T,二阶展开可写为
f(P0+r)=f(P0)+∇f(P0)⋅r+21rTHf(P0)r+o(∣r∣2)
其中 Hf 为 Hesse 矩阵(见下文)。此形式与一元 Taylor 展开 f(x0+h)=f(x0)+f′(x0)h+21f′′(x0)h2+o(h2) 完全对应。
例 13(二阶 Taylor 展开):求 f(x,y)=ex+y 在 (0,0) 处的二阶 Taylor 展开。
解:f(0,0)=1。偏导数:
fx=ex+y,fy=ex+y⇒fx(0,0)=fy(0,0)=1
fxx=fxy=fyy=ex+y⇒fxx(0,0)=fxy(0,0)=fyy(0,0)=1
代入公式:
ex+y=1+(x+y)+21(x2+2xy+y2)+o(x2+y2)
注意到这正是 et 的一元展开中令 t=x+y 的结果,符合预期。
多元函数的极值问题
无条件极值
定义:若存在 P0 的某邻域,使得对该邻域内一切点 P 有 f(P)≥f(P0)(或 ≤),则称 P0 为 f 的极小值点(或极大值点)。
必要条件(一阶条件):若 f 在 P0 处可微且取得极值,则
∇f(P0)=0即fx1(P0)=⋯=fxn(P0)=0
满足 ∇f=0 的点称为驻点(或临界点)。极值点一定是驻点,但驻点未必是极值点。
Hesse 矩阵与充分条件
Hesse 矩阵:n 元函数 f 在 P0 处的 Hesse 矩阵为 n×n 对称矩阵
Hf(P0)=fx1x1fx2x1⋮fxnx1fx1x2fx2x2⋮fxnx2⋯⋯⋱⋯fx1xnfx2xn⋮fxnxnP0
由 Clairaut 定理(混合偏导数连续),Hf 是对称矩阵。
二阶充分条件:设 P0 是驻点(∇f(P0)=0),且 f 在 P0 的邻域内有二阶连续偏导数。记 H=Hf(P0)。
- 若 H 为正定矩阵 ⇒ P0 是严格极小值点;
- 若 H 为负定矩阵 ⇒ P0 是严格极大值点;
- 若 H 为不定矩阵 ⇒ P0 不是极值点(鞍点);
- 若 H 为半正定/半负定(退化) ⇒ 需用更高阶的 Taylor 展开或直接分析。
几何解释:由二阶 Taylor 展开,在驻点处 Δf≈21rTHr。H 的正负定性决定了在驻点附近 f 是”上凸”还是”下凸”的二次型。
二元函数的极值判别法
对 z=f(x,y),设 (x0,y0) 为驻点,记
A=fxx(x0,y0),B=fxy(x0,y0),C=fyy(x0,y0)
则 Hesse 矩阵为 H=(ABBC)。判别式:
Δ=detH=AC−B2
- 若 Δ>0 且 A>0 ⇒ 极小值点;
- 若 Δ>0 且 A<0 ⇒ 极大值点;
- 若 Δ<0 ⇒ 不是极值点(鞍点);
- 若 Δ=0 ⇒ 无法判定,需进一步分析。
此判别法等价于判断 2×2 对称矩阵的正负定性:Δ>0,A>0 ⇔ 正定;Δ>0,A<0 ⇔ 负定;Δ<0 ⇔ 不定。
例 14(二元极值判别):求 f(x,y)=x3−y3+3x2+3y2−9x 的极值。
解:先求驻点:
{fx=3x2+6x−9=3(x2+2x−3)=3(x+3)(x−1)=0fy=−3y2+6y=−3y(y−2)=0
驻点:x=−3 或 1,y=0 或 2,共四个:P1(−3,0),P2(−3,2),P3(1,0),P4(1,2)。
二阶偏导数:
A=fxx=6x+6,B=fxy=0,C=fyy=−6y+6
Δ=AC−B2=(6x+6)(−6y+6)
- P1(−3,0):A=−12<0,Δ=(−12)(6)=−72<0 ⇒ 鞍点,非极值。
- P2(−3,2):A=−12<0,Δ=(−12)(−6)=72>0 ⇒ 极大值点,fmax=f(−3,2)=−27−8+27+12+27=31。
- P3(1,0):A=12>0,Δ=(12)(6)=72>0 ⇒ 极小值点,fmin=f(1,0)=1−0+3+0−9=−5。
- P4(1,2):A=12>0,Δ=(12)(−6)=−72<0 ⇒ 鞍点,非极值。
例 15(三个变量的极值):求 f(x,y,z)=x2+y2+z2−xy+x−2z 的极值。
解:驻点方程:
⎩⎨⎧fx=2x−y+1=0fy=2y−x=0fz=2z−2=0
由第二式 x=2y,代入第一式:4y−y+1=0⇒3y=−1⇒y=−31,x=−32。由第三式 z=1。唯一驻点 P0(−32,−31,1)。
Hesse 矩阵:
H=fxxfyxfzxfxyfyyfzyfxzfyzfzz=2−10−120002
判断正定性(计算顺序主子式):
Δ1=2>0,Δ2=2−1−12=4−1=3>0,Δ3=detH=2⋅3=6>0
三个顺序主子式均 >0,H 正定 ⇒ P0 为严格极小值点。极小值:
fmin=94+91+1−92−32−2=93+1−32−2=31+1−32−2=−34
隐函数及其应用
隐函数的概念
隐函数的定义
设有方程 F(x,y)=0,若存在集合 I⊆R 与函数 y=f(x),使得对任意 x∈I 恒有
F(x,f(x))=0
则称 y=f(x) 是由方程 F(x,y)=0 所确定的隐函数。
与显函数的区别:显函数形如 y=f(x),自变量与因变量分离;隐函数由方程 F(x,y)=0 约束,x 与 y 的地位形式上对等,但未必能显式解出。
例 1(单位圆):方程 x2+y2−1=0,取 F(x,y)=x2+y2−1。
- 在 (0,1) 附近,Fy(0,1)=2=0,可解出 y=1−x2。
- 在 (1,0) 处,Fy(1,0)=0,切线竖直,无法将 y 表为 x 的(可微)函数;但 Fx(1,0)=2=0,可将 x 表为 y 的函数 x=1−y2。
- 在 (±1,0) 处恰是 Fy=0 的点,定理失效——能否解出隐函数取决于偏导数是否为零。
隐函数存在唯一性定理
设二元函数 F(x,y) 满足:
- F(x0,y0)=0(初始点在曲线上);
- F(x,y) 在点 (x0,y0) 的某邻域内有连续偏导数;
- Fy(x0,y0)=0。
则存在 x0 的某邻域 (x0−δ,x0+δ),在该邻域内由 F(x,y)=0 唯一确定了一个隐函数 y=f(x),满足 F(x,f(x))=0 且 f(x0)=y0。
几何意义:条件 Fy=0 意味着在 (x0,y0) 处曲线 F(x,y)=0 的切线不垂直于 x 轴,从而在该点附近可用 x 唯一地确定 y。若 Fy=0 但 Fx=0,则对调角色——可将 x 表为 y 的隐函数。
条件 Fy(x0,y0)=0 是关键——它保证了在 y 方向上方程可解。
隐函数的可微性定理
在上述存在定理的条件下,f(x) 在 x0 处可导,且
f′(x0)=−Fy(x0,y0)Fx(x0,y0)
更一般地,在邻域内:
dxdy=−FyFx
推导:对恒等式 F(x,f(x))=0 两边关于 x 求全导数(y 是 x 的函数),由链式法则得
Fx+Fy⋅f′(x)=0
由于 Fy=0,解得 f′(x)=−FyFx。
高阶导数:由 f′(x)=−Fy(x,f(x))Fx(x,f(x)) 可继续对 x 求导得到 f′′(x)。注意 Fx 和 Fy 既含 x 也含 y=f(x),求导时需用链式法则。
例 2:设方程 ey+xy−1=0 确定隐函数 y=y(x),求 y′(0)。
解:记 F(x,y)=ey+xy−1。
- 验证条件:F(0,0)=e0+0−1=0,初始点在曲线上。
- Fx=y,Fy=ey+x,在 (0,0) 处连续。
- Fy(0,0)=1=0,定理成立。
- 求导:
dxdy=−FyFx=−ey+xy
代入 (x,y)=(0,0) 得 y′(0)=−10=0。
例 3:方程 x3+y3−3axy=0(笛卡尔叶形线),求 dxdy。
解:F(x,y)=x3+y3−3axy。
- Fx=3x2−3ay,Fy=3y2−3ax
- dxdy=−FyFx=−3y2−3ax3x2−3ay=y2−axay−x2
当分母 y2−ax=0 时(即 Fy=0 处),导数不存在,此时切线竖直。
反函数存在性与其导数——从隐函数定理推导
设 y=f(x) 在 x0 的邻域内有连续导数且 f′(x0)=0。下面用隐函数定理给出反函数的存在性与可导性:
推导:
- 构造隐函数方程:令
G(x,y)=f(x)−y=0
点 (x0,y0) 满足 G(x0,y0)=f(x0)−y0=0,即 y0=f(x0)。
- 验证隐函数定理条件:
- G 在 (x0,y0) 附近有连续偏导数(因为 f 有连续导数)。
- Gx=f′(x),在 x0 处 Gx(x0,y0)=f′(x0)=0(已知条件)。
- Gy=−1=0(平凡满足)。
- 应用隐函数定理:由 Gx(x0,y0)=0,可将 x 解为 y 的隐函数,即存在 x=φ(y) 在 y0 附近满足 G(φ(y),y)=0,亦即 f(φ(y))=y。φ 就是 f 的反函数。
- 求反函数的导数:由隐函数求导公式(此时将 x 视作 y 的隐函数):
φ′(y0)=dydxy0=−GxGy(x0,y0)=−f′(x0)(−1)=f′(x0)1
即反函数导数等于原函数导数的倒数。
