高等数学-多元函数微分学及二重积分

高等数学-多元函数微分学及二重积分

SunnyDusk Lv3

多元函数微分学

由多个变量确定的函数称为多元函数。

多元函数的定义域

某函数z,由两个变量确定时,称z=f(x,y)z=f(x,y)为二元函数.
其定义域为x,yx,y的取值范围。
二元函数定义域写法(x,y)∣x,y需要满足的条件{(x,y)|x,y需要满足的条件}。
例题1:z=y−x2+1z=\sqrt{y-x^2+1},其定义域为(x,y)∣y−x2+1≤0{(x,y)|y-x^2+1\leq 0}。
例题2:z=ln⁡(x2+y2−4)+9−xf2−y2z=\ln(x^2+y^2-4)+\sqrt{9-xf^2-y^2},其定义域为(x,y)∣y−x2+1≤0{(x,y)|y-x^2+1\leq 0}。
解:x2+y2−4>0,9−x2−y2≥0x^2+y^2-4> 0,9-x^2-y^2\geq 0
x2+y2>4,x2+y2≤9x^2+y^2>4,x^2+y^2\le9
4<x2+y2≤94<x^2+y^2\le 9
例题3:z=arcsin⁡2xln(1−x2−y2)z=\frac{\arcsin 2x}{ln(1-x^2-y^2)}的定义域为(x,y)∣−12≤x≤12且0<x2+y2<1{(x,y)|-\frac{1}{2}\le x\le \frac{1}{2}且0<x^2+y^2<1}。
解:分子−1≤2x≤1-1\le 2x \le 1,即−12≤x≤12-\frac{1}{2}\le x \le \frac{1}{2}。
分母ln⁡(1−x2−y2)≠0\ln(1-x^2-y^2)\ne 0,即1−x2−y2≠1,x2+y2≠01-x^2-y^2\ne 1,x^2+y^2\ne 0。
分母1−x2−y2>01-x^2-y^2 > 0,即x2+y2<1x^2+y^2< 1。
即分母定义域0<x2+y2<10<x^2+y^2<1。


二元函数对应法则

解法:{换元配凑\left\{\begin{matrix}换元\\配凑\end{matrix}\right.
例题1:f(x+y,x−y)=x2−y2f(x+y,x-y)=x^2-y^2,求f(x,y)f(x,y)。
解:x2−y2=(x+y)(x−y)x^2-y^2=(x+y)(x-y)
f(x+y,x−y)=(x+y)(x−y)f(x+y,x-y)=(x+y)(x-y)
f(x,y)=x⋅yf(x,y)=x\cdot y


二元函数的极限

若点P(x,y)P(x,y)以任意方式趋于点P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0)时,函数f(x,y)f(x,y)趋于一个常数AA,则称A为f(x,y)A为f(x,y)的极限,记为lim⁡(x,y)→(x0,y0)f(x,y)\lim_{(x,y)\to (x_0,y_0)}f(x,y)或lim⁡x→x0,y→y0f(x,y)\lim_{x\to x_0,y \to y_0}f(x,y)。
例题1:求lim⁡x→0,y→2sin⁡xyx\lim_{x \to 0,y \to 2}\frac{\sin xy}{x}。
解:原式=lim⁡x→0,y→2sin⁡xyx=\lim_{x \to 0,y \to 2}\frac{\sin xy}{x}
=lim⁡x→0,y→2xyx=2=\lim_{x \to 0,y \to 2}\frac{xy}{x}=2。


二元函数偏导数

当y0y_0固定而xx在x0x_0处有增量Δx\Delta x时,称lim⁡Δx→0f(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)Δx\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x} 为二元函数对xx的偏导数。
反之,称lim⁡Δy→0f(x0,y0+Δx)−f(x0,y0)Δy\lim_{\Delta y \to 0} \frac{f(x_0,y_0+\Delta x)-f(x_0,y_0)}{\Delta y} 为二元函数对yy的偏导数。

  1. 一阶偏导的写法
    设二元函数z=f(x,y)z=f(x,y)
    记为∂z∂x或∂f∂x,Zx或fx(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}或\frac{\partial f}{\partial x},Z_x或f_x(x,y)为对x的偏导。
    记为∂z∂y或∂f∂y,Zy或fy(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}或\frac{\partial f}{\partial y},Z_y或f_y(x,y)为对y的偏导。
  2. 一阶偏导的计算
    ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}:指对x求偏导,y固定为一个常数(暂时)
    ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y}:指对y求偏导,x固定为一个常数(暂时)
    例题1:已知z=x2+3xy+y2z=x^2+3xy+y^2,求∂z∂y=3x+2y\frac{\partial z}{\partial y}=3x+2y。
    解:∂z∂y=3x+2y\frac{\partial z}{\partial y}=3x+2y。
    例题2:若z=exy⋅sin⁡2yz=e^{xy}\cdot \sin 2y,求∂z∂y=2exy⋅cos⁡2y+xexy⋅sin⁡2y\frac{\partial z}{\partial y}=2e^{xy}\cdot \cos 2y+xe^{xy}\cdot \sin 2y。
    解:∂z∂y=x⋅exy⋅sin⁡2y+exy⋅cos⁡2y⋅2=2exy⋅cos⁡2y+xexy⋅sin⁡2y\frac{\partial z}{\partial y}=x\cdot e^{xy}\cdot \sin 2y+e^{xy}\cdot \cos 2y\cdot 2=2e^{xy}\cdot \cos 2y+xe^{xy}\cdot \sin 2y。
    例题3:若z=f(x2+y)z=f(x^2+y),求∂z∂x=2xf′(x2+y)\frac{\partial z}{\partial x}=2xf'(x^2+y)。
    解:∂z∂x=2xf′(x2+y)\frac{\partial z}{\partial x}=2xf'(x^2+y)。

二元函数的全微分

公式:dz=∂z∂xdx+∂z∂ydydz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy。
例题1:设z=x2+xyz=x^2+xy,求其在(1,0)(1,0)处的全微分。
解:∂z∂x=2x+y∣(1,0)=2\frac{\partial z}{\partial x}=2x+y|_{(1,0)}=2
∂z∂y=x∣(1,0)=1\frac{\partial z}{\partial y}=x|_{(1,0)}=1。
dz=∂z∂xdx+∂z∂ydy=2dx+dydz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy=2dx+dy。
例题2:设z=f(x2−y2)z=f(x^2-y^2),求其在ff处可微,求dzdz。
解:∂z∂x=f′(x2−y2)⋅2x=2xf′(x2−y2)\frac{\partial z}{\partial x}=f'(x^2-y^2)\cdot 2x=2xf'(x^2-y^2)。
∂z∂y=f′(x2−y2)⋅(−2y)=−2yf′(x2−y2)\frac{\partial z}{\partial y}=f'(x^2-y^2)\cdot (-2y)=-2yf'(x^2-y^2)。
dz=∂z∂xdx+∂z∂ydy=2xf′(x2−y2)dx−2yf′(x2−y2)dydz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy=2xf'(x^2-y^2)dx-2yf'(x^2-y^2)dy。
例题3:设z=exy2z=e^{xy^2},求dzdz
解:∂z∂x=exy2⋅y2\frac{\partial z}{\partial x}=e^{xy^2}\cdot y^2
∂z∂y=exy2⋅2xy\frac{\partial z}{\partial y}=e^{xy^2}\cdot 2xy。
dz=exy2⋅y2dx+exy2⋅2xydydz=e^{xy^2}\cdot y^2dx+e^{xy^2}\cdot 2xydy。


可微与偏导的关系

可微⟺可导⟹连续⟹极限可微\Longleftrightarrow 可导\Longrightarrow 连续\Longrightarrow 极限 z=f(x,y)偏导数存在且连续⟹f(x,y)可微z=f(x,y)偏导数存在且连续\Longrightarrow f(x,y)可微 z=f(x,y)可微⟹连续⟹极限z=f(x,y)可微\Longrightarrow 连续\Longrightarrow 极限 z=f(x,y)可微⟹偏导存在z=f(x,y)可微\Longrightarrow 偏导存在

偏导存在,与连续无关
例题1:若函数z=f(x,y)z=f(x,y)在点(x0,y0)(x_0,y_0)某一邻域内偏导∂z∂x,∂z∂y\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y}都存在,则z=f(x,y)z=f(x,y)在(x0,y0)(x_0,y_0)可微。(×)
解析:偏导未连续,不可微。


