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

中的点记作 ,两点 的距离为

圆邻域:以 为中心、 为半径的圆邻域

方邻域

两者拓扑等价(可通过 的缩放互相包含),在定义极限时可不加区分。

去心邻域

点与点集的关系

。关于

  • 内点:若存在 使 ,则 的内点。 的全体内点记作
  • 外点:若存在 使 ,则 的外点。
  • 边界点:若对任意 既含 中的点又含非 中的点,则 的边界点。 的全体边界点记作
  • 聚点(极限点/据点):若对任意 ,则 的聚点。即 的每个去心邻域内都含有 中的点。
    • 聚点可能属于 ,也可能不属于
    • 的全体聚点称为 导集,记作
  • 孤立点:若 且存在 使 ,则 的孤立点。
    • 孤立点一定属于 ,但一定不是聚点(是 的边界点)。

关系 称为 闭包 的内点 ⊂

开集、闭集与区域

  • 开集:若 中每一点都是 的内点(即 ),则 是开集。
  • 闭集:若 包含了自身的全部聚点(即 ),则 是闭集。
    • 等价定义: 的补集 是开集。
    • 等价定义:
  • 开域(区域):连通的开集称为开域或区域。连通指 中任意两点可用完全含于 内的折线连接。
  • 闭域:开域连同它的边界,即 ,其中 为开域。
  • 有界集:存在 使 (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)

  • :开集,区域,有界。 为单位圆周。
  • :闭集,闭域,有界。
  • :开集,区域(上半平面),无界。
  • 是孤立点。

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:

1. 柯西收敛准则:点列 收敛的充要条件是 为 Cauchy 列,即

2. 闭域套定理:设 中一列非空闭域,满足

其中 的直径。则存在唯一的 属于所有

3. 聚点原理(Bolzano-Weierstrass 定理) 中任一有界无限点集至少有一个聚点。

等价表述: 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 / 元函数

二元函数:设 ,映射 称为定义在 上的二元函数,记作 为定义域。

元函数:更一般地,,定义域为 的某个子集。

  • 维空间
  • 距离
  • 邻域、开集、闭集、极限、连续等概念均以这种方式自然推广至 维。

二元函数的极限

重极限(二重极限)

定义:设 的去心邻域上有定义, 是一个确定的数。若

则称 处以 为极限,记作

核心要求 沿任意路径趋近于 都趋于同一值 。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

  1. 沿不同路径极限不等 ⇒ 重极限不存在(最常用的否定法)。
  2. 极坐标法:令 ,将 转化为 ,若极限值与 无关且存在,则重极限存在。
  3. 夹逼准则:若 ,则

例 2(沿不同路径极限不同):讨论极限

解:取路径

极限值随 变化,故重极限不存在

例 3(极坐标法):求

解:令 ,则

因为 有界(夹逼原理),故重极限

例 4(路径依赖——高阶情形):讨论

解:沿 (与 无关),似乎极限存在。

但沿

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 ,先求 的极限,再对 取极限:

同样定义先 的累次极限

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:,但累次极限不存在,因 对固定的 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: 的两个累次极限均为 ,但重极限不存在)。
  • 充分条件:若重极限存在,且对每个固定的 (或 ),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 的某邻域(含 )上有定义。若

则称 连续。若 在区域 的每一点均连续,则称 上连续,记作

等价表述,当 时有

增量形式:记 ,则全增量

连续性即

间断点:若 处不连续,则 的间断点。常见类型:

  • 不存在极限(如例 2 中的 );
  • 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

处连续,则 )均在 处连续。复合函数的连续性:若 处连续,且 在对应点处连续,则 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 在有界闭域 上连续,则:

  • 上有界;
  • 上必取得最大值与最小值(即 使 )。

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 上取不到最小值 )。

2. 一致连续性定理(Cantor 定理) 在有界闭域 上连续,则 一致连续,即

其中 只依赖于 不依赖于点的位置,这与普通连续性的 形成对比。

3. 介值定理(中间值定理) 在连通集(区域) 上连续,,则对 之间的任意值 ,存在 使

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( 中的连通集)。

例 5(介值定理的应用):证明方程 在原点附近存在非零解。

(留作习题,提示:考虑 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 在点 的某邻域内有定义。

定义:若 处的全增量可表为

其中 不依赖于 ,则称 可微

线性主部 称为 处的全微分,记作

其中

几何意义:可微性等价于曲面 处存在不垂直于 轴的切平面,且

恰好是切平面方程。 表示当点无限靠近 时,曲面与切平面之间的差异是高于一阶的无穷小。

推广到 处可微 ⇔ ,此时

偏导数

定义 处关于 的偏导数定义为

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 处可微,则 。因此全微分又可写为

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)