核心条件回顾:隐函数定理要求该方向的偏导数 =0。解出 y 是 x 的函数要求 Fy=0,而解出 x 是 y 的函数则要求 Fx=0(此处即 f′(x0)=0)。这正是反函数存在性的代数根源——一阶微分在直观上就是线性近似中的”斜率”不可为零。
隐函数组
以下讨论两个方程确定两个隐函数的情形。设有方程组
{F(x,y,u,v)=0G(x,y,u,v)=0
其中 x,y 为自变量,u,v 为由方程组确定的隐函数,即 u=u(x,y),v=v(x,y)。
隐函数组的存在定理
设 F,G 满足:
- F(P0)=G(P0)=0,其中 P0=(x0,y0,u0,v0);
- F,G 在 P0 的某邻域内有连续偏导数;
- 雅可比行列式(关于 u,v)在 P0 处不为零:
J=∂(u,v)∂(F,G)=FuGuFvGv=FuGv−FvGu=0
则在 (x0,y0) 的某邻域内存在唯一的隐函数组 u=u(x,y),v=v(x,y),满足方程组且 u(x0,y0)=u0,v(x0,y0)=v0。
雅可比矩阵 ∂(u,v)∂(F,G) 是 2×2 矩阵,J 为其行列式。J=0 保证了线性化后的方程组可解——这是对两个变量的自然推广:单个隐函数要求 Fy=0,隐函数组要求 J=0。
一阶偏导数公式——推导过程
将 u=u(x,y),v=v(x,y) 代入方程组:
F(x,y,u(x,y),v(x,y))≡0,G(x,y,u(x,y),v(x,y))≡0
Step 1:对 x 求偏导(y 固定,u,v 视为 x 的函数):
{Fx+Fu⋅ux+Fv⋅vx=0Gx+Gu⋅ux+Gv⋅vx=0
Step 2:写成矩阵形式,移项:
(FuGuFvGv)(uxvx)=−(FxGx)
Step 3:用 Cramer 法则求解。记 J=FuGuFvGv=0,则
ux=J−Fx−GxFvGv=−JFxGv−FvGx=−J1∂(x,v)∂(F,G)
vx=JFuGu−Fx−Gx=−JFuGx−FxGu=−J1∂(u,x)∂(F,G)
Step 4:同理对 y 求偏导(x 固定):
{Fy+Fu⋅uy+Fv⋅vy=0Gy+Gu⋅uy+Gv⋅vy=0
解得:
uy=−J1∂(y,v)∂(F,G),vy=−J1∂(u,y)∂(F,G)
汇总公式:
∂x∂u=−J1∂(x,v)∂(F,G),∂x∂v=−J1∂(u,x)∂(F,G)
∂y∂u=−J1∂(y,v)∂(F,G),∂y∂v=−J1∂(u,y)∂(F,G)
其中 ∂(x,v)∂(F,G)=FxGxFvGv 等。
记忆规律:对 x 求偏导时,将要求的隐函数变量对应的列替换为 x 的偏导数列,再除以 J 并取负号。求 ux 时替换第 1 列 (u-列);求 vx 时替换第 2 列 (v-列)。
利用全微分计算——矩阵运算全过程
对两个方程分别取全微分(将 u,v 视为因变量,x,y 为自变量):
{Fxdx+Fydy+Fudu+Fvdv=0Gxdx+Gydy+Gudu+Gvdv=0
Step 1:分出 du,dv 与 dx,dy,写成矩阵方程:
将含 du,dv 的项留在左边,dx,dy 的项移到右边:
(FuGuFvGv)(dudv)=−(FxGxFyGy)(dxdy)
记系数矩阵 J=(FuGuFvGv)。由存在定理 J=detJ=0,故 J 可逆。
Step 2:求 J−1。对于 2×2 矩阵:
J−1=J1(Gv−Gu−FvFu)
验证:JJ−1=J1(FuGv−FvGuGuGv−GvGu−FuFv+FvFu−GuFv+GvFu)=(1001) ✓
Step 3:两边左乘 J−1 解出 du,dv:
(dudv)=−J1(Gv−Gu−FvFu)(FxGxFyGy)(dxdy)
Step 4:计算矩阵乘积:
(Gv−Gu−FvFu)(FxGxFyGy)=(FxGv−FvGxFuGx−FxGuFyGv−FvGyFuGy−FyGu)
所以
(dudv)=−J1(FxGv−FvGxFuGx−FxGuFyGv−FvGyFuGy−FyGu)(dxdy)
即
(dudv)=−J1∂(x,v)∂(F,G)−J1∂(u,x)∂(F,G)−J1∂(y,v)∂(F,G)−J1∂(u,y)∂(F,G)(dxdy)
Step 5:与全微分公式比对,读出偏导数:
将上式与
du=∂x∂udx+∂y∂udy,dv=∂x∂vdx+∂y∂vdy
比对系数,即得与 Cramer 法则完全相同的结果:
∂x∂u=−J1∂(x,v)∂(F,G),∂x∂v=−J1∂(u,x)∂(F,G)
∂y∂u=−J1∂(y,v)∂(F,G),∂y∂v=−J1∂(u,y)∂(F,G)
全微分法的优势:不需要记忆四个公式,只需写出微分方程组,用矩阵求逆或消元法解出 du,dv,直接比对 dx,dy 的系数即可。在具体数值计算中尤为方便。
例 4(隐函数组求偏导):设方程组
{xu+yv=1xv−yu=0
确定隐函数 u=u(x,y),v=v(x,y)。求在点 (x,y,u,v)=(1,0,1,0) 处的全部一阶偏导数。
解:令 F=xu+yv−1,G=xv−yu。
先计算偏导数:
Fx=u,Fy=v,Fu=x,Fv=y
Gx=v,Gy=−u,Gu=−y,Gv=x
在点 (x,y,u,v)=(1,0,1,0) 处:
Fx=1,Fy=0,Fu=1,Fv=0
Gx=0,Gy=−1,Gu=0,Gv=1
雅可比行列式:
J=FuGuFvGv=1001=1=0
存在性满足。
代入公式:
∂x∂u=−11FxGxFvGv=−1001=−1
∂x∂v=−11FuGuFxGx=−1010=0
∂y∂u=−11FyGyFvGv=−0−101=0
∂y∂v=−11FuGuFyGy=−100−1=−(1⋅(−1)−0⋅0)=1
汇总:
∂x∂u=−1,∂x∂v=0,∂y∂u=0,∂y∂v=1
例 5(全微分法解题):用全微分法重做例 4。
对方程组两边取全微分:
{udx+xdu+vdy+ydv=0vdx+xdv−udy−ydu=0
代入 (x,y,u,v)=(1,0,1,0):
{1⋅dx+1⋅du+0⋅dy+0⋅dv=0⇒dx+du=00⋅dx+1⋅dv−1⋅dy−0⋅du=0⇒dv−dy=0
即 du=−dx,dv=dy。比对 du=uxdx+uydy,dv=vxdx+vydy 得:
ux=−1,uy=0,vx=0,vy=1
与公式法完全一致。
全微分法在具体数值点处计算非常简便——直接代值,消元即可。
反函数组与坐标变换——推导
设有变换
{u=u(x,y)v=v(x,y)
若在 P0(x0,y0) 处 u,v 有连续偏导数且雅可比行列式
∂(x,y)∂(u,v)=0
则在该点邻域内存在反变换 x=x(u,v),y=y(u,v),且反变换的雅可比行列式满足
∂(u,v)∂(x,y)⋅∂(x,y)∂(u,v)=1
推导:令 F(x,y,u,v)=u(x,y)−u=0,G(x,y,u,v)=v(x,y)−v=0,此时 u,v 为自变量,x,y 为隐函数。雅可比行列式(关于 x,y)为
∂(x,y)∂(F,G)=FxGxFyGy=uxvxuyvy=∂(x,y)∂(u,v)=0
由隐函数组存在定理,在 (u0,v0) 邻域内存在 x=x(u,v),y=y(u,v)。
两个雅可比行列式互为倒数的证明:由复合求导,恒等式 u(x(u,v),y(u,v))≡u 对 u 求偏导:
∂x∂u∂u∂x+∂y∂u∂u∂y=1,∂x∂u∂v∂x+∂y∂u∂v∂y=0
同理对 v:
∂x∂v∂u∂x+∂y∂v∂u∂y=0,∂x∂v∂v∂x+∂y∂v∂v∂y=1
写成矩阵:
(uxvxuyvy)(xuyuxvyv)=(1001)
两边取行列式即得 ∂(x,y)∂(u,v)⋅∂(u,v)∂(x,y)=1。
反函数组的一阶偏导数公式:由矩阵方程
(xuyuxvyv)=(uxvxuyvy)−1
记 Jf=∂(x,y)∂(u,v)=uxvy−uyvx=0,由 2×2 逆矩阵公式:
(xuyuxvyv)=Jf1(vy−vx−uyux)
即得到反函数组的全部一阶偏导数:
∂u∂x=Jfvy,∂v∂x=−Jfuy,∂u∂y=−Jfvx,∂v∂y=Jfux
注意分子分母的对应规律:∂u∂x 的分子是 vy(除去与 u 对应的 x 列和 u 行后”交叉”剩余元素),本质上就是 Cramer 法则通过伴随矩阵求逆的结果。
例 6(极坐标变换):x=rcosθ,y=rsinθ,求其反变换的雅可比行列式。
解:先算正向雅可比:
∂(r,θ)∂(x,y)=xryrxθyθ=cosθsinθ−rsinθrcosθ=rcos2θ+rsin2θ=r
当 r=0(即不在原点)时,∂(r,θ)∂(x,y)=0,存在反变换,且
∂(x,y)∂(r,θ)=r1
进一步,用反函数偏导数公式写出具体的偏导数。记 Jf=xryθ−xθyr=r,则
∂x∂r∂x∂θ=Jfyθ=rrcosθ=cosθ,=−Jfyr=−rsinθ,∂y∂r∂y∂θ=−Jfxθ=rrsinθ=sinθ=Jfxr=rcosθ
这些偏导数在微分方程、积分换元中频繁使用。
例 7(弦振动方程的坐标变换):设有一维波动方程(弦振动方程):
a2∂x2∂2φ=∂t2∂2φ(a>0),
其中 φ(x,t) 具有二阶连续偏导数。试问此方程在坐标变换
T:u=x+at,v=x−at
之下将变成何种形式?