可微的本质

可微:指用f(x)f(x)在(x0,y0)(x_0,y_0)处的切线上的增量Δy\Delta y来替代了曲线f(x)f(x)本身的增量Δy\Delta y。
{tan⁡θ=ΔyΔxf′(x0)=tan⁡θ⟹f′(x0)=ΔyΔx\left\{\begin{matrix}\tan \theta =\frac{\Delta y}{\Delta x} \\f'(x_0)=\tan \theta \end{matrix}\right.\Longrightarrow f'(x_0)=\frac{\Delta y}{\Delta x}
⟹Δy切=f′(x0)Δx\Longrightarrow \Delta y_切=f'(x_0)\Delta x。
若Δy切=Δy\Delta y_切=\Delta y则称可微!
条件:Δy−Δy切=Δy−f′(x0)⋅Δx⟹趋于0且为Δx的高阶无穷小量\Delta y-\Delta y_切=\Delta y-f'(x_0)\cdot \Delta x \Longrightarrow 趋于0且为\Delta x的高阶无穷小量
具体判断方法:
(1). 写增量:Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y=f(x_0+\Delta x)-f(x_0)
(2). 写线性增量:AΔx=f′(x0)⋅ΔxA\Delta x=f'(x_0)\cdot \Delta x
(3). 作极限:lim⁡Δx→0Δy−AΔxΔx=0\lim_{\Delta x \to 0}\frac{\Delta y-A\Delta x}{\Delta x}=0
(4). 判断:若极限为0,则可微。
在二元函数内:z=f(x,y)z=f(x,y)
(1). 全增量:Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)\Delta z=f(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)
(2). 线性增量:Δz=AΔx+BΔy\Delta z=A\Delta x+B\Delta y
(3). 作极限:lim⁡Δz−Δz线Δx2+Δy2=0\lim \frac{\Delta z-\Delta z_线}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2} }=0
(4). 判断:若极限为0,则可微。
Δz=AΔx+BΔy+0(ρ),ρ=Δx2+Δy2,A=∂z∂x,B=∂z∂y\Delta z=A\Delta x+B\Delta y+0(\rho ),\rho =\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2},A=\frac{\partial z}{\partial x},B=\frac{\partial z}{\partial y}
例题1:设f(x,y)f(x,y)在点(x0,y0)(x_0,y_0)处两个偏导fx(x0,y0),fy(x0,y0)f_x(x_0,y_0),f_y(x_0,y_0)都存在,则有()
A. 存在常数kk使得lim⁡x→x0,y→y0f(x,y)=k\lim_{x \to x_0,y\to y_0}f(x,y)=k (极限存在)
B. lim⁡x→x0,y→y0f(x,y)=f(x0,y0)\lim_{x \to x_0,y\to y_0}f(x,y)=f(x_0,y_0)(连续)
C. lim⁡y→y0f(x,y)=f(x0,y0);lim⁡x→x0f(x,y)=f(x0,y0)\lim_{y\to y_0}f(x,y)=f(x_0,y_0);\lim_{x \to x_0}f(x,y)=f(x_0,y_0)
D. 当(Δx)2+(Δy)2→0(\Delta x)^2+(\Delta y)^2\to 0时,f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)−[fx(x0,y0)Δx+fy(x0,y0)Δy]=0((Δx)2+(Δy)2)f(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)-[f_x(x_0,y_0)\Delta x+f_y(x_0,y_0)\Delta y]=0(\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2})
解析:偏导存在,没有提连续,不能判断极限存在,AB错,fx(x0,y0)=df(x0,y0)dx∣x=x0,fy(x0,y0)=df(x0,y0)dy∣y=y0f_x(x_0,y_0)=\frac{df(x_0,y_0)}{dx}|_{x=x_0},f_y(x_0,y_0)=\frac{df(x_0,y_0)}{dy}|_{y=y_0}可判断x方向和y方向均为连续,故C正确,偏导+连续才为可微,题目未提连续,即D错误。


二阶偏导

z=f(x,y)z=f(x,y)的二阶偏导数: ∂2z∂x2指z对x求两次偏导\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}指z对x求两次偏导 ∂2z∂y2指z对y求两次偏导\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}指z对y求两次偏导 ∂2z∂y∂x指z先对y后对x的二阶混合偏导\frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}指z先对y后对x的二阶混合偏导 ∂2z∂x∂y指z先对x后对y的二阶混合偏导\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}指z先对x后对y的二阶混合偏导 z=f(x,y)z=f(x,y)的两个混合偏导∂2z∂x∂y,∂2z∂y∂x\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y},\frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}在闭区间D内连续,则∂2z∂x∂y=∂2z∂y∂x\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=\frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}

例题1:设z=x3y2z=x^3y^2,求∂2z∂x2,∂2z∂x∂y,∂2z∂y∂x\frac{\partial^2 z}{\partial x^2},\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y},\frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}。
解:∂z∂x=3x2y2\frac{\partial z}{\partial x}=3x^2y^2
则∂2z∂x2=6xy2,∂2z∂x∂y=6x2y\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}=6xy^2,\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=6x^2y
∂z∂y=2x3y\frac{\partial z}{\partial y}=2x^3y
∂2z∂y∂x=6x2y\frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}=6x^2y
例题2:设z=yxz=y^x,则zxy=∂2z∂x∂y=()z_{xy}=\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=()
解:∂z∂x=yx⋅ln⁡y\frac{\partial z}{\partial x}=y^x\cdot \ln y
∂2z∂x∂y=(yx)′⋅ln⁡y+yx⋅(ln⁡y)′=x⋅yx−1ln⁡y+yx⋅1x\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=(y^x)'\cdot \ln y+y^x\cdot (\ln y)'=x\cdot y^{x-1}\ln y+y^x\cdot \frac{1}{x}
=yx−1(xln⁡y+1)=y^{x-1}(x\ln y +1)


二元隐函数求一阶偏导

不是z=f(x,y)z=f(x,y)的二元函数,叫隐函数。
用公式法求二元隐函数的一阶偏导
(1). 令F(x,y,z)F(x,y,z)
(2). 求Fx,Fy,FzF_x,F_y,F_z
(3). 套公式:∂z∂x=−FxFz,∂z∂y=−FyFz\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z},\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y}{F_z}
例题1:设z=z(x,y)z=z(x,y)由方程z+ez=xyz+e^z=xy所确定,求∂z∂x,∂z∂y\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y}。
解:令F(x,y,z)=z+ez−xyF(x,y,z)=z+e^z-xy
Fx=−y,Fy=−x,Fz=1+ezF_x=-y,F_y=-x,F_z=1+e^z
∂z∂x=−FxFz=y1+ez,∂z∂y=−FyFz=x1+ez\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z}=\frac{y}{1+e^z},\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y}{F_z}=\frac{x}{1+e^z}
例题2:由方程xyz+x2+y2+z2=2xyz+\sqrt{x^2+y^2+z^2}=\sqrt{2}所确定的函数z=z(x,y)z=z(x,y)在点(1,0,-1)处的全微分dz=dz=。
解析:全微分:dz=∂z∂xdx+∂z∂ydydz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy
解:令F(x,y,z)=xyz+x2+y2+z2−2F(x,y,z)=xyz+\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{2}
Fx=yz+12x2+y2+z2⋅2x∣(1,0,−1)=12=22F_x=yz+\frac{1}{2\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\cdot 2x|_{(1,0,-1)}=\frac{1}{\sqrt{2} }=\frac{\sqrt{2} }{2}
Fx=xz+12x2+y2+z2⋅2y∣(1,0,−1)=−1F_x=xz+\frac{1}{2\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\cdot 2y|_{(1,0,-1)}=-1
Fx=xy+12x2+y2+z2⋅2z∣(1,0,−1)=−12=−22F_x=xy+\frac{1}{2\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\cdot 2z|_{(1,0,-1)}=-\frac{1}{\sqrt{2} }=-\frac{\sqrt{2} }{2}
∂z∂x=−FxFz=−22−22=1\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z}=-\frac{\frac{\sqrt{2} }{2} }{-\frac{\sqrt{2} }{2} }=1
∂z∂y=−FyFz=−−122=−2\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y}{F_z}=-\frac{-1}{\frac{\sqrt{2} }{2} }=-\sqrt{2}
dz=∂z∂xdx+∂z∂ydydz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy
=dx−2dy=dx-\sqrt{2}dy