处:

同理 ,两个偏导数均存在。但 处甚至不连续(沿 趋近时极限为 ),故不可微。

可微性条件

必要条件

  • 处可微 ⇒ 处连续;
  • 处可微 ⇒ 存在(且 )。

充分条件:若 的某邻域内存在,且在 处连续,则 处可微。

判别流程

  1. 先求 ,若在 处连续 → 可微;
  2. 若不连续但存在 → 需按定义检验 是否成立;
  3. 不存在 → 不可微。

例 2(可微性的直接验证):判断

处的可微性。

解:先求偏导数在 处的值:

同理 。再检验可微性:

处可微。但 处不连续(在其邻域内 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

可微,而 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

的一元函数,链式法则为

全导数公式——每条从 的路径贡献一项乘积。

情形 2:中间变量均为多元函数

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)

此时 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:

注意区分 (全偏导数)与 (将 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 ,则

链式法则例题

例 3(情形 1——全导数):设 ,求

链式法则:

验证(直接代入):,求导后结果一致。

例 4(情形 2——二元中间变量):设 ,求

例 5(情形 3——混合型):设 ,其中 可导。求

这里 既直接出现在 中(外层),又出现在 的变量中(经过 这条路径)。

例 6(三中间变量的全导数):设 ,而 ,求

一阶全微分的形式不变性

结论:不论 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

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 ,而

  • 若视 为自变量:
  • 若视 为自变量:由链式法则 重新组合: 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:

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

的某邻域内有定义, 为一单位方向向量()。

定义 处沿方向 的方向导数定义为

若该极限存在,表示 处沿 方向的变化率。

计算公式:若 处可微,则对任意单位方向

对于 元函数 ,沿单位方向

注意

  • 方向导数与偏导数的关系: 时的方向导数; 时的方向导数。
  • 方向导数是单侧极限(),同一方向的反方向的方向导数是原值的相反数,即
  • 可微是方向导数可用公式 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 处)。

梯度

定义:可微函数 在点 处的梯度(gradient)定义为向量

元函数:

方向导数与梯度的关系

其中 的夹角。

梯度的基本性质

  1. 方向导数的最大值:当 同向()时方向导数最大,值为 。因此 的方向是函数增长最快的方向。
  2. 方向导数的最小值:当 反向()时方向导数最小,值为
  3. 沿等值线的方向:当 垂直()时方向导数为零——梯度方向垂直于等值线( 的切线方向)。
  4. 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 可微):

例 11(方向导数与梯度的计算):设 ,求 在点 处沿方向 的方向导数,并求该点处的最大方向导数。

解:

处:

沿 的方向导数:

最大方向导数:,沿 方向(即梯度方向)。

例 12(等值线的法向量):证明曲线 在点 处的法向量为

两边沿切线方向 取方向导数:切线方向是等值线方向,函数值恒定,故 ,即 。因此 ,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 的四个二阶偏导数定义为

Clairaut 定理:若 处连续,则

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

算子记号:设 阶偏导数均连续。引入算子:

例如 时:

二元函数的中值定理

在凸区域 上可微,则对 内任意两点 ,存在 使得

推论:若 在区域 上成立,则 上为常数。

二元函数的泰勒公式

在点 的邻域内有直到 阶连续偏导数。

阶 Taylor 展开(带 Lagrange 余项):

其中

二阶展开(最常用):

其中

矩阵形式:令 ,二阶展开可写为

其中 为 Hesse 矩阵(见下文)。此形式与一元 Taylor 展开 完全对应。

例 13(二阶 Taylor 展开):求 处的二阶 Taylor 展开。

解:。偏导数:

代入公式:

注意到这正是 的一元展开中令 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 的某邻域,使得对该邻域内一切点 (或 ),则称 的极小值点(或极大值点)。