解:视 u,v 为新自变量,φ 通过 u,v 依赖于 x,t。先算一阶偏导数:
∂x∂u=1,∂t∂u=a,∂x∂v=1,∂t∂v=−a
由链式法则:
∂x∂φ∂t∂φ=∂u∂φ∂x∂u+∂v∂φ∂x∂v=φu+φv=∂u∂φ∂t∂u+∂v∂φ∂t∂v=aφu−aφv
再求二阶偏导数。注意到 φu 和 φv 仍通过 (u,v) 依赖于 (x,t),求导时需继续用链式法则:
∂x2∂2φ=∂x∂(φu+φv)=(φuu⋅1+φuv⋅1)+(φvu⋅1+φvv⋅1)=φuu+2φuv+φvv
∂t2∂2φ=∂t∂(aφu−aφv)=a[(φuu⋅a+φuv⋅(−a))−(φvu⋅a+φvv⋅(−a))]=a2(φuu−2φuv+φvv)
代入原方程 a2φxx=φtt:
a2(φuu+2φuv+φvv)=a2(φuu−2φuv+φvv)
消去 a2,合并同类项:
4φuv=0
即
∂u∂v∂2φ=0
原二阶偏微分方程化为了极其简单的混合偏导数形式。由此可直接积分得到通解:
φ=f(u)+g(v)=f(x+at)+g(x−at)
其中 f,g 是任意二阶可微函数,此即 d’Alembert 公式(行波解)——f(x+at) 表示以速度 a 向左传播的波,g(x−at) 表示以速度 a 向右传播的波。
雅可比验证:该变换的雅可比行列式
∂(x,t)∂(u,v)=11a−a=−2a=0(a>0)
故变换可逆,(x,t) 与 (u,v) 之间是一一对应的坐标变换。
隐函数的几何应用
平面曲线的切线
设平面曲线由隐函数方程 F(x,y)=0 给出,P0(x0,y0) 是曲线上一点(F(P0)=0),且 F 在 P0 处有连续偏导数。
切向量:由隐函数求导公式 dxdy=−FyFx(设 Fy=0),切向量可取为
T=(1,−FyFx)∥(Fy,−Fx)
更对称的形式是将切向量取为 (Fy,−Fx),其与梯度 ∇F=(Fx,Fy) 的内积为零:
(Fx,Fy)⋅(Fy,−Fx)=FxFy−FyFx=0
切线方程:利用梯度与切线垂直的几何性质,切线方程为
Fx(x0,y0)(x−x0)+Fy(x0,y0)(y−y0)=0
法线方程:法线方向即梯度方向 (Fx,Fy):
Fx(x0,y0)x−x0=Fy(x0,y0)y−y0
若 Fy=0 而 Fx=0(切线竖直),则切线为 x=x0,法线为 y=y0。这与隐函数存在定理的条件恰好对应——Fy=0 时可把 y 看作 x 的函数来求切线斜率。
例 8(椭圆的切线):求椭圆 a2x2+b2y2=1 在点 (x0,y0) 处的切线方程。
令 F(x,y)=a2x2+b2y2−1=0。
Fx=a22x,Fy=b22y
切线方程:
a22x0(x−x0)+b22y0(y−y0)=0
化简得
a2x0x+b2y0y=a2x02+b2y02=1
即
a2x0x+b2y0y=1
空间曲线的切线与法平面
空间曲线通常作为两曲面的交线给出:
{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0
设 P0(x0,y0,z0) 在曲线上,F,G 在 P0 的邻域内有连续偏导数,且 ∇F 与 ∇G 在 P0 处不共线(保证两曲面在该点横截相交)。
切向量:曲线在 P0 处的切向量 T 同时与两曲面的法向量 ∇F,∇G 垂直,故 T∥∇F×∇G。
切向量公式:
T=∇F×∇G=iFxGxjFyGykFzGz=(∂(y,z)∂(F,G),∂(z,x)∂(F,G),∂(x,y)∂(F,G))
记 T=(m,n,p)。
法平面(过 P0 且以 T 为法向量):
m(x−x0)+n(y−y0)+p(z−z0)=0
切线方程:
mx−x0=ny−y0=pz−z0
若某个分母为零(如 p=0),则对应坐标恒为 z=z0。
方法一:隐函数法(约化为单参数)
若在 P0 处 ∂(y,z)∂(F,G)=0,由隐函数组存在定理,可从方程组中解出 y=y(x),z=z(x)。对 x 求导:
{Fx+Fyy′+Fzz′=0Gx+Gyy′+Gzz′=0
用 Cramer 法则解得
y′(x0)=−J1∂(x,z)∂(F,G),z′(x0)=−J1∂(y,x)∂(F,G)
其中 J=∂(y,z)∂(F,G)。以 x 为参数的切向量为 T=(1,y′(x0),z′(x0)),乘以 J 后恰与 ∇F×∇G 重合。
方法二:混合积法(直接外积)
直接计算 T=∇F×∇G,不必事先验证哪一个雅可比行列式不为零。步骤如下:
- 写出 ∇F=(Fx,Fy,Fz),∇G=(Gx,Gy,Gz);
- 计算三阶行列式得到 (m,n,p);
- 代入法平面和切线方程。
两种方法本质等价——隐函数法给出切向量的” (1,y′,z′) “表达,混合积法给出对称的 Jacobian 表达,后者在对称性强的题目中计算更直接。
例 9(空间曲线——球面与平面交线):求曲线
{x2+y2+z2=6x+y+z=0
在点 P0(1,1,−2) 处的切线方程与法平面方程。
解:令 F=x2+y2+z2−6,G=x+y+z。
混合积法:
∇F=(2x,2y,2z),∇G=(1,1,1)
在 P0(1,1,−2) 处:∇F=(2,2,−4),∇G=(1,1,1)。
T=∇F×∇G=i21j21k−41=i(2−(−4))−j(2−(−4))+k(2−2)=(6,−6,0)
取 T=(1,−1,0) 即可。
切线方程:
1x−1=−1y−1=0z+2
即 {x−1=−(y−1)z=−2,化简为 {x+y=2z=−2。
法平面方程(以 T=(1,−1,0) 为法向量):
1⋅(x−1)+(−1)⋅(y−1)+0⋅(z+2)=0
即 x−y=0。
曲面的切平面与法线
设曲面由隐函数方程 F(x,y,z)=0 给出,P0(x0,y0,z0) 为曲面上一点,且 F 在 P0 处有连续偏导数,∇F(P0)=0。
一般形式
法向量:梯度 ∇F=(Fx,Fy,Fz)。
切平面:
Fx(P0)(x−x0)+Fy(P0)(y−y0)+Fz(P0)(z−z0)=0
法线:
Fx(P0)x−x0=Fy(P0)y−y0=Fz(P0)z−z0
显函数形式 z=f(x,y)
令 F(x,y,z)=f(x,y)−z=0,则 Fx=fx,Fy=fy,Fz=−1。
切平面:
z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)
法线:
fx(x0,y0)x−x0=fy(x0,y0)y−y0=−1z−z0
显函数形式是一般隐函数形式的特例。法向量 (fx,fy,−1) 中 z 分量为 −1 是因为方程写成了 f(x,y)−z=0。
例 10(旋转抛物面):求曲面 z=x2+y2 在点 (1,1,2) 处的切平面与法线方程。
令 F(x,y,z)=x2+y2−z。
Fx=2x,Fy=2y,Fz=−1
在 (1,1,2) 处:∇F=(2,2,−1)。
切平面:
2(x−1)+2(y−1)−(z−2)=0⟹2x+2y−z=2
法线:
2x−1=2y−1=−1z−2
例 11(单位球面):求球面 x2+y2+z2=1 在点 P0(31,31,31) 处的切平面与法线。
令 F(x,y,z)=x2+y2+z2−1。在 P0 处:
∇F=(32,32,32)
切平面:
32(x−31)+32(y−31)+32(z−31)=0
化简得 x+y+z=3。
法线:1x=1y=1z,即 x=y=z(过原点且沿 (1,1,1) 方向的直线)。
条件极值
问题的提法
设目标函数 f 在开集 D⊆Rn 上有定义。要求在约束条件(也称约束方程)
gk(x1,…,xn)=0(k=1,…,m,m<n)
之下 f 的极值,称为条件极值(或约束极值),gk=0 称为约束曲面。
无条件极值是条件极值在 m=0 时的特例。条件极值的困难在于:f 的自变量并非在 Rn 的开子集上自由变动,而是限制在由约束方程确定的低维曲面上。
与隐函数定理的联系:若约束方程组的雅可比矩阵在极值点处满秩(rank=m),则隐函数定理保证该点附近 m 个变量可由其余 n−m 个变量表出,从而条件极值问题可约化为无约束极值。拉格朗日乘数法正是利用这一思想,但避免显式解出隐函数。
拉格朗日乘数法
一个约束条件的情形
求 f(x,y) 在 g(x,y)=0 下的极值。
几何直觉:约束曲线 g(x,y)=0 上,f 在极值点处沿切线方向的方向导数应为零,即 ∇f 与切线正交。而 ∇g 也正交于切线,故 ∇f∥∇g,即
∇f+λ∇g=0
其中 λ 为比例系数,称为拉格朗日乘数。
拉格朗日函数(Lagrange function / Lagrangian):
L(x,y,λ)=f(x,y)+λg(x,y)
其中 λ∈R 为辅助变量(未定乘数)。
极值必要条件:若 P0(x0,y0) 是条件极值点且 ∇g(P0)=0,则存在 λ0 使得 (x0,y0,λ0) 是 L 的驻点:
⎩⎨⎧Lx=fx+λgx=0Ly=fy+λgy=0Lλ=g(x,y)=0
三个方程解三个未知数 (x,y,λ)。解出的 (x,y) 即为条件极值的候选点。
多个约束条件的情形
求 f(x1,…,xn) 在 g1=⋯=gm=0 下的极值。
拉格朗日函数:
L(x1,…,xn,λ1,…,λm)=f+λ1g1+⋯+λmgm
驻点方程(n+m 个方程):
⎩⎨⎧∂xi∂L=∂xi∂f+k=1∑mλk∂xi∂gk=0∂λk∂L=gk=0(i=1,…,n)(k=1,…,m)
几何意义:∇f 落在 ∇g1,…,∇gm 张成的空间中,即
∇f=−k=1∑mλk∇gk
这表示沿约束曲面任何切方向的方向导数均为零。
典型例题
例 12(圆上线性函数的极值):求 f(x,y)=x+y 在 x2+y2=1 下的最大值与最小值。
解:令 L(x,y,λ)=x+y+λ(x2+y2−1)。
⎩⎨⎧Lx=1+2λx=0Ly=1+2λy=0Lλ=x2+y2−1=0⇒x=−2λ1⇒y=−2λ1
由前两式 x=y,代入约束方程:2x2=1⇒x=y=±21。
对应 λ=−2x1=∓21。
- P1(21,21):f=2(最大值)
- P2(−21,−21):f=−2(最小值)