隐函数的二阶偏导

(1). 使用公式求一阶导;
(2). 使用导数公式求二阶导;
注:求二阶导时,切记z是关于x,y的函数需要求导的。
例题1:设2x2+y2+z2−4z=02x^2+y^2+z^2-4z=0其中z=z(x,y)z=z(x,y)所确定,求∂z∂x∣(1,1,1),∂2z∂x2∣(1,1,1)\frac{\partial z}{\partial x}|_{(1,1,1)},\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}|_{(1,1,1)}。
解:令F(x,y,z)=2x2+y2+z2F(x,y,z)=2x^2+y^2+z^2
则Fx=4x∣(1,1,1)=4,Fy=2y∣(1,1,1)=2,Fz=2z−4∣(1,1,1)=−2F_x=4x|_{(1,1,1)}=4,F_y=2y|_{(1,1,1)}=2,F_z=2z-4|_{(1,1,1)}=-2
故∂z∂x=−FxFz=−4x2e−4∣(1,1,1)=2\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z}=\frac{-4x}{2e-4}|_{(1,1,1)}=2
∂2z∂x2=∂∂x(∂z∂x)=2⋅(z−2)+2x⋅(∂z∂x)(z−2)2∣(1,1,1)=6\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}=\frac{\partial }{\partial x}(\frac{\partial z}{\partial x})=\frac{2\cdot (z-2)+2x \cdot (\frac{\partial z}{\partial x} )}{(z-2)^2}|_{(1,1,1)}=6


多元复合函数求导

求导原则:从外向里,层层求导并相乘。
链式法则:将每层函数关系罗列(树状图)分线相加,连线相乘

  1. 题型一:具体多元函数求导(直接带入法)
    例题1:设z=xy+3ln⁡x,其中x=2u+v,y=u−2vz=xy+3\ln x,其中x=2u+v ,y=u-2v,求∂z∂u,∂z∂v\frac{\partial z}{\partial u},\frac{\partial z}{\partial v}。
    解:由题可知:z=(2u+v)⋅(u−2v)+3ln⁡(2u+v)z=(2u+v)\cdot (u-2v)+3\ln (2u+v) ∂z∂u=2(u−2v)+(2u+v)+3⋅12u+v⋅2=4u−3v+62u+v\frac{\partial z}{\partial u}=2(u-2v)+(2u+v)+3\cdot \frac{1}{2u+v}\cdot 2=4u-3v+\frac{6}{2u+v} ∂z∂v=(u−2v)+(2u+v)⋅(−2)+3⋅12u+v=−3u−4v+12u+v\frac{\partial z}{\partial v}=(u-2v)+(2u+v)\cdot (-2)+3\cdot \frac{1}{2u+v}=-3u-4v+\frac{1}{2u+v}
  2. 题型二:抽象的复合函数求导
    面对含f(□,△)f(\Box ,\triangle )的复合求导。
    注:(1). 从外向里,逐层求导;
    (2). 勿忘f要导f’;
    (3). “□\Box “用“1”代替,”△\triangle “用“2”代替。
    (4). 计算结果内容省略不写括号;
    例题1:设z=f(x,xy)z=f(x,xy),求∂z∂x,∂z∂y\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y}。
    解:∂z∂x=f1′x,xy⋅1+f2′(x,xy)⋅y=f1′+y⋅f2′\frac{\partial z}{\partial x}=f'_1{x,xy}\cdot 1+f'_2(x,xy) \cdot y=f'_1+y\cdot f'_2 ∂z∂y=f2′(x,xy)⋅x=x⋅f2′\frac{\partial z}{\partial y}=f'_2(x,xy)\cdot x=x\cdot f'_2 例题2:设z=xyf(x+y,x−y2)z=xyf(x^+y,x-y^2),其中ff可微,求∂z∂x,∂z∂y\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y}。
    解:∂z∂x=yf+xy⋅[f1′⋅2x+f2′⋅1]=yf+2x2yf1′+xyf2′\frac{\partial z}{\partial x}=yf+xy\cdot [f'_1\cdot 2x+f'_2\cdot 1]=yf+2x^2yf'_1+xyf'_2 ∂z∂y=xf+xy[f1′⋅1−f2′⋅2y]=xf+xyf1′−2xy2f2′\frac{\partial z}{\partial y}=xf+xy[f'_1\cdot 1-f'_2\cdot 2y]=xf+xyf'_1-2xy^2f'_2 例题3:设z=f(xy,y)z=f(xy,y),其中ff具有二阶连续偏导,求∂2z∂x∂y\frac{\partial ^2z}{\partial x\partial y}。
    解:∂z∂x=f1′(xy,y)⋅y=yf1′(xy,y)\frac{\partial z}{\partial x}=f'_1(xy,y)\cdot y=yf'_1(xy,y) ∂2z∂x∂y=f1′⋅1+y[f11′′⋅x+f12′′⋅1\frac{\partial ^2z}{\partial x\partial y}=f'_1\cdot 1+y[f''_{11} \cdot x+f''_{12}\cdot 1 =f1′+xyf1′′+f11′′+yf12′′=f'_1+xyf''_1+f''_{11}+yf''_{12}

隐函数例题

例题1:设函数u=f(x,y,z)=x3y2z2u=f(x,y,z)=x^3y^2z^2,其中z=z(x,y)z=z(x,y)由方程x3+y3+z3−3xyz=0x^3+y^3+z^3-3xyz=0所确定,求∂u∂x\frac{\partial u}{\partial x}。
解:∂u∂x=3x2y2z2+x3y2⋅2z⋅∂z∂x\frac{\partial u}{\partial x}=3x^2y^2z^2+x^3y^2\cdot 2z\cdot \frac{\partial z}{\partial x}
令F(x,y,z)=x3+y3+z3−3xyzF(x,y,z)=x^3+y^3+z^3-3xyz
Fx=3x2−3yz,Fz=3z2−3xyF_x=3x^2-3yz,F_z=3z^2-3xy
∂z∂x=−FxFz=−3x2−3yz3z2−3xy=yz−x2z2−xy\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z}=-\frac{3x^2-3yz}{3z^2-3xy}=\frac{yz-x^2}{z^2-xy}
∂u∂x=3x2y2z2+2x3y2z⋅(yz−x2z2−xy)\frac{\partial u}{\partial x}=3x^2y^2z^2+2x^3y^2z\cdot (\frac{yz-x^2}{z^2-xy})