必要条件(一阶条件):若 处可微且取得极值,则

满足 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 元函数 处的 Hesse 矩阵为 对称矩阵

由 Clairaut 定理(混合偏导数连续), 是对称矩阵。

二阶充分条件:设 是驻点(),且 的邻域内有二阶连续偏导数。记

  1. 正定矩阵 ⇒ 严格极小值点
  2. 负定矩阵 ⇒ 严格极大值点
  3. 不定矩阵 ⇒ 不是极值点(鞍点);
  4. 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 的正负定性决定了在驻点附近 是”上凸”还是”下凸”的二次型。

二元函数的极值判别法

,设 为驻点,记

则 Hesse 矩阵为 。判别式:

  • ⇒ 极小值点;
  • ⇒ 极大值点;
  • ⇒ 不是极值点(鞍点);
  • ⇒ 无法判定,需进一步分析。

此判别法等价于判断 对称矩阵的正负定性: ⇔ 正定; ⇔ 负定; ⇔ 不定。

例 14(二元极值判别):求 的极值。

解:先求驻点:

驻点:,共四个:

二阶偏导数:

  • ⇒ 鞍点,非极值。
  • ⇒ 极大值点,
  • ⇒ 极小值点,
  • ⇒ 鞍点,非极值。

例 15(三个变量的极值):求 的极值。

解:驻点方程:

由第二式 ,代入第一式:。由第三式 。唯一驻点

Hesse 矩阵:

判断正定性(计算顺序主子式):

三个顺序主子式均 正定 ⇒ 为严格极小值点。极小值:

隐函数及其应用

隐函数的概念

隐函数的定义

设有方程 ,若存在集合 与函数 ,使得对任意 恒有

则称 是由方程 所确定的隐函数

与显函数的区别:显函数形如 ,自变量与因变量分离;隐函数由方程 约束, 的地位形式上对等,但未必能显式解出。

例 1(单位圆):方程 ,取

  • 附近,,可解出
  • 处,,切线竖直,无法将 表为 的(可微)函数;但 ,可将 表为 的函数
  • 处恰是 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 满足:

  1. (初始点在曲线上);
  2. 在点 的某邻域内有连续偏导数;

则存在 的某邻域 ,在该邻域内由 唯一确定了一个隐函数 ,满足

几何意义:条件 意味着在 处曲线 的切线不垂直于 轴,从而在该点附近可用 唯一地确定 。若 ,则对调角色——可将 表为 的隐函数。

条件 是关键——它保证了在 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, 处可导,且

更一般地,在邻域内:

推导:对恒等式 两边关于 求全导数( 的函数),由链式法则得

由于 ,解得

高阶导数:由 可继续对 求导得到 。注意 既含 也含 ,求导时需用链式法则。

例 2:设方程 确定隐函数 ,求 。 解:记

  • 验证条件:,初始点在曲线上。
  • ,在 处连续。
  • ,定理成立。
  • 求导: 代入

例 3:方程 (笛卡尔叶形线),求 。 解:

  • 当分母 时(即 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

的邻域内有连续导数且 。下面用隐函数定理给出反函数的存在性与可导性:

推导

  1. 构造隐函数方程:令 满足 ,即
  2. 验证隐函数定理条件
    • 附近有连续偏导数(因为 有连续导数)。
    • ,在 (已知条件)。
    • (平凡满足)。
  3. 应用隐函数定理:由 ,可将 解为 的隐函数,即存在 附近满足 ,亦即 就是 的反函数。
  4. 求反函数的导数:由隐函数求导公式(此时将 视作 的隐函数): 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 。解出 的函数要求 ,而解出 的函数则要求 (此处即 )。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

其中 为自变量, 为由方程组确定的隐函数,即

隐函数组的存在定理

满足:

  1. ,其中
  2. 的某邻域内有连续偏导数;
  3. 雅可比行列式(关于 )在 处不为零:

则在 的某邻域内存在唯一的隐函数组 ,满足方程组且

雅可比矩阵 矩阵, 为其行列式。 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 ,隐函数组要求

一阶偏导数公式——推导过程

代入方程组:

Step 1:对 求偏导 固定, 视为 的函数):