几何意义:f=x+y 是平行直线族,与单位圆相切处取得极值,切点恰在 45∘ 线 y=x 上。
例 13(距离问题):求原点到平面 x+2y+3z=6 的最短距离。
解:等价于求 f(x,y,z)=x2+y2+z2 在 g(x,y,z)=x+2y+3z−6=0 下的最小值。
令 L=x2+y2+z2+λ(x+2y+3z−6)。
⎩⎨⎧Lx=2x+λ=0Ly=2y+2λ=0Lz=2z+3λ=0Lλ=x+2y+3z−6=0⇒x=−2λ⇒y=−λ⇒z=−23λ
将 x,y,z 用 λ 表出后代入约束:
(−2λ)+2(−λ)+3(−23λ)−6=0
−2λ−2λ−29λ−6=0⇒−7λ−6=0⇒λ=−76
回代得 x=73,y=76,z=79。
最短距离:x2+y2+z2=499+36+81=49126=718=7314。
例 14(最大体积——双约束):求长方体在约束 x+y+z=a 且 x,y,z>0 之下,体积 V=xyz 的最大值。
解:这是单约束问题。令 L=xyz+λ(x+y+z−a)。
⎩⎨⎧Lx=yz+λ=0Ly=xz+λ=0Lz=xy+λ=0Lλ=x+y+z−a=0
前两式给出 yz=xz,由 z>0 得 x=y。同理 y=z,故 x=y=z=3a。此时 Vmax=27a3。
几何意义:在固定三边和之下,正方体体积最大——这是均值不等式 xyz≤(3x+y+z)3 的几何印证。
例 15(球面与平面交线上的极值):求 f(x,y,z)=x2+y2+z2 在约束
{x+y+z=1x2+y2=1
下的极值。
解:双约束问题。令 L=x2+y2+z2+λ(x+y+z−1)+μ(x2+y2−1)。
⎩⎨⎧Lx=2x+λ+2μx=0Ly=2y+λ+2μy=0Lz=2z+λ=0Lλ=x+y+z−1=0Lμ=x2+y2−1=0(1)(2)(3)(4)(5)
由 (3) 得 λ=−2z。由 (5) 令 x=cost,y=sint 并代入 (4):z=1−cost−sint。
代入 (1):2cost−2(1−cost−sint)+2μcost=0。整理:
2cost−2+2cost+2sint+2μcost=0⇒(4+2μ)cost+2sint−2=0
由 (2) 类似:(4+2μ)sint+2cost−2=0。
两式相减:(4+2μ)(cost−sint)−2(cost−sint)=0⇒(2+2μ)(cost−sint)=0。
-
若 cost=sint,则由 x2+y2=1 得 x=y=±21。此时 z=1∓2,f=x2+y2+z2=1+(1∓2)2。
- x=y=21,z=1−2:f=1+(1−2)2=1+(3−22)=4−22
- x=y=−21,z=1+2:f=1+(1+2)2=1+(3+22)=4+22
-
若 μ=−1,代入 (1):2x−2z−2x=0⇒z=0,则 x+y=1。联立 x2+y2=1 与 x+y=1:
(x+y)2=1⇒x2+y2+2xy=1⇒1+2xy=1⇒xy=0
结合 x+y=1 得解 (x,y)=(1,0) 或 (0,1),此时 z=0,f=1。
综上比较:fmin=1(在 (1,0,0) 和 (0,1,0)),fmax=4+22(在 (−21,−21,1+2))。
含参量积分
含参量积分的定义
含参量常义积分
设二元函数 f(x,y) 定义在矩形 R=[a,b]×[c,d] 上。对每个固定的 y∈[c,d],f(x,y) 看作 x 的一元函数在 [a,b] 上可积,则其积分值随 y 变化,定义了一个含参量积分:
φ(y)=∫abf(x,y)dx,y∈[c,d]
同样可定义变上限的含参量积分:
Φ(u,y)=∫auf(x,y)dx
含参量积分将一个二元函数”压缩”为一元函数:y 作为参数进入被积函数,积分结果只依赖于 y。
连续性定理
若 f(x,y) 在矩形 R 上连续,则 φ(y)=∫abf(x,y)dx 在 [c,d] 上连续。
等价表述(极限与积分交换):
y→y0lim∫abf(x,y)dx=∫aby→y0limf(x,y)dx
相关:一致收敛的性质(连续性)
可积性定理
若 f(x,y) 在矩形 R 上连续,则 φ(y)=∫abf(x,y)dx 在 [c,d] 上可积,且积分次序可交换:
∫cdφ(y)dy=∫cd(∫abf(x,y)dx)dy=∫ab(∫cdf(x,y)dy)dx
此即常义积分的 Fubini 定理——连续函数在矩形上的二重积分与累次积分次序无关。
可微性定理(Leibniz 法则)
若 f(x,y) 及 fy(x,y) 在矩形 R 上连续,则 φ(y)=∫abf(x,y)dx 在 [c,d] 上可导,且求导与积分可交换:
φ′(y)=dyd∫abf(x,y)dx=∫ab∂y∂f(x,y)dx
一般形式(上下限也含参量):若 a(y),b(y) 可导,则
dyd∫a(y)b(y)f(x,y)dx=f(b(y),y)b′(y)−f(a(y),y)a′(y)+∫a(y)b(y)∂y∂fdx
含参量反常积分
含参量反常积分的定义
无穷区间情形:设 f(x,y) 定义在 [a,+∞)×[c,d] 上,对每个固定的 y∈[c,d],无穷积分收敛:
I(y)=∫a+∞f(x,y)dx=A→+∞lim∫aAf(x,y)dx
无界函数情形:设对固定的 y,f(x,y) 在 x=b 处瑕积分收敛:
I(y)=∫abf(x,y)dx=ε→0+lim∫ab−εf(x,y)dx
两者统称为含参量反常积分,y 为参量。
一致收敛的定义
定义:设对每个 y∈[c,d],含参量无穷积分 ∫a+∞f(x,y)dx 收敛于 I(y)。若
∀ε>0,∃A0≥a,∀A>A0,∀y∈[c,d]:∫A+∞f(x,y)dx<ε
则称该含参量反常积分关于 y∈[c,d] 一致收敛。
等价表述(Cauchy 准则):含参量反常积分关于 y∈[c,d] 一致收敛的充要条件是
∀ε>0,∃A0≥a,∀A1,A2>A0,∀y∈[c,d]:∫A1A2f(x,y)dx<ε
瑕积分情形(设 x=b 为瑕点):关于 y∈[c,d] 一致收敛的充要条件是
∀ε>0,∃η>0,∀η1,η2∈(0,η),∀y∈[c,d]:∫b−η1b−η2f(x,y)dx<ε
一致收敛的关键:公共的 A0(或 η)对所有 y 同时有效。逐点收敛中 A0 可依赖于 y。
一致收敛判别法
控制收敛判别法(Weierstrass / M-判别法)
若有函数 F(x) 满足
∣f(x,y)∣≤F(x),∀x∈[a,+∞),∀y∈[c,d]
且 ∫a+∞F(x)dx 收敛,则 ∫a+∞f(x,y)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛。
F(x) 称为 f(x,y) 的控制函数(优函数)。
此为最常用的一致收敛判别法——找到与 y 无关的强于 ∣f∣ 的可积函数即可。
例:证明 ∫0+∞1+x2sinxydx 关于 y∈R 一致收敛。
解:1+x2sinxy≤1+x21,而 ∫0+∞1+x2dx=2π 收敛,故一致收敛。
Dirichlet 判别法
设:
- ∫aAf(x,y)dx 关于 A 和 y 一致有界,即 ∃M>0,∀A≥a,∀y∈[c,d]:∫aAf(x,y)dx≤M;
- g(x) 单调趋于 0(x→+∞),且与 y 无关。
则 ∫a+∞f(x,y)g(x)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛。
这是 Dirichlet 判别法在含参量反常积分中的推广,关键在于 g(x) 与 y 无关。
例:证明 ∫1+∞xsinxydx 关于 y∈[δ,+∞)(δ>0)一致收敛。
解:取 f(x,y)=sinxy,g(x)=x1。对任意 A≥1,∫1Asinxydx=y1−cosAy≤δ2,一致有界;g(x) 单调趋于 0,与 y 无关。故由 Dirichlet 判别法知一致收敛。
Abel 判别法
设:
- ∫a+∞f(x,y)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛;
- g(x) 单调有界(与 y 无关)。
则 ∫a+∞f(x,y)g(x)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛。
一致收敛的性质(连续性)
连续性定理
若 f(x,y) 在 [a,+∞)×[c,d] 上连续,且 I(y)=∫a+∞f(x,y)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛,则 I(y) 在 [c,d] 上连续。
等价地,极限与积分可交换:
y→y0lim∫a+∞f(x,y)dx=∫a+∞y→y0limf(x,y)dx
对比常义积分情形,反常积分需要一致收敛才能保证极限与积分交换。
可积性定理
若 f(x,y) 在 [a,+∞)×[c,d] 上连续,且 ∫a+∞f(x,y)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛,则 I(y) 在 [c,d] 上可积,且积分次序可交换:
∫cd(∫a+∞f(x,y)dx)dy=∫a+∞(∫cdf(x,y)dy)dx
可微性定理
若 f(x,y) 及 fy(x,y) 在 [a,+∞)×[c,d] 上连续,且
- φ(y)=∫a+∞f(x,y)dx 在 [c,d] 上收敛;
- ∫a+∞fy(x,y)dx 关于 y∈[c,d] 一致收敛。
则 φ(y) 在 [c,d] 上可导,且求导与积分可交换:
φ′(y)=dyd∫a+∞f(x,y)dx=∫a+∞∂y∂f(x,y)dx
欧拉积分
Γ 函数(伽玛函数)
定义
Γ(s)=∫0+∞xs−1e−xdx,s>0
这是第二类欧拉积分。s≤0 时发散(x=0 处 xs−1 的瑕积分发散)。
Γ(s) 是含参量反常积分的经典例子——既有无穷区间又有瑕点(当 0<s<1 时 x=0 为瑕点)。
基本性质
1. 递推公式:Γ(s+1)=sΓ(s),s>0
推导:分部积分
Γ(s+1)=∫0+∞xse−xdx=[−xse−x]0+∞+s∫0+∞xs−1e−xdx=sΓ(s)