多元函数的几何的应用

  1. 求空间曲线{x=x(t)y=y(t)z=z(t)\left\{\begin{matrix}x=x(t)\\y=y(t)\\z=z(t)\end{matrix}\right.的切线及法平面方程。 {直线:x−x0m=y−y0n=z−z0p,S⃗=(m,n,p)平面:A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0,n⃗=(A,B,B)\left\{\begin{matrix}直线:\frac{x-x_0}{m}=\frac{y-y_0}{n}=\frac{z-z_0}{p},\vec{S}=(m,n,p) \\平面:A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0,\vec{n}=(A,B,B) \end{matrix}\right. 解法:
    (1). 求导得向量:S⃗=(x′(t),y′(t),z′(t))=(m,n,p)/n⃗=(x′(t),y′(t),z′(t))=(A,B,C)\vec{S}=(x'(t),y'(t),z'(t))=(m,n,p)/\vec{n}=(x'(t),y'(t),z'(t))=(A,B,C)
    (2). 套公式得答案:“线除面乘”。 {线:x−x0x′(t)=y−y0y′(t)=z−z0z′(t)面:x′(t)(x−x0)+y′(t)(y−y0)+z′(t)(z−z0)\left\{\begin{matrix}线:\frac{x-x_0}{x'(t)}=\frac{y-y_0}{y'(t)}=\frac{z-z_0}{z'(t)}\\面:x'(t)(x-x_0)+y'(t)(y-y_0)+z'(t)(z-z_0)\end{matrix}\right. 例题1:求螺旋线x=acos⁡θ,y=asin⁡θ,z=bθx=a\cos \theta,y=a\sin \theta,z=b\theta(a,b不同时为0),上在θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}时的切线方程及法平面方程。
    解:令θ=t\theta =t,则{x=acos⁡ty=asin⁡tz=bt\left\{\begin{matrix}x=a\cos t\\y=a\sin t\\z=bt\end{matrix}\right.
    即x′(t)=−asin⁡t,y′(t)=acos⁡t,z′(t)=bx'(t)=-a\sin t,y'(t)=a\cos t,z'(t)=b
    当θ=t=π4\theta =t=\frac{\pi }{4}
    则有x′(t)=−2a2,y′(t)=2a2,z′(t)=bx'(t)=-\frac{\sqrt{2} a}{2},y'(t)=\frac{\sqrt{2} a}{2},z'(t)=b (x0,y0,z0)=(−2a2,2a2,bπ4)(x_0,y_0,z_0)=(-\frac{\sqrt{2} a}{2},\frac{\sqrt{2} a}{2},\frac{b\pi}{4}) 故切线S⃗=(−2a2,2a2,b)\vec{S}=(-\frac{\sqrt{2} a}{2},\frac{\sqrt{2} a}{2},b)
    法平面n⃗=(−2a2,2a2,b)\vec{n}=(-\frac{\sqrt{2} a}{2},\frac{\sqrt{2} a}{2},b)
    即切线方程x−2a2−2a2=y−2a22a2=z−π4bb\frac{x-\frac{\sqrt{2} a}{2} }{-\frac{\sqrt{2} a}{2} } =\frac{y-\frac{\sqrt{2} a}{2} }{\frac{\sqrt{2} a}{2} }=\frac{z-\frac{\pi}{4}b }{b}
    法平面为−22a(x+22a)+22a(y−22a)+b(−π4b)=0-\frac{\sqrt{2} }{2}a(x+\frac{\sqrt{2} }{2}a )+\frac{\sqrt{2} }{2}a(y-\frac{\sqrt{2} }{2}a )+b(-\frac{\pi }{4}b )=0
    例题2:求曲线y=sin⁡x,z=x2y=\sin x,z=\frac{x}{2}在点(π,0,π2)(\pi ,0,\frac{\pi }{2})的法平面方程。
    解析:若不是参数方程,令其中一个变量为t,转换为参数式;
    解:令x=tx=t,则y=sin⁡t,z=t2y=\sin t,z=\frac{t}{2} x′(t)=1,y′(t)=cos⁡t,z′(t)=12x'(t)=1,y'(t)=\cos t,z'(t)=\frac{1}{2} 因为在点(π,0,π2)(\pi ,0,\frac{\pi}{2})处,则x0=t=πx_0=t=\pi x′(t)=1,y′(t)=−1,z′(t)=12x'(t)=1,y'(t)=-1,z'(t)=\frac{1}{2} n⃗=(1,−1,12)\vec{n}=(1,-1,\frac{1}{2}) (x0,y0,z0)=(π,0,π2)(x_0,y_0,z_0)=(\pi ,0,\frac{\pi }{2}) 带入解得法平面方程:1⋅(x−π)−1⋅(y−0)+12⋅(z−π2)=01\cdot (x-\pi )-1\cdot (y-0)+\frac{1}{2}\cdot (z-\frac{\pi }{2})=0 x−y+z2−5π4=0x-y+\frac{z}{2}-\frac{5\pi }{4}=0 例题3:求曲线l:x=t,y=t2,z=t3l:x=t,y=t^2,z=t^3上的一点,使得曲线在该点处的切线平行于平面3x+3y+z=03x+3y+z=0。
    解析:线与面位置关系与向量关系相反,由题,线与面平行,即线与法线垂直,即S⃗⊥n⃗=S⃗⋅n⃗=0\vec{S} \perp \vec{n}=\vec{S}\cdot \vec{n}=0
    解:令曲线待求点(t0,t02,t03)(t_0,t_0^2,t_0^3)
    故在该点处S⃗=(1,2t0,3t03)\vec{S}=(1,2t_0,3t_0^3)
    有平面方程得n⃗=(3,3,1)\vec{n}=(3,3,1)
    由题知:S⃗⋅n⃗=0\vec{S}\cdot \vec{n}=0 3+6t0+3t02=03+6t_0+3t_0^2=0 解得t0=−1t_0=-1
    故点为(−1,1,−1)(-1,1,-1)
  2. 空间曲面F(x,y,z)F(x,y,z)的切平面和法线方程。
    解法:
    (1). 求导得向量:n⃗=(A,B,C)=(Fx,Fy,Fz)/S⃗=(m,n,p)=(Fx,Fy,Fz)\vec{n}=(A,B,C)=(F_x,F_y,F_z)/\vec{S}=(m,n,p)=(F_x,F_y,F_z)
    (2). 套公式得答案:“线除面乘”。 {线:x−x0x′(t)=y−y0y′(t)=z−z0z′(t)面:x′(t)(x−x0)+y′(t)(y−y0)+z′(t)(z−z0)\left\{\begin{matrix}线:\frac{x-x_0}{x'(t)}=\frac{y-y_0}{y'(t)}=\frac{z-z_0}{z'(t)}\\面:x'(t)(x-x_0)+y'(t)(y-y_0)+z'(t)(z-z_0)\end{matrix}\right. 例题1:空间曲面2z−ez+2xy=32z-e^z+2xy=3在点(1,2,0)(1,2,0)处的法线方程。
    解:令F(x,y,z)=2z−ez+2xy−3F(x,y,z)=2z-e^z+2xy-3 S⃗=(Fx,Fy,Fz)=(2y,2x,2−ez)∣(1,2,0)=(4,2,1)\vec{S}=(F_x,F_y,F_z)=(2y,2x,2-e^z)|_{(1,2,0)}=(4,2,1) 故法线方程:x−14=y−22=z1\frac{x-1}{4}=\frac{y-2}{2}=\frac{z}{1}
    例题2:已知曲面z=4−x2−y2z=4-x^2-y^2在点PP处的切平面平行于平面2x+2y+z−1=02x+2y+z-1=0,求P点坐标。
    解:设P点为(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0),令F(x,y,z)=z−4+x2+y2F(x,y,z)=z-4+x^2+y^2
    所以在P点处切平面n1⃗=(Fx,Fy,Fz)=(2x,2y,1)∣(x0,y0,z0)=(2x0,2y0,1)\vec{n_1}=(F_x,F_y,F_z)=(2x,2y,1)|_{(x_0,y_0,z_0)}=(2x_0,2y_0,1)
    又平面2x+2y+z−1=02x+2y+z-1=0的法向量为n2⃗=(2,2,1)\vec{n_2}=(2,2,1)
    由题知:n1⃗∥n2⃗\vec{n_1} \parallel \vec{n_2}
    即2x02=2y02=1\frac{2x_0}{2}=\frac{2y_0}{2}=1
    解得x0=y0=1x_0=y_0=1
    带入得z0=2z_0=2
    故点为P=(1,1,2)P=(1,1,2)

无条件极值

无条件极值:指对x,yx,y取值范围无限制下,求z=f(x,y)z=f(x,y)的极值。
求解方法:
(1). 求一阶偏导,令其为0,找驻点;
{fx(x,y)=0fy(x,y)=0⟹驻点(x0,y0)\left\{\begin{matrix}f_x(x,y)=0\\f_y(x,y)=0\end{matrix}\right.\Longrightarrow 驻点(x_0,y_0)
(2). 解方程组,求出极值点;
令A=fxx(x0,y0);B=fxy(x0,y0);C=fyy(x0,y0)A=f_{xx}(x_0,y_0);B=f_{xy}(x_0,y_0);C=f_{yy}(x_0,y_0)
(3). 判断AC−B2=DAC-B^2=D。
D>0D>0,有极值⟹{A<0,极大值A>0,极小值\Longrightarrow \left\{\begin{matrix}A<0,极大值\\A>0,极小值\end{matrix}\right.
例题1:求函数f(x,y)=x2−xy+y2−2x+yf(x,y)=x^2-xy+y^2-2x+y的极值。
解:令{fx=2x−y−2=0fy=−x+2y+1=0⟹驻点(1,0)\left\{\begin{matrix}f_x=2x-y-2=0\\f_y=-x+2y+1=0\end{matrix}\right.\Longrightarrow 驻点(1,0)
A=fxx=2,B=fxy=−1,C=fyy=2A=f_{xx}=2,B=f_{xy}=-1,C=f_{yy}=2
D=AC−B2=4−1=3>0D=AC-B^2=4-1=3>0
且A=2>0A=2>0
故f(1,0)f(1,0)处为极小值-1。
例题2:求函数f(x,y)=x3−4x2+2xy−y2f(x,y)=x^3-4x^2+2xy-y^2的极值。
解:令{fx=3x2−8x+2y=0fy=2x−2y=0⟹驻点(0,0),(2,2)\left\{\begin{matrix}f_x=3x^2-8x+2y=0\\f_y=2x-2y=0\end{matrix}\right.\Longrightarrow 驻点(0,0),(2,2)
A=fxx=6x−8,B=fxy=2,C=fyy=−2A=f_{xx}=6x-8,B=f_{xy}=2,C=f_{yy}=-2
(1). 当驻点为(0,0)(0,0)时,A=−8,B=2,C=−2A=-8,B=2,C=-2
D=AC−B2=16−4=12>0D=AC-B^2=16-4=12>0
且A=−8<0A=-8<0
故f(0,0)f(0,0)处有极大值0。
(2). 当驻点为(2,2)(2,2)时,A=4,B=2,C=−2A=4,B=2,C=-2
D=AC−B2=−8−4=−12<0D=AC-B^2=-8-4=-12<0
故f(2,2)f(2,2)处没有极值。