Step 2:写成矩阵形式,移项:

Step 3:用 Cramer 法则求解。记 ,则

Step 4:同理对 求偏导 固定):

解得:

汇总公式

其中 等。

记忆规律:对 求偏导时,将要求的隐函数变量对应的列替换为 的偏导数列,再除以 并取负号。求 时替换第 1 列 (-列);求 时替换第 2 列 (-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 视为因变量, 为自变量):

Step 1:分出 ,写成矩阵方程: 将含 的项留在左边, 的项移到右边:

记系数矩阵 。由存在定理 ,故 可逆。

Step 2:求 。对于 矩阵:

验证:

Step 3:两边左乘 解出

Step 4:计算矩阵乘积

所以

Step 5:与全微分公式比对,读出偏导数: 将上式与

比对系数,即得与 Cramer 法则完全相同的结果:

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 ,直接比对 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

确定隐函数 。求在点 处的全部一阶偏导数。

:令 。 先计算偏导数:

在点 处:

雅可比行列式:

存在性满足。

代入公式

汇总


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:

代入

。比对 得:

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

若在 有连续偏导数且雅可比行列式

则在该点邻域内存在反变换 ,且反变换的雅可比行列式满足

推导:令 ,此时 为自变量, 为隐函数。雅可比行列式(关于 )为

由隐函数组存在定理,在 邻域内存在

两个雅可比行列式互为倒数的证明:由复合求导,恒等式 求偏导:

同理对

写成矩阵:

两边取行列式即得

反函数组的一阶偏导数公式:由矩阵方程

,由 逆矩阵公式:

即得到反函数组的全部一阶偏导数:

注意分子分母的对应规律: 的分子是 (除去与 对应的 列和 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),求其反变换的雅可比行列式。 解:先算正向雅可比:

(即不在原点)时,,存在反变换,且

进一步,用反函数偏导数公式写出具体的偏导数。记 ,则

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):

其中 具有二阶连续偏导数。试问此方程在坐标变换

之下将变成何种形式?

:视 为新自变量, 通过 依赖于 。先算一阶偏导数:

由链式法则:

再求二阶偏导数。注意到 仍通过 依赖于 ,求导时需继续用链式法则:

代入原方程

消去 ,合并同类项:

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: 其中 是任意二阶可微函数,此即 d’Alembert 公式(行波解)—— 表示以速度 向左传播的波, 表示以速度 向右传播的波。

雅可比验证:该变换的雅可比行列式

故变换可逆, 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 给出, 是曲线上一点(),且 处有连续偏导数。

切向量:由隐函数求导公式 (设 ),切向量可取为

更对称的形式是将切向量取为 ,其与梯度 的内积为零:

切线方程:利用梯度与切线垂直的几何性质,切线方程为

法线方程:法线方向即梯度方向

(切线竖直),则切线为 ,法线为 。这与隐函数存在定理的条件恰好对应—— 时可把 看作 的函数来求切线斜率。

例 8(椭圆的切线):求椭圆 在点 处的切线方程。

切线方程:

化简得

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:

在曲线上, 的邻域内有连续偏导数,且 处不共线(保证两曲面在该点横截相交)。

切向量:曲线在 处的切向量 同时与两曲面的法向量 垂直,故

切向量公式

法平面(过 且以 为法向量):

切线方程

若某个分母为零(如 ),则对应坐标恒为

方法一:隐函数法(约化为单参数)

若在 ,由隐函数组存在定理,可从方程组中解出 。对 求导:

用 Cramer 法则解得

其中 。以 为参数的切向量为 ,乘以 后恰与 重合。

方法二:混合积法(直接外积)

直接计算 ,不必事先验证哪一个雅可比行列式不为零。步骤如下:

  1. 写出
  2. 计算三阶行列式得到
  3. 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” “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

在点 处的切线方程与法平面方程。

:令

混合积法

处:

即可。

切线方程

,化简为

法平面方程(以 为法向量):

曲面的切平面与法线

设曲面由隐函数方程 给出, 为曲面上一点,且 处有连续偏导数,

一般形式

法向量:梯度

切平面

法线

显函数形式

,则

切平面

法线

显函数形式是一般隐函数形式的特例。法向量 分量为 是因为方程写成了

例 10(旋转抛物面):求曲面 在点 处的切平面与法线方程。

处:

切平面

法线

例 11(单位球面):求球面 在点 处的切平面与法线。

。在 处:

切平面

化简得

法线,即 (过原点且沿 方向的直线)。

条件极值

问题的提法

设目标函数 在开集 上有定义。要求在约束条件(也称约束方程

之下 的极值,称为条件极值(或约束极值), 称为约束曲面

无条件极值是条件极值在 时的特例。条件极值的困难在于: 的自变量并非在 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(),则隐函数定理保证该点附近 个变量可由其余 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

下的极值。

几何直觉:约束曲线 上, 在极值点处沿切线方向的方向导数应为零,即 与切线正交。而 也正交于切线,故 ,即

其中 为比例系数,称为拉格朗日乘数

拉格朗日函数(Lagrange function / Lagrangian):

其中 为辅助变量(未定乘数)。

极值必要条件:若 是条件极值点且 ,则存在 使得 的驻点:

三个方程解三个未知数 。解出的 即为条件极值的候选点。

多个约束条件的情形

下的极值。

拉格朗日函数

驻点方程 个方程):

几何意义 落在 张成的空间中,即

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 下的最大值与最小值。

:令

由前两式 ,代入约束方程:

对应

  • (最大值)
  • (最小值)

几何意义: 是平行直线族,与单位圆相切处取得极值,切点恰在 线 上。


例 13(距离问题):求原点到平面 的最短距离。

:等价于求 下的最小值。

表出后代入约束:

回代得

最短距离:


例 14(最大体积——双约束):求长方体在约束 之下,体积 的最大值。

:这是单约束问题。令

前两式给出 ,由 。同理 ,故 。此时

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 的几何印证。


例 15(球面与平面交线上的极值):求 在约束

下的极值。

:双约束问题。令

由 (3) 得 。由 (5) 令 并代入 (4):

代入 (1):。整理:

由 (2) 类似:

两式相减:

  • ,则由 。此时

  • ,代入 (1):,则 。联立

    结合 得解 ,此时

综上比较:(在 ),(在 )。

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 定义在矩形 上。对每个固定的 看作 的一元函数在 上可积,则其积分值随 变化,定义了一个含参量积分

同样可定义变上限的含参量积分:

含参量积分将一个二元函数”压缩”为一元函数: 作为参数进入被积函数,积分结果只依赖于

连续性定理

在矩形 上连续,则 上连续。

等价表述(极限与积分交换):

相关一致收敛的性质(连续性)

可积性定理

在矩形 上连续,则 上可积,且积分次序可交换:

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)

在矩形 上连续,则 上可导,且求导与积分可交换:

一般形式(上下限也含参量):若 可导,则

含参量反常积分

含参量反常积分的定义

无穷区间情形:设 定义在 上,对每个固定的 ,无穷积分收敛:

无界函数情形:设对固定的 处瑕积分收敛:

两者统称为含参量反常积分 为参量。

一致收敛的定义

定义:设对每个 ,含参量无穷积分 收敛于 。若

则称该含参量反常积分关于 一致收敛

等价表述(Cauchy 准则):含参量反常积分关于 一致收敛的充要条件是

瑕积分情形(设 为瑕点):关于 一致收敛的充要条件是

一致收敛的关键:公共的 (或 )对所有 同时有效。逐点收敛中 可依赖于

一致收敛判别法

控制收敛判别法(Weierstrass / M-判别法)

若有函数 满足

收敛,则 关于 一致收敛。

称为 控制函数(优函数)。

此为最常用的一致收敛判别法——找到与 无关的强于 的可积函数即可。

:证明 关于 一致收敛。

,而 收敛,故一致收敛。

Dirichlet 判别法

设:

  1. 关于 一致有界,即
  2. 单调趋于 ),且与 无关。

关于 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 无关。

:证明 关于 )一致收敛。

:取 。对任意 ,一致有界; 单调趋于 ,与 无关。故由 Dirichlet 判别法知一致收敛。

Abel 判别法

设:

  1. 关于 一致收敛;
  2. 单调有界(与 无关)。

关于 一致收敛。

一致收敛的性质(连续性)

连续性定理

上连续,且 关于 一致收敛,则 上连续。

等价地,极限与积分可交换:

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

上连续,且 关于 一致收敛,则 上可积,且积分次序可交换:

可微性定理

上连续,且

  1. 上收敛;
  2. 关于 一致收敛。

上可导,且求导与积分可交换:

欧拉积分

Γ 函数(伽玛函数)

定义

这是第二类欧拉积分。 时发散( 的瑕积分发散)。

是含参量反常积分的经典例子——既有无穷区间又有瑕点(当 为瑕点)。

基本性质

1. 递推公式

推导:分部积分

2. 与阶乘的关系

由递推公式和 即得。 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 ,可将 解析延拓到

其他常见形式
  • ):

B 函数(贝塔函数)

定义

这是第一类欧拉积分。当 时是常义积分;否则 为瑕点。

基本性质

1. 对称性

推导:作代换 ,积分限不变, 互换。

2. 递推公式

3. 三角形式(令 ):

特例

4. 另一种常见形式(令 ):

Γ 函数与 B 函数的关系

推导思路

  1. 函数的变形
  2. 计算乘积 ,化为二重积分;
  3. 通过变量变换( 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。

:计算

:利用 B 函数的三角形式,

曲线积分

第一型曲线积分

定义

中一条可求长的曲线段,函数 定义在 上。将 任意分割为 个小弧段 ,在第 个小弧段上任取一点 ,作积分和:

若当分割的最大弧长 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 沿曲线 第一型曲线积分(对弧长的曲线积分),记作

为平面曲线,则简化为

物理意义 表示线密度为 的曲线型构件的质量。

性质

线性性质

对任意常数

分段可加性

首尾相接而成(),则

保序性

若在 ,则

绝对值性质
积分中值定理

上连续,则存在 ,使得

其中 为曲线 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 有参数方程

上连续(或分段连续)。则弧微元为

从而

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 (从小到大)。

直角坐标情形(

平面曲线 ,其中 连续。则

同理,若曲线表为 ,则

极坐标情形

曲线 ,则

例 1:计算 ,其中 为连接 的直线段。

:直线方程

例 2:计算 ,其中 为圆周 的上半部分()。

:参数方程

被积函数 (在上半圆上)。

第二型曲线积分

定义

中一条有向光滑曲线(给定了起点到终点的方向),向量函数

定义在 上。将 沿指定方向分割为 个有向小弧段 ,在第 段上任取一点 ,记有向弧段的投影为 。作积分和:

时极限存在,则称其为 沿有向曲线 第二型曲线积分(对坐标的曲线积分),记作

对于平面向量场

向量形式

其中

物理意义 表示力场 沿曲线 对质点所作的功。

性质

线性性质
分段可加性

(分段光滑),则

方向性(关键区别)

的反向曲线,则

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 有参数方程

连续,则

其中 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,):,则

注意:积分限 的方向取——从起点对应的 到终点对应的

例 3:计算 ,其中 为抛物线 上从 的一段。

例 4:计算 ,其中 为抛物线 上从 的一段。

两类曲线积分的联系

设为光滑空间曲线 ,取弧长参数方向与 的指定方向一致。在 上每一点处,有向弧微元 与弧长微元 的关系为

其中 是曲线在指定方向上的单位切向量:

因此第二型曲线积分可用第一型曲线积分表出:

向量形式

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 的符号随方向反转。

平面特例:若平面曲线 (沿 增加方向),则

,代入即回到定积分公式:

重积分

第一节 二重积分的概念

平面图形的面积

为平面上的有界区域,取矩形 包含 。用分点

分割为若干小矩形 ,其面积为

对分割 ,定义内面积和与外面积和:

若当分割细度 时,

则称 为可求面积区域, 的面积。

等价表述:有界平面区域 可求面积的充要条件是它的边界 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

为平面上的有界可求面积区域,函数 上有界。将 任意分割为 个小区域 ,记其面积为 ,在第 个小区域上任取一点 ,作积分和:

若当分割细度 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 上的二重积分,记作

其中 为平面面积元素,在直角坐标系中常写为

矩形区域情形:若 ,则二重积分可看作二维区间上的 Riemann 积分:

几何意义:当 时, 表示以 为底、以曲面 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 在有界闭区域 上连续,则 上可积。