2. 与阶乘的关系:Γ(n+1)=n!(n∈N)
由递推公式和 Γ(1)=∫0+∞e−xdx=1 即得。Γ 函数是阶乘在正实数上的解析延拓。
3. 定义域延拓:利用递推公式 Γ(s)=sΓ(s+1),可将 Γ(s) 解析延拓到 C∖{0,−1,−2,…}。
其他常见形式
- 令 x=t2:Γ(s)=2∫0+∞t2s−1e−t2dt
- 令 x=pt(p>0):Γ(s)=ps∫0+∞ts−1e−ptdt
B 函数(贝塔函数)
定义
B(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1dx,p>0,q>0
这是第一类欧拉积分。当 p≥1 且 q≥1 时是常义积分;否则 x=0 或 x=1 为瑕点。
基本性质
1. 对称性:B(p,q)=B(q,p)
推导:作代换 t=1−x,积分限不变,p,q 互换。
2. 递推公式:
B(p+1,q)=p+qpB(p,q),B(p,q+1)=p+qqB(p,q)
3. 三角形式(令 x=sin2θ):
B(p,q)=2∫0π/2sin2p−1θcos2q−1θdθ
特例:
- B(1,1)=∫01dx=1
- B(21,21)=2∫0π/2dθ=π
4. 另一种常见形式(令 x=1+tt):
B(p,q)=∫0+∞(1+t)p+qtp−1dt
Γ 函数与 B 函数的关系
B(p,q)=Γ(p+q)Γ(p)Γ(q),p>0,q>0
推导思路:
- 用 Γ 函数的变形 Γ(p)=tp∫0+∞up−1e−tudu;
- 计算乘积 Γ(p)Γ(q),化为二重积分;
- 通过变量变换(u=xv/(1+x),t=1+x 等)转化为 B 函数的积分形式。
应用:将含 B 函数的问题转化为 Γ 函数问题(或反之),利用 Γ 函数的递推公式简化计算。
例:计算 ∫0π/2sin5θcos3θdθ。
解:利用 B 函数的三角形式,2p−1=5⇒p=3,2q−1=3⇒q=2。
I=21B(3,2)=21Γ(5)Γ(3)Γ(2)=21⋅4!2!⋅1!=21⋅242=241
曲线积分
第一型曲线积分
定义
设 L 为 R3 中一条可求长的曲线段,函数 f(x,y,z) 定义在 L 上。将 L 任意分割为 n 个小弧段 Δs1,Δs2,…,Δsn,在第 i 个小弧段上任取一点 (ξi,ηi,ζi),作积分和:
i=1∑nf(ξi,ηi,ζi)Δsi
若当分割的最大弧长 λ=max{Δsi}→0 时,该和的极限存在且与分割方式和取点无关,则称此极限为 f 沿曲线 L 的第一型曲线积分(对弧长的曲线积分),记作
∫Lf(x,y,z)ds
若 L 为平面曲线,则简化为 ∫Lf(x,y)ds。
物理意义:∫Lρ(x,y,z)ds 表示线密度为 ρ 的曲线型构件的质量。
性质
线性性质
对任意常数 α,β:
∫L[αf(x,y,z)+βg(x,y,z)]ds=α∫Lf(x,y,z)ds+β∫Lg(x,y,z)ds
分段可加性
若 L 由 L1 和 L2 首尾相接而成(L=L1+L2),则
∫Lfds=∫L1fds+∫L2fds
保序性
若在 L 上 f(x,y,z)≤g(x,y,z),则
∫Lfds≤∫Lgds
绝对值性质
∫Lfds≤∫Lfds
积分中值定理
若 f 在 L 上连续,则存在 (ξ,η,ζ)∈L,使得
∫Lf(x,y,z)ds=f(ξ,η,ζ)⋅l(L)
其中 l(L) 为曲线 L 的弧长。
计算方法
核心思想:将曲线积分化为定积分。
参数方程法(一般方法)
设空间曲线 L 有参数方程
⎩⎨⎧x=x(t)y=y(t)z=z(t)t∈[α,β]
且 x′(t),y′(t),z′(t) 在 [α,β] 上连续(或分段连续)。则弧微元为
ds=[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt
从而
∫Lf(x,y,z)ds=∫αβf(x(t),y(t),z(t))[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt
第一型曲线积分与曲线的方向无关(弧长不区分正向与反向),故积分限恒取 α→β(从小到大)。
直角坐标情形(y=y(x))
平面曲线 L:y=y(x),x∈[a,b],其中 y′(x) 连续。则 ds=1+[y′(x)]2dx:
∫Lf(x,y)ds=∫abf(x,y(x))1+[y′(x)]2dx
同理,若曲线表为 x=x(y),y∈[c,d],则 ds=1+[x′(y)]2dy。
极坐标情形
曲线 L:r=r(θ),θ∈[α,β],则
ds=[r(θ)]2+[r′(θ)]2dθ
∫Lf(x,y)ds=∫αβf(rcosθ,rsinθ)r2+[r′]2dθ
例 1:计算 ∫L(x+y)ds,其中 L 为连接 A(1,0) 与 B(0,1) 的直线段。
解:直线方程 x+y=1⇒y=1−x,x∈[0,1]。y′=−1,ds=1+1dx=2dx。
∫L(x+y)ds=∫01(x+1−x)⋅2dx=∫012dx=2
例 2:计算 ∫Lx2+y2ds,其中 L 为圆周 x2+y2=a2 的上半部分(y≥0)。
解:参数方程 x=acost,y=asint,t∈[0,π]。
ds=(−asint)2+(acost)2dt=adt
被积函数 x2+y2=a2=a(在上半圆上)。
∫Lx2+y2ds=∫0πa⋅adt=πa2
第二型曲线积分
定义
设 L 为 R3 中一条有向光滑曲线(给定了起点到终点的方向),向量函数
F(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))
定义在 L 上。将 L 沿指定方向分割为 n 个有向小弧段 Mi−1Mi,在第 i 段上任取一点 (ξi,ηi,ζi),记有向弧段的投影为 Δxi,Δyi,Δzi。作积分和:
i=1∑n[P(ξi,ηi,ζi)Δxi+Q(ξi,ηi,ζi)Δyi+R(ξi,ηi,ζi)Δzi]
当 λ=max{Δsi}→0 时极限存在,则称其为 F 沿有向曲线 L 的第二型曲线积分(对坐标的曲线积分),记作
∫LPdx+Qdy+Rdz
对于平面向量场 (P(x,y),Q(x,y)):
∫LPdx+Qdy
向量形式:
∫LF⋅dr=∫LPdx+Qdy+Rdz
其中 dr=(dx,dy,dz)。
物理意义:∫LF⋅dr 表示力场 F 沿曲线 L 对质点所作的功。
性质
线性性质
∫L(αF1+βF2)⋅dr=α∫LF1⋅dr+β∫LF2⋅dr
分段可加性
若 L=L1+L2(分段光滑),则
∫LF⋅dr=∫L1F⋅dr+∫L2F⋅dr
方向性(关键区别)
记 −L 为 L 的反向曲线,则
∫−LF⋅dr=−∫LF⋅dr
第二型曲线积分依赖方向:反向积分反号。这是与第一型曲线积分最根本的区别。
计算公式
核心:将曲线用参数表示,代入化为定积分。
设空间有向曲线 L 有参数方程
⎩⎨⎧x=x(t)y=y(t)z=z(t)t:α→β(α 对应起点,β 对应终点)
且 x′(t),y′(t),z′(t) 连续,则
∫LPdx+Qdy+Rdz=∫αβ[Px′(t)+Qy′(t)+Rz′(t)]dt
其中 P=P(x(t),y(t),z(t)) 等,即先将被积函数用参数表示,再乘以对应坐标的导数,最后按参数从起点到终点积分。
直角坐标情形(平面,y=y(x)):L:y=y(x),x:a→b,则
∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫ab[P(x,y(x))+Q(x,y(x))y′(x)]dx
注意:积分限 a→b 按 L 的方向取——从起点对应的 x 到终点对应的 x。
例 3:计算 ∫Lxdx+ydy,其中 L 为抛物线 y=x2 上从 (0,0) 到 (1,1) 的一段。
解:y=x2,y′=2x,x:0→1。
∫Lxdx+ydy=∫01[x+x2⋅2x]dx=∫01(x+2x3)dx=[2x2+2x4]01=21+21=1
例 4:计算 ∫L(x2−2xy)dx+(y2−2xy)dy,其中 L 为抛物线 y=1−x2 上从 (0,1) 到 (1,0) 的一段。
解:y=1−x2,y′=−2x,x:0→1。
∫L=∫01[(x2−2x(1−x2))+((1−x2)2−2x(1−x2))⋅(−2x)]dx=∫01[x2−2x+2x3−2x(1−2x2+x4)+4x3(1−x2)]dx=∫01[x2−2x+2x3−2x+4x3−2x5+4x3−4x5]dx=∫01(x2−4x+10x3−6x5)dx=[3x3−2x2+25x4−x6]01=31−2+25−1=−61
两类曲线积分的联系
设为光滑空间曲线 L,取弧长参数方向与 L 的指定方向一致。在 L 上每一点处,有向弧微元 dr=(dx,dy,dz) 与弧长微元 ds 的关系为
dr=Tds
其中 T=(cosα,cosβ,cosγ) 是曲线在指定方向上的单位切向量:
cosα=dsdx,cosβ=dsdy,cosγ=dsdz
因此第二型曲线积分可用第一型曲线积分表出:
∫LPdx+Qdy+Rdz=∫L(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)ds
向量形式:
∫LF⋅dr=∫L(F⋅T)ds
第二型曲线积分 = 向量场在切向方向的分量沿弧长的积分。它与方向有关正是因为 T 的符号随方向反转。
平面特例:若平面曲线 L:y=y(x),x:a→b(沿 x 增加方向),则
cosα=1+[y′(x)]21,cosβ=1+[y′(x)]2y′(x)
且 ds=1+[y′(x)]2dx,代入即回到定积分公式:
∫LPdx+Qdy=∫ab[P+Qy′]dx
重积分
第一节 二重积分的概念
平面图形的面积
设 D 为平面上的有界区域,取矩形 R=[a,b]×[c,d] 包含 D。用分点
a=x0<x1<⋯<xn=b,c=y0<y1<⋯<ym=d
将 R 分割为若干小矩形 Δσij,其面积为
ΔAij=ΔxiΔyj
对分割 P,定义内面积和与外面积和:
A∗(D,P)=Δσij⊆D∑ΔAij,A∗(D,P)=Δσij∩D=∅∑ΔAij