条件极值

条件极值:指对自变量x,yx,y取值范围限制下,求z=f(x,y)z=f(x,y)的极值。
求在条件φ(x,y)=0\varphi (x,y)=0下,求z=f(x,y)z=f(x,y)的极值。
解法:
(1). 确定目标函数f(x,y)f(x,y),及条件函数φ(x,y)\varphi (x,y);
(2). 构造拉格朗日函数;F(x,y,λ)=f(x,y)+λφ(x,y)F(x,y,\lambda )=f(x,y)+\lambda \varphi (x,y)
(3). 令{Fx=0Fy=0Fλ=0⟹得驻点(x0,y0)\left\{\begin{matrix}F_x=0\\F_y=0\\F_\lambda =0\end{matrix}\right.\Longrightarrow 得驻点(x_0,y_0)
(4). 得极值。
例题:求函数z=x2+y2z=x^2+y^2在直线x4+y3=1\frac{x}{4}+\frac{y}{3}=1下的极值。
解:目标函数f(x,y)=x2+y2f(x,y)=x^2+y^2,条件函数φ(x,y)=x4+y3−1=0\varphi (x,y)=\frac{x}{4}+\frac{y}{3}-1=0
令F(x,y,λ)=x2+y2+λ(x4+y3−1)F(x,y,\lambda )=x^2+y^2+\lambda (\frac{x}{4}+\frac{y}{3}-1)
Fx=2x+λ4=0,Fy=2y+λ3=0,Fλ=x4+y3−1=0F_x=2x+\frac{\lambda }{4}=0,F_y=2y+\frac{\lambda }{3}=0,F_\lambda =\frac{x}{4}+\frac{y}{3}-1=0
解得x0=−3625,y0=−4825⟹(3625,4825)x_0=-\frac{36}{25},y_0=-\frac{48}{25}\Longrightarrow (\frac{36}{25}, \frac{48}{25}) 为唯一驻点
故z=x2+y2z=x^2+y^2在(3625,4825(\frac{36}{25}, \frac{48}{25}处取得极值
z=(3625)2+(4825)2=14425z=(\frac{36}{25})^2+(\frac{48}{25})^2=\frac{144}{25}


条件极值例题

例题1:在椭圆x2+4y2=4x^2+4y^2=4上求一点,使其到直线2x+3y−6=02x+3y-6=0的距离最短。
解:设点为(x0,y0)(x_0,y_0),则点到直线的距离为d=∣2x0+3y0−6∣22+32=∣2x0+3y0−6∣13d=\frac{|2x_0+3y_0-6|}{\sqrt{2^2+3^2}}=\frac{|2x_0+3y_0-6|}{\sqrt{13}}
令目标函数为2x+3y−62x+3y-6,条件函数为x2+4y2−4=0x^2+4y^2-4=0
令拉格朗日函数为F(x,y,λ)=2x+3y−6+λ(x2+4y2−4)F(x,y,\lambda )=2x+3y-6+\lambda (x^2+4y^2-4)
Fx=2+2λx=0,Fy=3+8λy=0,Fλ=x2+4y2−4=0F_x=2+2\lambda x=0,F_y=3+8\lambda y=0,F_\lambda =x^2+4y^2-4=0
解得x0=±85,y0=±35x_0=\pm \frac{8}{5},y_0=\pm \frac{3}{5}
故点为(85,35),(−85,−35)(\frac{8}{5},\frac{3}{5}),(-\frac{8}{5},-\frac{3}{5})为驻点
(1). 当(x0,y0)=(85,35)(x_0,y_0)=(\frac{8}{5},\frac{3}{5})时
带入=∣2x+3y−6∣13=∣165+95−6∣13=∣5−6∣13=1313=\frac{|2x+3y-6|}{\sqrt{13} }=\frac{|\frac{16}{5}+\frac{9}{5}-6|}{\sqrt{13} }=\frac{|5-6|}{\sqrt{13} }=\frac{\sqrt{13 } }{13}
(2). 当(x0,y0)=(−85,−35)(x_0,y_0)=(-\frac{8}{5},-\frac{3}{5})时
带入=∣2x+3y−6∣13=∣−165−95−6∣13=∣−5−6∣13=111313=\frac{|2x+3y-6|}{\sqrt{13} }=\frac{|-\frac{16}{5}-\frac{9}{5}-6|}{\sqrt{13} }=\frac{|-5-6|}{\sqrt{13} }=\frac{11\sqrt{13 } }{13}
故点为P(85,35)P(\frac{8}{5},\frac{3}{5})时,到直线距离最短,最短距离为1313\frac{\sqrt{13} }{13}。


二重积分

二重积分概念与性质

  1. 定义:二重积分是用来求解曲顶柱体体积的工具,记为∬f(x,y)dx,dy\iint f(x,y)dx,dy。
    其中f(x,y)f(x,y)为被积函数(求图形体积的h),dxdy=dδdx dy=d\delta 面积元素,D为积分区域(底面积)。 V=∬Df(x,y)dxdyV=\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy
  2. 性质:
    (1). ∬Df(x,y)±g(x,y)dxdy=∬Df(x,y)dxdy±g(x,y)dxdy\iint\limits_{D}f(x,y)\pm g(x,y)dxdy=\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy\pm g(x,y)dxdy
    (2). 可加性D=D1+D2,∬Df(x,y)dxdy=∬D1f(x,y)dxdy+∬D2f(x,y)dxdyD=D_1+D_2,\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy=\iint\limits_{D_1}f(x,y)dxdy+\iint\limits_{D_2}f(x,y)dxdy
    (3). ∬Dkf(x,y)dxdy=k∬Df(x,y)dxdy\iint\limits_{D}kf(x,y)dxdy=k\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy
    (4). 底面积计算公式:∬D1⋅dxdy=∬Ddxdy=SD\iint\limits_{D}1\cdot dxdy=\iint\limits_{D}dxdy=S_D
    (5). 比较定理:设f(x,y)≥g(x,y)f(x,y)\ge g(x,y),则∬Df(x,y)dxdy≥∬Dg(x,y)dxdy\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy \ge \iint\limits_{D}g(x,y)dxdy 反比f(x,y)f(x,y)的大小
    (6). 估值定理:设f(x,y)f(x,y)在D上,有最大值M和最小值m,有m≤f(x,y)≤Mm\le f(x,y)\le M
    则有⟹∬Dmdxdy≤∬Df(x,y)dxdy≤∬DMdxdy⟹m∬Ddxdy≤∬Df(x,y)dxdy≤M∬Ddxdy⟹m⋅SD≤∬Df(x,y)dxdy≤M⋅SD\Longrightarrow \iint\limits_{D}mdxdy\le \iint\limits_{D}f(x,y)dxdy\le \iint\limits_{D}Mdxdy \Longrightarrow m\iint\limits_{D}dxdy\le \iint\limits_{D}f(x,y)dxdy\le M\iint\limits_{D}dxdy \Longrightarrow m\cdot S_D\le \iint\limits_{D}f(x,y)dxdy\le M\cdot S_D

二重积分性质考点计算

∬D1⋅dxdy=SD\iint\limits_{D} 1 \cdot dxdy=S_D

(1). 圆的一般表达式:(x−a)2+(y−b)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2=r^2
其中,(a,b)(a,b)为圆心,rr为半径。
S圆=π⋅r2S_圆=\pi \cdot r^2