定理 2(有界且间断点面积为零):若 在有界闭区域 上有界,且其不连续点集合的面积为零,则 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 上可积,且 只在面积为零的集合上不同,则 上也可积,并且

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

上可积, 为常数,则 上可积,且

区域可加性

,且 的公共部分面积为零,则

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

上可积,且在 ,则

特别地,若 ,则

绝对值性质

上可积,则

估值性质

上可积,且

其中 为区域 的面积。

积分中值定理

在有界闭区域 上连续,则存在 ,使得

等价地,

右边称为 在区域 上的平均值。

面积公式

,则

这是二重积分最基本的几何应用:区域面积可写成

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。

在矩形区域 上连续,则

表示先把 看作常数,对 积分,再对 积分。

表示先把 看作常数,对 积分,再对 积分。

对矩形区域,若 连续,两种积分次序可以互换。

X 型区域

若平面区域 可表示为

其中 上连续,则称 X 型区域

几何意义:任取一条竖直直线 ,它与区域 的交集通常是一条竖直线段:

上连续,则

简记为

X 型区域适合“先对 积分,后对 积分”。

Y 型区域

若平面区域 可表示为

其中 上连续,则称 Y 型区域

几何意义:任取一条水平直线 ,它与区域 的交集通常是一条水平线段:

上连续,则

简记为

Y 型区域适合“先对 积分,后对 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 ,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 ,则选 X 型区域,先对 积分。
  • 若用水平线截区域时,左右边界容易表示为 ,则选 Y 型区域,先对 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 有时既可用 X 型表示,也可用 Y 型表示。若

又可写成

:设 为由 轴、直线 和直线 围成的三角形区域。

作为 X 型区域:

因此

作为 Y 型区域:

因此

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 的边界 由有限条分段光滑曲线组成,函数 上具有一阶连续偏导数。若 正向,即沿 行走时区域 总在左侧,则

这就是格林公式,也称格林积分公式

方向约定:若 是单连通区域,正向边界通常为逆时针方向;若 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

为平面区域, 内连续可微。曲线积分

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:

  1. 内,曲线积分与路线无关;
  2. 内任意闭曲线 ,都有
  3. 存在函数 ,使得

若进一步要求 单连通区域,则有重要判别条件:

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 ,则必有
充分条件需要区域单连通:若 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

内任意闭曲线,并且它围成区域 ,由格林公式:

则右端二重积分为零,因此

所以曲线积分与路线无关。

在单连通区域中,“旋度为零” 等价于曲线积分与路线无关。

求原函数的方法

满足路线无关条件,则存在原函数 ,使得

取定点 ,定义

由于积分与路线无关,该定义良好。

常取折线路径:

于是

也可取另一条折线路径:

得到

:求微分式

的原函数。

这里

所以满足路线无关条件。

先对 关于 积分:

再对 求偏导:

令其等于

所以

积分得

因此原函数为

,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 平面中的区域 通过变换

一一对应。若 上具有一阶连续偏导数,且雅可比行列式

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

核心思想:变量变换把复杂区域 和被积函数 化为较简单的区域 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

极坐标变换

极坐标变换为

其雅可比行列式为

因此

若区域 在极坐标下可表示为

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 时,常使用极坐标变换。

完整圆盘 对应

广义极坐标变换:椭圆变换

对于椭圆区域

可作广义极坐标变换:

其中

其雅可比行列式为

因此

为上述椭圆区域,则对应

于是

特殊情形:若椭圆中心在原点,则变换简化为

对应区域

椭圆区域可看作圆经过 方向伸缩 倍、 方向伸缩 倍得到,因此面积元素中多出因子

椭圆区域面积公式

,则椭圆

的面积为

圆的面积公式 是椭圆面积公式在 时的特例。

第五节 三重积分

三重积分的概念

为空间中的有界可求体积区域,函数 上有界。将 任意分割为 个小区域 ,记其体积为 ,在第 个小区域上任取一点 ,作积分和:

若当分割细度 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 上的三重积分,记作

其中 为空间体积元素,在直角坐标系中常写为

几何意义:当 时,三重积分可理解为以 为空间区域、以 为“体密度”的总量;特别地,

表示区域 的体积。

三重积分化为累次积分:先一后二

若空间区域 可表示为

其中 平面上的投影区域,则

这种方法称为先一后二:先对 积分,再在投影区域 上作二重积分。

是 X 型区域:

:设 由抛物面 与平面 围成。投影区域为

因此

,体积为

三重积分化为累次积分:先二后一

若空间区域 可用垂直于 轴的截面表示为

其中 是高度为 时的截面区域,则

这种方法称为先二后一:先在截面 上作二重积分,再对 积分。

:设 为圆锥体

在高度 处的截面为圆盘

因此

,体积为

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 空间中的区域 通过变换

一一对应。若雅可比行列式

除边界或零体积集外不为零,则

体积元素变换为

柱坐标换元

柱坐标变换为

其雅可比行列式为

因此

三重积分在柱坐标下为

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 时,常使用柱坐标。

球坐标换元

取球坐标

其中 为与 轴正向的夹角, 为绕 轴的旋转角。其雅可比行列式为

因此

三重积分在球坐标下为

为球体 ,则对应

因此

适用情形:区域含有球面、球锥、圆锥面,或被积函数含有 时,常使用球坐标。

第六节 重积分的应用

曲面的面积

设曲面 由显式方程

给出,且 连续。则曲面面积为

若曲面由参数方程

给出,则

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 ,密度函数为 。其总质量为

质心

若物体密度均匀,即 为常数,则

其中 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 ,密度函数为 。物体绕坐标轴的转动惯量为

其中 是绕 轴转动的转动惯量,积分中的 表示质点到 轴距离的平方。

若密度均匀,则 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 ,密度函数为 。求它对位于点

处质量为 的质点的引力。

取物体中的质量元

它到 的距离平方为

由万有引力定律,质量元对 的引力方向沿 指向质量元的反方向,因此引力向量为

其中 为万有引力常量。

分量形式为

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

为空间中的一块光滑曲面,函数 上有界。将 任意分割为 个小曲面片 ,记其面积为 ,在第 个小曲面片上任取一点 ,作积分和:

若当分割细度 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 在曲面 上的第一型曲面积分(对面积的曲面积分),记作

物理意义:若 表示曲面的面密度,则

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 由显式方程

给出,且 连续,则

因此

若曲面 由参数方程

给出,则

因此

简单例子

例 1:计算

其中 为平面 上的部分。

这里

所以

于是

计算得

因此

例 2:半径为 的球面面积为

这正是第一型曲面积分在 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,也就是指定曲面的法向量方向。

常见情形:

  • 曲面 上侧下侧
    • 上侧:法向量的 分量为正;
    • 下侧:法向量的 分量为负。
  • 闭曲面有外侧内侧
    • 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:

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

为有向光滑曲面,向量场

定义在 上。若 的单位法向量为

则第二型曲面积分定义为

物理意义:若 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 的流量。

第二型曲面积分的计算

参数曲面法

设曲面 由参数方程

给出,并取法向量方向为 的方向。则

写成分量形式:

其中

显式曲面法

若曲面

并取上侧,则

因此

其中 中的 都要替换为

若取下侧,则积分结果取相反数。

简单例子

:计算

其中 为平面

在第一卦限中的部分,取上侧。

投影区域为

这里

取上侧,因此

代入得

所以

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

为有向曲面,单位法向量为

则第二型曲面积分可以写成第一型曲面积分:

向量形式

其中

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 ,若取上侧,则

因此

若改为下侧,则

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

为空间中的有界闭区域,边界曲面 分片光滑,取外侧方向。若函数 上具有一阶连续偏导数,则

这就是高斯公式,也称高斯散度定理

向量形式为

其中

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

:设 为球面 的外侧,计算

这里

因此

由高斯公式:

其中 为半径 的球体,体积为

所以

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

为分片光滑的有向曲面,边界曲线 取与 的法向量方向符合右手定则的正向。若 在包含 的区域内具有一阶连续偏导数,则

向量形式为

其中

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

:设 为圆周

取从 轴正向看去的逆时针方向。计算

为圆盘

并取上侧,即单位法向量

这里

于是

由斯托克斯公式:

圆盘面积为 ,因此

斯托克斯公式允许我们选择以 为边界的任意合适曲面 ,只要方向匹配即可。