若当分割细度 λ=max{Δxi,Δyj}→0 时,
PsupA∗(D,P)=PinfA∗(D,P)=A(D)
则称 D 为可求面积区域,A(D) 为 D 的面积。
等价表述:有界平面区域 D 可求面积的充要条件是它的边界 ∂D 的面积为零。
常见情形:由分段光滑曲线围成的闭区域一定可求面积。
二重积分的定义
设 D 为平面上的有界可求面积区域,函数 f(x,y) 在 D 上有界。将 D 任意分割为 n 个小区域 Δσ1,Δσ2,…,Δσn,记其面积为 ΔAi,在第 i 个小区域上任取一点 (ξi,ηi),作积分和:
i=1∑nf(ξi,ηi)ΔAi
若当分割细度 λ=max{Δσi 的直径}→0 时,该和的极限存在且与分割方式、取点方式无关,则称此极限为 f 在 D 上的二重积分,记作
∬Df(x,y)dσ
其中 dσ 为平面面积元素,在直角坐标系中常写为 dσ=dxdy。
矩形区域情形:若 D=R=[a,b]×[c,d],则二重积分可看作二维区间上的 Riemann 积分:
∬Rf(x,y)dσ=λ→0limi,j∑f(ξij,ηij)ΔxiΔyj
几何意义:当 f(x,y)≥0 时,∬Df(x,y)dσ 表示以 D 为底、以曲面 z=f(x,y) 为顶的曲顶柱体体积。
二重积分的存在性
定理 1(连续函数可积):若 f(x,y) 在有界闭区域 D 上连续,则 f 在 D 上可积。
定理 2(有界且间断点面积为零):若 f(x,y) 在有界闭区域 D 上有界,且其不连续点集合的面积为零,则 f 在 D 上可积。
这说明二重积分允许“少量”间断点存在;只要间断点不占面积,就不影响可积性。
定理 3(改变零面积集上的函数值):若 f 在 D 上可积,且 g 与 f 只在面积为零的集合上不同,则 g 在 D 上也可积,并且
∬Dg(x,y)dσ=∬Df(x,y)dσ
边界上的函数值通常不影响二重积分,因为可求面积区域的边界面积为零。
二重积分的性质
线性性质
若 f,g 在 D 上可积,α,β 为常数,则 αf+βg 在 D 上可积,且
∬D[αf(x,y)+βg(x,y)]dσ=α∬Df(x,y)dσ+β∬Dg(x,y)dσ
区域可加性
若 D=D1∪D2,且 D1 与 D2 的公共部分面积为零,则
∬Df(x,y)dσ=∬D1f(x,y)dσ+∬D2f(x,y)dσ
常见情形:用一条曲线把区域分成两部分时,交界曲线面积为零,积分可直接相加。
保序性
若 f,g 在 D 上可积,且在 D 上 f(x,y)≤g(x,y),则
∬Df(x,y)dσ≤∬Dg(x,y)dσ
特别地,若 f(x,y)≥0,则
∬Df(x,y)dσ≥0
绝对值性质
若 f 在 D 上可积,则
∬Df(x,y)dσ≤∬Df(x,y)dσ
估值性质
若 f 在 D 上可积,且
m≤f(x,y)≤M
则
mA(D)≤∬Df(x,y)dσ≤MA(D)
其中 A(D) 为区域 D 的面积。
积分中值定理
若 f 在有界闭区域 D 上连续,则存在 (ξ,η)∈D,使得
∬Df(x,y)dσ=f(ξ,η)A(D)
等价地,
f(ξ,η)=A(D)1∬Df(x,y)dσ
右边称为 f 在区域 D 上的平均值。
面积公式
取 f(x,y)≡1,则
∬D1dσ=A(D)
这是二重积分最基本的几何应用:区域面积可写成 A(D)=∬Ddσ。
第二节 直角坐标系下二重积分的计算
二重积分与累次积分的转换
核心思想:把二重积分化为“先对一个变量积分,再对另一个变量积分”的累次积分。
若 f(x,y) 在矩形区域 R=[a,b]×[c,d] 上连续,则
∬Rf(x,y)dσ=∫ab(∫cdf(x,y)dy)dx=∫cd(∫abf(x,y)dx)dy
先 y 后 x:
∫abdx∫cdf(x,y)dy
表示先把 x 看作常数,对 y 积分,再对 x 积分。
先 x 后 y:
∫cddy∫abf(x,y)dx
表示先把 y 看作常数,对 x 积分,再对 y 积分。
对矩形区域,若 f 连续,两种积分次序可以互换。
X 型区域
若平面区域 D 可表示为
D={(x,y)∣a≤x≤b,φ1(x)≤y≤φ2(x)}
其中 φ1(x),φ2(x) 在 [a,b] 上连续,则称 D 为X 型区域。
几何意义:任取一条竖直直线 x=x0,它与区域 D 的交集通常是一条竖直线段:
φ1(x0)≤y≤φ2(x0)
若 f(x,y) 在 D 上连续,则
∬Df(x,y)dσ=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy)dx
简记为
∬Df(x,y)dxdy=∫abdx∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy
X 型区域适合“先对 y 积分,后对 x 积分”。
Y 型区域
若平面区域 D 可表示为
D={(x,y)∣c≤y≤d,ψ1(y)≤x≤ψ2(y)}
其中 ψ1(y),ψ2(y) 在 [c,d] 上连续,则称 D 为Y 型区域。
几何意义:任取一条水平直线 y=y0,它与区域 D 的交集通常是一条水平线段:
ψ1(y0)≤x≤ψ2(y0)
若 f(x,y) 在 D 上连续,则
∬Df(x,y)dσ=∫cd(∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx)dy
简记为
∬Df(x,y)dxdy=∫cddy∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx
Y 型区域适合“先对 x 积分,后对 y 积分”。
积分次序的选择
计算二重积分时,通常先画出积分区域 D,再判断它是 X 型还是 Y 型。
- 若用竖直线截区域时,上下边界容易表示为 y=φ1(x),y=φ2(x),则选 X 型区域,先对 y 积分。
- 若用水平线截区域时,左右边界容易表示为 x=ψ1(y),x=ψ2(y),则选 Y 型区域,先对 x 积分。
- 若一个区域既不是单纯 X 型也不是单纯 Y 型,可沿面积为零的曲线把区域分成若干小块,再分别积分。
- 若某种积分次序导致内层积分难以计算,可以考虑交换积分次序。
交换积分次序
同一个区域 D 有时既可用 X 型表示,也可用 Y 型表示。若
D={(x,y)∣a≤x≤b,φ1(x)≤y≤φ2(x)}
又可写成
D={(x,y)∣c≤y≤d,ψ1(y)≤x≤ψ2(y)}
则
∫abdx∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy=∫cddy∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx
例:设 D 为由 x 轴、直线 x=1 和直线 y=x 围成的三角形区域。
作为 X 型区域:
D={(x,y)∣0≤x≤1,0≤y≤x}
因此
∬Df(x,y)dσ=∫01dx∫0xf(x,y)dy
作为 Y 型区域:
D={(x,y)∣0≤y≤1,y≤x≤1}
因此
∬Df(x,y)dσ=∫01dy∫y1f(x,y)dx
同一个二重积分可以有两种累次积分写法,关键是正确写出积分区域的边界。
第三节 格林公式·曲线积分与路线的无关性
相关:第二节 直角坐标系下二重积分的计算
格林公式
设平面有界闭区域 D 的边界 L 由有限条分段光滑曲线组成,函数 P(x,y),Q(x,y) 在 D 上具有一阶连续偏导数。若 L 取正向,即沿 L 行走时区域 D 总在左侧,则
∮LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
这就是格林公式,也称格林积分公式。
方向约定:若 D 是单连通区域,正向边界通常为逆时针方向;若 D 有孔洞,则外边界取逆时针方向,内边界取顺时针方向。
格林公式的核心作用:把闭曲线上的第二型曲线积分转化为区域上的二重积分。
曲线积分与路线无关的条件
设 G 为平面区域,P(x,y),Q(x,y) 在 G 内连续可微。曲线积分
∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy
与路线无关,是指积分值只由起点和终点决定,而与连接它们的具体路径无关。
以下条件相互等价:
- 在 G 内,曲线积分与路线无关;
- 对 G 内任意闭曲线 C,都有
∮CPdx+Qdy=0
- 存在函数 u(x,y),使得
du=P(x,y)dx+Q(x,y)dy
即
∂x∂u=P(x,y),∂y∂u=Q(x,y)
若进一步要求 G 为单连通区域,则有重要判别条件:
∂x∂Q=∂y∂P
在 G 内处处成立时,曲线积分与路线无关。
必要条件总是成立:若存在原函数 u,则必有 ∂x∂Q=∂y∂P。
充分条件需要区域单连通:若 G 单连通且上述偏导条件成立,则曲线积分与路线无关。
利用格林公式理解路线无关性
若 C 是 G 内任意闭曲线,并且它围成区域 D⊂G,由格林公式:
∮CPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
若
∂x∂Q=∂y∂P
则右端二重积分为零,因此
∮CPdx+Qdy=0
所以曲线积分与路线无关。
在单连通区域中,“旋度为零” ∂x∂Q−∂y∂P=0 等价于曲线积分与路线无关。
由 P(x,y)dx+Q(x,y)dy 求原函数的方法
若 P,Q 满足路线无关条件,则存在原函数 u(x,y),使得
du=Pdx+Qdy
即
ux=P,uy=Q
取定点 (x0,y0)∈G,定义
u(x,y)=∫(x0,y0)(x,y)Pdx+Qdy
由于积分与路线无关,该定义良好。
常取折线路径:
(x0,y0)→(x,y0)→(x,y)
于是
u(x,y)=∫x0xP(t,y0)dt+∫y0yQ(x,t)dt+C
也可取另一条折线路径:
(x0,y0)→(x0,y)→(x,y)
得到
u(x,y)=∫y0yQ(x0,t)dt+∫x0xP(t,y)dt+C
例:求微分式
(2xy)dx+(x2+1)dy
的原函数。
这里
P=2xy,Q=x2+1
且
∂y∂P=2x,∂x∂Q=2x
所以满足路线无关条件。