(2). 椭圆的一般表达式:x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1

S椭圆=π⋅a⋅bS_椭圆=\pi \cdot a \cdot b
例题1:计算∬Ddδ\iint\limits_{D}d\delta 其中D为原点为圆心,半径为5的圆形区域。
解:∬Ddδ=SD=π⋅52=25π\iint\limits_{D}d\delta =S_D=\pi \cdot 5^2=25\pi
例题2:计算二重积分∬x2+y2≤2dxdy\iint\limits_{x^2+y^2\le 2}dxdy
解:由题知:x2+y2≤2x^2+y^2 \le 2取x2+y2=2x^2+y^2=2
因为x2+y2=2x^2+y^2=2为圆的一般表达式,SD=π⋅r2<2S_D=\pi \cdot r^2<2 时在圆面积内部
∬x2+y2≥2dxdy=SD=π⋅r2=2π\iint\limits_{x^2+y^2\ge 2}dxdy =S_D=\pi \cdot r^2=2\pi。
例题3:设积分区域D:1≤x2+y2≤4D:1 \le x^2+y^2 \le 4求二重积分∬Ddxdy\iint\limits_{D}dxdy
解:由题知:1≤x2+y2≤41 \le x^2+y^2 \le 4取x2+y2=1,x2+y2=4x^2+y^2=1,x^2+y^2=4
则∬Ddx=SD=SD大−SD小=4π−π=3π\iint\limits_{D}dx=S_D=S_{D大}-S_{D小}=4 \pi -\pi = 3\pi
例题4:设积分区域D:x24+y2≤1D:\frac{x^2}{4}+y^2 \le 1求二重积分∬Dxdxdy\iint\limits_{D}xdxdy
解:由题知:x24+y2≤1\frac{x^2}{4}+y^2 \le 1取x24+y21=1\frac{x^2}{4}+\frac{y^2}{1}=1
因为x24+y21=1\frac{x^2}{4}+\frac{y^2}{1}=1为椭圆的一般表达式,SD=π⋅a⋅b<1S_D=\pi \cdot a \cdot b<1 时在椭圆面积内部
∬Dxdxdy=SD=π⋅a⋅b=π⋅2⋅1=2π\iint\limits_{D}xdxdy =S_D=\pi \cdot a \cdot b=\pi \cdot 2 \cdot 1=2\pi。


二重积分性质考点比较

(1). 比较定理:设f(x,y)≥g(x,y)f(x,y)\ge g(x,y),则∬Df(x,y)dxdy≥∬Dg(x,y)dxdy\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy \ge \iint\limits_{D}g(x,y)dxdy
例题1:设I1=∬Dcos⁡x2+y2dxdy,I2=∬Dcos⁡(x2+y2)dxdy,I3=∬Dcos⁡(x2+y2)2dxdyI_1=\iint\limits_{D}\cos \sqrt{x^2+y^2}dxdy,I_2=\iint\limits_{D}\cos (x^2+y^2)dxdy,I_3=\iint\limits_{D}\cos (x^2+y^2)^2dxdy其中D={(x,y)∣x2+y2≤1}D=\left \{ (x,y)|x^2+y^2\le 1 \right \} 则I1,I2,I3I_1,I_2,I_3的大小关系是。
解:x2+y2≤1x^2+y^2 \le 1时比较
取一特殊值x2+y2=14x^2+y^2=\frac{1}{4}得x2+y2≥x2+y2≥(x2+y2)2\sqrt{x^2+y^2} \ge x^2+y^2 \ge (x^2+y^2)^2
当x2+y2≤1x^2+y^2\le 1时,1≥x2+y2≥x2+y2≥(x2+y2)2≥01 \ge \sqrt{x^2+y^2} \ge x^2+y^2 \ge (x^2+y^2)^2\ge 0

由图I3≥I2≥I1I_3\ge I_2\ge I_1


二重积分性质考点估值

估值定理:设f(x,y)f(x,y)在D上,有最大值M和最小值m,有m≤f(x,y)≤Mm\le f(x,y)\le M,则m⋅SD≤∬Df(x,y)dxdy≤M⋅SDm\cdot S_D \le \iint\limits_{D}f(x,y)dxdy \le M\cdot S_D
例题1:设I=∬Dxy(x+y)dxdyI=\iint\limits_{D}xy(x+y)dxdy其中0≤x≤1,0≤y≤20 \le x \le1,0\le y\le 2则()≤I≤()()\le I\le()。
解:

由图知:SD=1⋅2=2S_D=1 \cdot 2=2
因为0≤x≤1,0≤y≤20 \le x \le 1,0 \le y\le 2
则x=0,y=0x=0,y=0时为最小值,x=1,y=2x=1,y=2时为最大值
即0≤xy(x+y)≤60 \le xy(x+y) \le 6
0⋅SD≤∬Dxy(x+y)dxdy≤6⋅SD0\cdot S_D \le \iint\limits_{D}xy(x+y)dxdy \le 6 \cdot S_D
0≤∬Dxy(x+y)dxdy≤6⋅20 \le \iint\limits_{D}xy(x+y)dxdy \le 6 \cdot 2
0≤∬Dxy(x+y)dxdy≤120 \le \iint\limits_{D}xy(x+y)dxdy \le 12


二重积分的计算

  1. 直角坐标系下二重积分计算
    解法:将二重积分化为累次积分或二次积分。
    (1). ∬Df(x,y)dxdy=∫abdx∫cdf(x,y)dy\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy=\int_{a}^{b}dx\int_{c}^{d}f(x,y)dy
    (1). ∬Df(x,y)dxdy=∫cddy∫abf(x,y)dx\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy=\int_{c}^{d}dy\int_{a}^{b}f(x,y)dx
    注:求解顺序,先求尾部再求前面,从后往前,从右到左依次求解
    根据积分区域图形不同,选择不同积分顺序。
    1). X型图:函数图形,由上下两函数,夹为一个图形;

    公式:∬Df(x,y)dxdy=∫abdx∫f上(x)f下(x)f(x,y)dy\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy=\int_{a}^{b}dx\int_{f_{上(x)} }^{f_{下(x)} }f(x,y)dy
    2). Y型图:函数图形,由左右两函数,合为一个图形:改函数f(y)f(y);

    公式:∬Df(x,y)dxdy=∫cddy∫f左(y)f右(y)f(x,y)dx\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy=\int_{c}^{d}dy\int_{f_{左(y)} }^{f_{右(y)} }f(x,y)dx
    定限口诀:后积先定限,限内画直线,先交写下限,后交写上限。
  2. 二重积分直角坐标系下计算例题
    求解过程:
    (1). 画图,联立方程,求出曲线交点。
    (2). 判断积分区域类型,确定积分顺序。
    (3). 套公式{X⟹∫□□dx∫□□f(x,y)dyY⟹∫□□dy∫□□f(x,y)dx\left\{\begin{matrix}X\Longrightarrow \int_{\Box }^{\Box }dx\int_{\Box }^{\Box }f(x,y)dy\\Y\Longrightarrow \int_{\Box }^{\Box }dy\int_{\Box }^{\Box }f(x,y)dx\end{matrix}\right. 。
    例题1:计算二重积分∬Dxydxdy\iint\limits_{D}xydxdy其中D为由直线y=1,x=2,y=xy=1,x=2,y=x围成的区域。
    解:

    定为X型图:{1≤x≤21≤y≤x\left\{\begin{matrix}1 \le x \le 2\\1\le y\le x\end{matrix}\right.
    原式=∫12dx∫1xxydy=\int_{1}^{2}dx\int_{1}^{x}xydy =∫12(x⋅12y2)∣1xdx=\int_{1}^{2}(x\cdot \frac{1}{2}y^2)|\begin{matrix}1\\x\end{matrix}dx =12∫12(x3−x)dx=\frac{1}{2} \int_{1}^{2}(x^3-x)dx =12⋅(14x4−12x2)∣21=\frac{1}{2}\cdot (\frac{1}{4}x^4-\frac{1}{2}x^2)|\begin{matrix}2\\1\end{matrix} =98=\frac{9}{8} 定为Y型图:{1≤y≤2y≤x≤2\left\{\begin{matrix}1 \le y \le 2\\y\le x\le 2\end{matrix}\right.
    原式=∫12dy∫y2xydx=\int_{1}^{2}dy\int_{y}^{2}xydx =12∫12y⋅x2∣y2dy=\frac{1}{2} \int_{1}^{2}y\cdot x^2|\begin{matrix}y\\2\end{matrix}dy =12∫12(4y−y3)dy=\frac{1}{2}\int_{1}^{2}(4y-y^3)dy =12⋅(2y2−14y4)∣21=\frac{1}{2}\cdot (2y^2-\frac{1}{4}y^4)|\begin{matrix}2\\1\end{matrix} =98=\frac{9}{8} 例题2:计算二重积分∬Dxydxdy\iint\limits_{D}xydxdy其中D为由直线y2=x,y=x−2y^2=x,y=x-2围成的区域。
    解:

    联立两个方程:y2=x,y=x−2y^2=x,y=x-2
    求得两个交点为(−1,1),(4,2)(-1,1),(4,2)
    定为Y型图:{−1≤y≤2y2≤x≤y+2\left\{\begin{matrix}-1 \le y \le 2\\y^2 \le x\le y+2\end{matrix}\right.
    原式=∫−12dy∫y2y+2xydx=\int_{-1}^{2}dy\int_{y^2}^{y+2}xydx =12∫−12y⋅x2∣y2y+2dy=\frac{1}{2} \int_{-1}^{2}y\cdot x^2|\begin{matrix}y^2\\y+2\end{matrix}dy =12∫−12(y3+4y2+4y−y5)dy=\frac{1}{2}\int_{-1}^{2}(y^3+4y^2+4y-y^5)dy =12⋅(14y4+43y3+2y2−16y6)∣2−1=\frac{1}{2}\cdot (\frac{1}{4}y^4+\frac{4}{3}y^3+2y^2-\frac{1}{6}y^6)|\begin{matrix}2\\-1\end{matrix} =458=\frac{45}{8}

超越积分顺序选择

(1). sin⁡xx,cos⁡xx,sin⁡x2⋅cos⁡x2,ex2,e−x2⟹X\frac{\sin x}{x},\frac{\cos x}{x},\sin x^2\cdot \cos x^2,e^{x^2},e^{-x^2}\Longrightarrow X型
(2). sin⁡yy,cos⁡yy,sin⁡y2⋅cos⁡y2,ey2,e−y2⟹Y\frac{\sin y}{y},\frac{\cos y}{y},\sin y^2\cdot \cos y^2,e^{y^2},e^{-y^2}\Longrightarrow Y型
例题1:求二重积分∬Dsin⁡yydxdy\iint\limits_{D}\frac{\sin y}{y}dxdy其中D为由直线y=x,x=0,y=πy=x,x=0,y=\pi 围成的区域。
解:

定为Y型图:{0≤y≤π0≤x≤y\left\{\begin{matrix}0 \le y \le \pi \\0 \le x \le y\end{matrix}\right.
原式=∫0πdy∫0ysin⁡yydx=\int_{0}^{\pi }dy \int_{0}^{y}\frac{\sin y}{y}dx
=∫0πsin⁡yy⋅x∣y0dy=\int_{0}^{\pi }\frac{\sin y}{y}\cdot x|\begin{matrix}y\\0\end{matrix}dy
=∫xπsin⁡ydy=(−cos⁡y)∣π0=1+1=2=\int_{x}^{\pi }\sin y dy =(-\cos y)|\begin{matrix}\pi \\0\end{matrix} =1+1=2
例题2:求二重积分∬Dcos⁡y2dxdy\iint\limits_{D}\cos y^2dxdy其中D为由直线y=2,x=1,y=x−1y=2,x=1,y=x-1 围成的区域。
解:

定为Y型图:{0≤y≤21≤x≤y+1\left\{\begin{matrix}0 \le y \le 2 \\1 \le x \le y+1\end{matrix}\right.
故原式=∫02dy∫1y+1cos⁡y2dx=\int_{0}^{2}dy \int_{1}^{y+1}\cos y^2dx
=∫02cos⁡y2⋅x∣y+11dy=\int_{0}^{2}\cos y^2\cdot x|\begin{matrix}y+1\\1\end{matrix}dy
=∫02[cos⁡y2(y+1)−cos⁡y2]dy=\int_{0}^{2}[\cos y^2(y+1)-\cos y^2]dy
=12∫02cos⁡y2ydy2=\frac{1}{2}\int_{0}^{2}\cos y^2ydy^2
=12sin⁡y2∣20=sin⁡42=\frac{1}{2} \sin y^2|\begin{matrix}2\\0\end{matrix} =\frac{\sin 4}{2}


交换积分次序

定义:将X型与Y型积分顺序互换;
交换次序思路:
(1). 根据积分上下限,画出积分区域
(2). 交换次序
交换次序的题型:
(1). 题目要求交换
(2). 遇积分上下限定好的二重积分计算
例题1:二次积分∫01dx∫2x2xf(x,y)dy\int_{0}^{1}dx\int_{2x}^{2\sqrt{x} }f(x,y)dy交换积分次序。
A. ∫01dx∫2yyf(x,y)dy\int_{0}^{1}dx\int_{2y}^{\sqrt{y} }f(x,y)dy
B. ∫02dy∫y24y2f(x,y)dx\int_{0}^{2}dy\int_{\frac{y^2}{4} }^{\frac{y}{2} }f(x,y)dx
C. ∫2x2xf(x,y)dy∫01dx\int_{2x}^{2\sqrt{x} }f(x,y)dy\int_{0}^{1}dx
D. ∫y24y2dy∫02f(x,y)dx\int_{\frac{\frac{y^2}{4} }{} }^{\frac{y}{2} }dy\int_{0}^{2}f(x,y)dx

解:由题可知:0≤x≤1,2x≤y≤2x0 \le x \le 1,2x \le y \le 2\sqrt{x}
有图可知:0≤y≤2,y24≤x≤y20 \le y \le 2,\frac{y^2}{4} \le x \le \frac{y}{2}
故选B。
例题2:求积分I=∫1412dy∫12yeyxdx+∫121dy∫yyeyxdxI=\int_{\frac{1}{4} }^{\frac{1}{2} }dy\int_{\frac{1}{2} }^{\sqrt{y} } e^{\frac{y}{x} }dx+\int_{\frac{1}{2} }^{1}dy\int_{\sqrt{y} }^{y}e^{\frac{y}{x} }dx交换积分次序。
解析:∫1412dy∫12yeyxdx\int_{\frac{1}{4} }^{\frac{1}{2} }dy\int_{\frac{1}{2} }^{\sqrt{y} } e^{\frac{y}{x} }dx可知
{14≤y≤1212≤x≤y\left\{\begin{matrix}\frac{1}{4} \le y \le \frac{1}{2} \\\frac{1}{2} \le x\le \sqrt{y} \end{matrix}\right.
∫121dy∫yyeyxdx\int_{\frac{1}{2} }^{1}dy\int_{\sqrt{y} }^{y}e^{\frac{y}{x} }dx可知
{12≤y≤1y≤x≤y\left\{\begin{matrix}\frac{1}{2} \le y \le 1 \\ \sqrt{y} \le x\le y \end{matrix}\right.

选择X型:{12≤x≤1x2≤y≤x\left\{\begin{matrix}\frac{1}{2} \le x \le 1 \\x^2 \le y\le x \end{matrix}\right.
原式∫112dx∫x2xeyxdy\int_{1}^{\frac{1}{2} }dx\int_{x^2}^{x}e^{\frac{y}{x} }dy
∫112x⋅eyx∣xx2dx\int_{1}^{\frac{1}{2} }x \cdot e^{\frac{y}{x} }|\begin{matrix}x\\x^2\end{matrix}dx
∫112x⋅(e−ex)dx\int_{1}^{\frac{1}{2} }x \cdot (e-e^x)dx
∫112xe−xexdx\int_{1}^{\frac{1}{2} }xe - xe^x dx
e∫112xdx−∫121xexdxe\int_{1}^{\frac{1}{2} }x dx-\int_{\frac{1}{2} }^{1}xe^xdx
e12x2∣112−∫121xdexe\frac{1}{2}x^2|\begin{matrix}1\\\frac{1}{2}\end{matrix}-\int_{\frac{1}{2} }^{1}xde^x
e12(1−14)−[(xex)∣112−∫121exdx]e\frac{1}{2}(1-\frac{1}{4})-[(xe^x)|\begin{matrix}1\\ \frac{1}{2}\end{matrix}-\int_{\frac{1}{2} }^{1}e^xdx]
38e−[e−12e12−e+e12]\frac{3}{8}e-[e-\frac{1}{2}e^{\frac{1}{2} }-e+e^{\frac{1}{2} }]
38e−e2\frac{3}{8}e-\frac{\sqrt{e} }{2}