先对 P 关于 x 积分:
u(x,y)=∫2xydx+φ(y)=x2y+φ(y)
再对 y 求偏导:
uy=x2+φ′(y)
令其等于 Q:
x2+φ′(y)=x2+1
所以
φ′(y)=1
积分得
φ(y)=y+C
因此原函数为
u(x,y)=x2y+y+C
若 Py=Qx,则该微分式一般不存在单值原函数,曲线积分通常与路线有关。
第四节 二重积分的变量变换
相关:第二节 直角坐标系下二重积分的计算
二重积分变量变换的定义
设平面区域 D 与 uv 平面中的区域 Δ 通过变换
{x=x(u,v)y=y(u,v)
一一对应。若 x(u,v),y(u,v) 在 Δ 上具有一阶连续偏导数,且雅可比行列式
J=∂(u,v)∂(x,y)=∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y=∂u∂x∂v∂y−∂v∂x∂u∂y
除边界或零面积集外不为零,则二重积分的变量变换公式为
∬Df(x,y)dxdy=∬Δf(x(u,v),y(u,v))∂(u,v)∂(x,y)dudv
核心思想:变量变换把复杂区域 D 和被积函数 f(x,y) 化为较简单的区域 Δ 和函数,同时面积元素要乘上雅可比行列式的绝对值。
面积元素变换为
dxdy=∂(u,v)∂(x,y)dudv
极坐标变换
极坐标变换为
{x=rcosθy=rsinθ
其雅可比行列式为
∂(r,θ)∂(x,y)=cosθsinθ−rsinθrcosθ=r
因此
dxdy=rdrdθ
若区域 D 在极坐标下可表示为
Δ={(r,θ)∣α≤θ≤β,r1(θ)≤r≤r2(θ)}
则
∬Df(x,y)dxdy=∫αβ∫r1(θ)r2(θ)f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ
适用情形:当积分区域含有圆、圆弧、扇形、圆环,或被积函数含有 x2+y2 时,常使用极坐标变换。
完整圆盘 x2+y2≤a2 对应
0≤r≤a,0≤θ≤2π
广义极坐标变换:椭圆变换
对于椭圆区域
a2(x−x0)2+b2(y−y0)2≤1
可作广义极坐标变换:
{x=x0+arcosθy=y0+brsinθ
其中 a,b>0。
其雅可比行列式为
∂(r,θ)∂(x,y)=acosθbsinθ−arsinθbrcosθ=abr
因此
dxdy=abrdrdθ
若 D 为上述椭圆区域,则对应
0≤r≤1,0≤θ≤2π
于是
∬Df(x,y)dxdy=∫02π∫01f(x0+arcosθ,y0+brsinθ)abrdrdθ
特殊情形:若椭圆中心在原点,则变换简化为
{x=arcosθy=brsinθ
对应区域
a2x2+b2y2≤1
椭圆区域可看作圆经过 x 方向伸缩 a 倍、y 方向伸缩 b 倍得到,因此面积元素中多出因子 abr。
椭圆区域面积公式
取 f(x,y)≡1,则椭圆
a2x2+b2y2≤1
的面积为
A=∬Ddxdy=∫02π∫01abrdrdθ=ab⋅2π⋅21=πab
圆的面积公式 A=πa2 是椭圆面积公式在 a=b 时的特例。
第五节 三重积分
三重积分的概念
设 Ω 为空间中的有界可求体积区域,函数 f(x,y,z) 在 Ω 上有界。将 Ω 任意分割为 n 个小区域 ΔV1,ΔV2,…,ΔVn,记其体积为 ΔVi,在第 i 个小区域上任取一点 (ξi,ηi,ζi),作积分和:
i=1∑nf(ξi,ηi,ζi)ΔVi
若当分割细度 λ→0 时,该和的极限存在且与分割方式、取点方式无关,则称此极限为 f 在 Ω 上的三重积分,记作
∭Ωf(x,y,z)dV
其中 dV 为空间体积元素,在直角坐标系中常写为 dV=dxdydz。
几何意义:当 f(x,y,z)≥0 时,三重积分可理解为以 Ω 为空间区域、以 f 为“体密度”的总量;特别地,
∭Ω1dV=V(Ω)
表示区域 Ω 的体积。
三重积分化为累次积分:先一后二
若空间区域 Ω 可表示为
Ω={(x,y,z)∣(x,y)∈D,z1(x,y)≤z≤z2(x,y)}
其中 D 是 xy 平面上的投影区域,则
∭Ωf(x,y,z)dV=∬D(∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz)dxdy
这种方法称为先一后二:先对 z 积分,再在投影区域 D 上作二重积分。
若 D 是 X 型区域:
D={(x,y)∣a≤x≤b,φ1(x)≤y≤φ2(x)}
则
∭ΩfdV=∫ab∫φ1(x)φ2(x)∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dzdydx
例:设 Ω 由抛物面 z=1−x2−y2 与平面 z=0 围成。投影区域为
D={(x,y)∣x2+y2≤1}
因此
∭Ωf(x,y,z)dV=∬x2+y2≤1∫01−x2−y2f(x,y,z)dzdxdy
若 f≡1,体积为
V=∬x2+y2≤1(1−x2−y2)dxdy=∫02π∫01(1−r2)rdrdθ=2π
三重积分化为累次积分:先二后一
若空间区域 Ω 可用垂直于 z 轴的截面表示为
Ω={(x,y,z)∣c≤z≤d,(x,y)∈Dz}
其中 Dz 是高度为 z 时的截面区域,则
∭Ωf(x,y,z)dV=∫cd(∬Dzf(x,y,z)dxdy)dz
这种方法称为先二后一:先在截面 Dz 上作二重积分,再对 z 积分。
例:设 Ω 为圆锥体
x2+y2≤z2,0≤z≤h
在高度 z 处的截面为圆盘
Dz={(x,y)∣x2+y2≤z2}
因此
∭Ωf(x,y,z)dV=∫0h∬x2+y2≤z2f(x,y,z)dxdydz
若 f≡1,体积为
V=∫0h∬x2+y2≤z2dxdydz=∫0hπz2dz=3πh3
先一后二适合“上下边界清楚”的区域;先二后一适合“截面形状简单”的区域。
三重积分的变量变换
设空间区域 Ω 与 uvw 空间中的区域 Δ 通过变换
⎩⎨⎧x=x(u,v,w)y=y(u,v,w)z=z(u,v,w)
一一对应。若雅可比行列式
J=∂(u,v,w)∂(x,y,z)=∂u∂x∂u∂y∂u∂z∂v∂x∂v∂y∂v∂z∂w∂x∂w∂y∂w∂z
除边界或零体积集外不为零,则
∭Ωf(x,y,z)dV=∭Δf(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))∂(u,v,w)∂(x,y,z)dudvdw
体积元素变换为
dV=dxdydz=∂(u,v,w)∂(x,y,z)dudvdw
柱坐标换元
柱坐标变换为
⎩⎨⎧x=rcosθy=rsinθz=z
其雅可比行列式为
∂(r,θ,z)∂(x,y,z)=cosθsinθ0−rsinθrcosθ0001=r
因此
dV=rdrdθdz
三重积分在柱坐标下为
∭Ωf(x,y,z)dV=∭Δf(rcosθ,rsinθ,z)rdrdθdz
适用情形:区域含有圆柱面、圆锥面、旋转抛物面,或被积函数含有 x2+y2 时,常使用柱坐标。
球坐标换元
取球坐标
⎩⎨⎧x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφ
其中 r≥0,φ 为与 z 轴正向的夹角,θ 为绕 z 轴的旋转角。其雅可比行列式为
∂(r,φ,θ)∂(x,y,z)=r2sinφ
因此
dV=r2sinφdrdφdθ
三重积分在球坐标下为
∭Ωf(x,y,z)dV=∭Δf(rsinφcosθ,rsinφsinθ,rcosφ)r2sinφdrdφdθ
若 Ω 为球体 x2+y2+z2≤R2,则对应
0≤r≤R,0≤φ≤π,0≤θ≤2π
因此
∭Ωf(x,y,z)dV=∫02π∫0π∫0Rf(rsinφcosθ,rsinφsinθ,rcosφ)r2sinφdrdφdθ
适用情形:区域含有球面、球锥、圆锥面,或被积函数含有 x2+y2+z2 时,常使用球坐标。
第六节 重积分的应用
曲面的面积
设曲面 S 由显式方程
z=z(x,y),(x,y)∈D
给出,且 zx,zy 连续。则曲面面积为
A(S)=∬D1+zx2+zy2dxdy
若曲面由参数方程
r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),(u,v)∈D
给出,则
A(S)=∬D∣ru×rv∣dudv
曲面面积公式的本质:把曲面切分成微小切平面,用切平面面积近似曲面面积。
质心
设空间物体占据区域 Ω,密度函数为 ρ(x,y,z)。其总质量为
M=∭Ωρ(x,y,z)dV
质心 (xˉ,yˉ,zˉ) 为
xˉ=M1∭Ωxρ(x,y,z)dV
yˉ=M1∭Ωyρ(x,y,z)dV
zˉ=M1∭Ωzρ(x,y,z)dV
若物体密度均匀,即 ρ 为常数,则
xˉ=V1∭ΩxdV,yˉ=V1∭ΩydV,zˉ=V1∭ΩzdV
其中 V=∭ΩdV 为物体体积。
若物体关于某平面对称且密度均匀,则质心在该对称平面上。
转动惯量
设空间物体占据区域 Ω,密度函数为 ρ(x,y,z)。物体绕坐标轴的转动惯量为
Ix=∭Ω(y2+z2)ρ(x,y,z)dV
Iy=∭Ω(x2+z2)ρ(x,y,z)dV
Iz=∭Ω(x2+y2)ρ(x,y,z)dV
其中 Iz 是绕 z 轴转动的转动惯量,积分中的 x2+y2 表示质点到 z 轴距离的平方。
若密度均匀,则 ρ 可提出积分号外。
转动惯量的核心:质量元乘以它到转轴距离的平方,再对整个物体积分。
引力
设空间物体占据区域 Ω,密度函数为 ρ(x,y,z)。求它对位于点
P0(x0,y0,z0)
处质量为 m0 的质点的引力。
取物体中的质量元
dm=ρ(x,y,z)dV
它到 P0 的距离平方为
r2=(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2
由万有引力定律,质量元对 m0 的引力方向沿 P0 指向质量元的反方向,因此引力向量为
F=Gm0∭Ωρ(x,y,z)[(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2]3/2(x0−x,y0−y,z0−z)dV
其中 G 为万有引力常量。
分量形式为
Fx=Gm0∭Ωρ(x,y,z)[(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2]3/2x0−xdV
Fy=Gm0∭Ωρ(x,y,z)[(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2]3/2y0−ydV
Fz=Gm0∭Ωρ(x,y,z)[(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2]3/2z0−zdV
若物体具有对称性,某些引力分量可能相互抵消,计算前应先判断对称性。
曲面积分
第一节 第一型曲面积分
定义
设 S 为空间中的一块光滑曲面,函数 f(x,y,z) 在 S 上有界。将 S 任意分割为 n 个小曲面片 ΔS1,ΔS2,…,ΔSn,记其面积为 ΔSi,在第 i 个小曲面片上任取一点 (ξi,ηi,ζi),作积分和:
i=1∑nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi
若当分割细度 λ→0 时,该和的极限存在且与分割方式、取点方式无关,则称此极限为 f 在曲面 S 上的第一型曲面积分(对面积的曲面积分),记作
∬Sf(x,y,z)dS
物理意义:若 f(x,y,z) 表示曲面的面密度,则
∬Sf(x,y,z)dS
表示该曲面的质量。
第一型曲面积分与曲面的方向无关,只与曲面本身和被积函数有关。
第一型曲面积分的计算
若曲面 S 由显式方程
z=z(x,y),(x,y)∈D
给出,且 zx,zy 连续,则
dS=1+zx2+zy2dxdy
因此
∬Sf(x,y,z)dS=∬Df(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2dxdy
若曲面 S 由参数方程
r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),(u,v)∈D
给出,则
dS=∣ru×rv∣dudv
因此
∬Sf(x,y,z)dS=∬Df(x(u,v),y(u,v),z(u,v))∣ru×rv∣dudv
简单例子
例 1:计算
∬SzdS
其中 S 为平面 z=x+y 在 0≤x≤1,0≤y≤1 上的部分。
这里
zx=1,zy=1
所以
dS=1+12+12dxdy=3dxdy
于是
∬SzdS=∬D(x+y)3dxdy=3∫01∫01(x+y)dxdy
计算得
∫01∫01(x+y)dxdy=∫01(21+y)dy=1
因此
∬SzdS=3
例 2:半径为 R 的球面面积为
∬S1dS=4πR2
这正是第一型曲面积分在 f≡1 时的几何意义:求曲面面积。
第二节 第二型曲面积分
曲面的侧
第二型曲面积分必须指定曲面的侧,也就是指定曲面的法向量方向。
常见情形:
- 曲面 z=z(x,y) 有上侧和下侧:
- 上侧:法向量的 z 分量为正;
- 下侧:法向量的 z 分量为负。
- 闭曲面有外侧和内侧:
- 外侧:法向量指向曲面外部;
- 内侧:法向量指向曲面内部。
若改变曲面的侧,第二型曲面积分变号:
∬−SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=−(∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy)
第一型曲面积分与方向无关,第二型曲面积分与方向有关。
第二型曲面积分的定义
设 S 为有向光滑曲面,向量场
F(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))
定义在 S 上。若 S 的单位法向量为
n=(cosα,cosβ,cosγ)
则第二型曲面积分定义为
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬SF⋅ndS
即
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬S(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS
物理意义:若 F 表示流速场,则第二型曲面积分表示单位时间内通过有向曲面 S 的流量。
第二型曲面积分的计算
参数曲面法
设曲面 S 由参数方程
r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),(u,v)∈D
给出,并取法向量方向为 ru×rv 的方向。则
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬DF(r(u,v))⋅(ru×rv)dudv
写成分量形式:
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬D[P∂(u,v)∂(y,z)+Q∂(u,v)∂(z,x)+R∂(u,v)∂(x,y)]dudv
其中
∂(u,v)∂(y,z)=yuzuyvzv
∂(u,v)∂(z,x)=zuxuzvxv
∂(u,v)∂(x,y)=xuyuxvyv
显式曲面法
若曲面 S 为
z=z(x,y),(x,y)∈D
并取上侧,则
ndS=(−zx,−zy,1)dxdy
因此
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬D[−Pzx−Qzy+R]dxdy
其中 P,Q,R 中的 z 都要替换为 z(x,y)。
若取下侧,则积分结果取相反数。
简单例子
例:计算
∬Sxdydz+ydzdx+zdxdy
其中 S 为平面
z=1−x−y
在第一卦限中的部分,取上侧。
投影区域为
D={(x,y)∣x≥0,y≥0,x+y≤1}
这里
zx=−1,zy=−1
且
P=x,Q=y,R=z=1−x−y
取上侧,因此
∬Sxdydz+ydzdx+zdxdy=∬D[−xzx−yzy+z]dxdy
代入得
−xzx−yzy+z=x+y+(1−x−y)=1
所以
∬Sxdydz+ydzdx+zdxdy=∬D1dxdy=A(D)=21
这个例子说明:第二型曲面积分的计算关键是确定曲面的侧,并正确代入法向量方向。
两类曲面积分的联系
设 S 为有向曲面,单位法向量为
n=(cosα,cosβ,cosγ)
则第二型曲面积分可以写成第一型曲面积分:
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬S(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS
向量形式:
∬SF⋅ndS
其中 F=(P,Q,R)。
第二型曲面积分 = 向量场在曲面法向量方向上的分量对面积的积分。
对于显式曲面 z=z(x,y),若取上侧,则
ndS=(−zx,−zy,1)dxdy
因此
∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬D(−Pzx−Qzy+R)dxdy
若改为下侧,则
ndS=(zx,zy,−1)dxdy
积分结果整体变号。
第一型曲面积分看“标量在曲面上的总量”,第二型曲面积分看“向量场穿过曲面的通量”。
第三节 高斯公式与斯托克斯公式
相关:第二节 第二型曲面积分
高斯公式
设 Ω 为空间中的有界闭区域,边界曲面 S 分片光滑,取外侧方向。若函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z) 在 Ω 上具有一阶连续偏导数,则
\unicode8751SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∭Ω(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dV
这就是高斯公式,也称高斯散度定理。
向量形式为
\unicode8751SF⋅ndS=∭Ω∇⋅FdV
其中
F=(P,Q,R),∇⋅F=∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R
高斯公式的核心:闭曲面上的通量等于区域内散度的体积分。
高斯公式例题
例:设 S 为球面 x2+y2+z2=R2 的外侧,计算
\unicode8751Sxdydz+ydzdx+zdxdy
这里
P=x,Q=y,R=z
因此
∂x∂P=1,∂y∂Q=1,∂z∂R=1
由高斯公式:
\unicode8751Sxdydz+ydzdx+zdxdy=∭Ω3dV
其中 Ω 为半径 R 的球体,体积为
V=34πR3
所以
\unicode8751Sxdydz+ydzdx+zdxdy=3⋅34πR3=4πR3
直接计算球面通量较麻烦,高斯公式可将其转化为球体体积计算。
斯托克斯公式
设 S 为分片光滑的有向曲面,边界曲线 L 取与 S 的法向量方向符合右手定则的正向。若 P,Q,R 在包含 S 的区域内具有一阶连续偏导数,则
∮LPdx+Qdy+Rdz=∬S(∂y∂R−∂z∂Q)dydz+(∂z∂P−∂x∂R)dzdx+(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
向量形式为
∮LF⋅dr=∬S(∇×F)⋅ndS
其中
F=(P,Q,R)
且
∇×F=(∂y∂R−∂z∂Q,∂z∂P−∂x∂R,∂x∂Q−∂y∂P)
斯托克斯公式的核心:向量场沿闭曲线的环量等于其旋度穿过曲面的通量。
斯托克斯公式例题
例:设 L 为圆周
x2+y2=a2,z=0
取从 z 轴正向看去的逆时针方向。计算
∮L−ydx+xdy
取 S 为圆盘
x2+y2≤a2,z=0
并取上侧,即单位法向量
n=(0,0,1)
这里
P=−y,Q=x,R=0
于是
∂x∂Q−∂y∂P=1−(−1)=2
由斯托克斯公式:
∮L−ydx+xdy=∬S2dS
圆盘面积为 πa2,因此
∮L−ydx+xdy=2πa2
斯托克斯公式允许我们选择以 L 为边界的任意合适曲面 S,只要方向匹配即可。