极坐标系下的二重积分

  1. 极坐标系
    极坐标系是在平面直角坐标系的基础上,引入极轴(距离)和极角(角度)的坐标系。
    由极心,极轴,极径,极角组成。


    由图可知:sin⁡θ=yr⟹y=rsin⁡θ\sin \theta =\frac{y}{r}\Longrightarrow y=r \sin \theta cos⁡θ=xr⟹x=ycos⁡θ\cos \theta =\frac{x}{r}\Longrightarrow x=y \cos \theta 小结:在极坐标下,x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,x2+y2=r2x=r \cos \theta ,y=r \sin \theta ,x^2+y^2=r^2
  2. 极坐标系下二重积分计算
    (1). 条件:当遇到与圆相关的积分区域(圆,半圆,扇形,弧形……)。
    (2). 考虑利用极坐标求解。
    常见的函数:yx,x2+y2\frac{y}{x},x^2+y^2
    (3). 转换:令x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dady=rdrdθx=r \cos \theta ,y=r \sin \theta ,dady=rdrd\theta
    (4). 公式:∬Df(x,y)dxdy=(极)∫θ1θ2dθ∫r1r2f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)⋅rdr\iint\limits_{D} f(x,y)dxdy =(极)\int_{\theta 1}^{\theta 2}d\theta \int_{r1}^{r2}f(r\cos \theta ,r\sin \theta )\cdot rdr
  3. 上下限的确定方法
    (1). 夹角θ\theta的取值范围:
    从原点出发,逆时针方向作积分区域的两条切线,取第一条触碰积分区域的切线与x正半轴的夹角为θ1\theta _1。
    取第二条触碰积分区域的切线与x正半轴的夹角为θ2\theta _2。


    ∫θ1θ2dθ\int_{\theta _1}^{\theta _2}d\theta (2). 半径r的取值范围
    OA=r1,OB=r2OA=r_1,OB=r_2,则r1,r2r_1,r_2为积分区域的内外半径。




r的计算方法:将x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,x2+y2=r2x=r\cos \theta ,y=r\sin \theta ,x^2+y^2=r^2代入积分区域的方程,得到r1,r2r_1,r_2的表达式。
注意:0≤r0 \le r
常见积分区域(图像):
(1). 圆
一般式方程:x2+y2=R2x^2+y^2=R^2,其中R为半径,(a,b)为圆心。



其中:0≤θ≤2π,0≤r≤R0\le \theta \le 2\pi ,0\le r \le R
(2). 偏离原点,圆心在x轴上的圆形



(x−a)2+y2=a2(x-a)^2+y^2=a^2,其中a为半径,(a,0)为圆心。
由图:−π2≤θ≤π2,0≤r≤2acos⁡θ-\frac{\pi }{2}\le \theta \le \frac{\pi }{2},0 \le r \le 2a\cos \theta
展开方程式:x2−2ax+a2+y2=a2x^2-2ax+a^2+y^2=a^2
x2+y2=2axx^2+y^2=2ax
即r2=2a⋅rcos⁡θr^2=2a\cdot r\cos \theta
r=2acos⁡θr=2a\cos \theta
(3). 偏离原点,圆心在y轴上的圆形

x2+(y−b)2=b2x^2+(y-b)^2=b^2,其中b为半径,(0,b)为圆心。
由图:0≤θ≤π,0≤r≤2asin⁡θ0\le \theta \le \pi,0 \le r \le 2a\sin \theta
展开方程式:x2+y2−2ay+a2=a2x^2+y^2-2ay+a^2=a^2
x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay
即r2=2a⋅rsin⁡θr^2=2a\cdot r\sin \theta
r=2asin⁡θr=2a\sin \theta

例题1:设积分区域为:D由x2+y2=π29,x2+y2=π2x^2+y^2=\frac{\pi ^2}{9},x^2+y^2=\pi ^2围成,求∬Dsin⁡x2+y2x2+y2dxdy\iint\limits_{D} \frac{\sin \sqrt{x^2+y^2} }{\sqrt{x^2+y^2} }dxdy
解:令x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,x2+y2=r2x=r\cos \theta ,y=r\sin \theta ,x^2+y^2=r^2

由题可知r1=π3,r2=πr_1=\frac{\pi }{3},r_2=\pi
可知:0≤θ≤2π,π3≤r≤π0 \le \theta \le 2\pi ,\frac{\pi }{3}\le r\le \pi
由原式可得:∫02πdθ∫π3πsin⁡r2r2dxdy\int_{0}^{2\pi }d \theta \int_{\frac{\pi }{3} }^{\pi }\frac{\sin \sqrt{r^2} }{\sqrt{r^2} }dxdy
∫02πdθ∫π3πsin⁡rrdr\int_{0}^{2\pi }d \theta \int_{\frac{\pi }{3} }^{\pi }\frac{\sin r}{r}dr
∫02π(−cos⁡r)∣π π3dθ\int_{0}^{2\pi }(-\cos r)|\begin{matrix}\pi \\\ \frac{\pi }{3}\end{matrix} d \theta
∫02π32dθ\int_{0}^{2\pi } \frac{3}{2} d \theta
32θ∣2π 0\frac{3}{2} \theta|\begin{matrix}2\pi \\\ 0\end{matrix}
3π3\pi
例题2:求二重积分∬Ddxdyx2+y2\iint\limits_{D} \frac{dxdy}{\sqrt{x^2+y^2} }其中D:x2+y2=1,x2+y2=2x,y=0D:x^2+y^2=1,x^2+y^2=2x,y=0围成的区域在第一象限部分且x≥12x \ge \frac{1}{2}。
解:由题可知:x2+y2=2xx^2+y^2=2x和x2+y2=1x^2+y^2=1
可得:x2−2x+1−1+y2=0,(x−1)2+y2=1x^2-2x+1-1+y^2=0,(x-1)^2+y^2=1
即圆心为(1,0),r=1(1,0),r=1和(0,0),r=1(0,0),r=1

令x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,x2+y2=r2,dxdy=rdrdθx=r\cos \theta ,y=r\sin \theta ,x^2+y^2=r^2,dxdy=rdrd\theta
过原点作切线y=axy=ax
将x=12x=\frac{1}{2}带入x2+y2=2xx^2+y^2=2x得y=32y=\frac{\sqrt{3} }{2}
将x=12,y=32x=\frac{1}{2},y=\frac{\sqrt{3} }{2} 带入y=axy=ax得a=3a=\sqrt{3}
则切线方程为y=3xy=\sqrt{3} x
则tan⁡θ=3\tan \theta =\sqrt{3}
则θ=π3\theta =\frac{\pi }{3}
因为x2+y2=r2,x2+y2=2xx^2+y^2=r^2,x^2+y^2=2x
则有r1=1,r2=2cos⁡θr_1=1,r_2=2\cos \theta
即得{0≤θ≤π31≤r≤2cos⁡θ\left\{\begin{matrix}0 \le \theta \le \frac{\pi }{3}\\1 \le r \le 2 \cos \theta \end{matrix}\right.
则原式=∫0π3dθ∫12cos⁡θrrdr=\int_{0}^{\frac{\pi }{3} }d \theta \int_{1}^{2\cos \theta }\frac{r}{r}dr
=∫0π3dθ∫12cos⁡θ1⋅dr=\int_{0}^{\frac{\pi }{3}}d \theta \int_{1}^{2\cos \theta }1 \cdot dr
=∫0π3(2cos⁡θ−1)dθ=\int_{0}^{\frac{\pi }{3}}(2\cos \theta -1)d \theta
=2sin⁡θ−θ∣π30=2\sin \theta -\theta |\begin{matrix}\frac{\pi }{3}\\0\end{matrix}
=3−π3=\sqrt{3} -\frac{\pi }{3}


二重积分的对称性

(1). 条件:f(−x,y)=f(x,y),∬Df(x,y)dxdy=2∬D1f(x,y)dxdyf(-x,y)=f(x,y),\iint\limits_D f(x,y)dxdy=2\iint\limits_{D_1} f(x,y)dxdy
(2). 条件:f(−x,y)=−f(x,y),∬Df(x,y)dxdy=0f(-x,y)=-f(x,y),\iint\limits_D f(x,y)dxdy=0
由上条件可以看出:y不变f(−x)=f(x)f(-x)=f(x)为偶函数,或f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x)为奇函数
则二重积分的偶倍奇零。
(1). 积分区域D关于y轴对称,看x的奇偶性;
∬Df(x,y)dxdy=\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy= 关于x函数{2∬D1f(x,y)dxdy为偶函数0,为奇函数\left\{\begin{matrix}2\iint\limits_{D_1}f(x,y)dxdy 为偶函数\\0,为奇函数\end{matrix}\right.
(2). 积分区域D关于x轴对称,看y的奇偶性;
∬Df(x,y)dxdy=\iint\limits_{D}f(x,y)dxdy= 关于y函数{2∬D1f(x,y)dxdy为偶函数0,为奇函数\left\{\begin{matrix}2\iint\limits_{D_1}f(x,y)dxdy 为偶函数\\0,为奇函数\end{matrix}\right.
注意:若D对称,首选对称性
例题1:设D由y=1−x2y=1-x^2及x轴围成,则∬D(sin⁡x+x3y)dxdy\iint\limits_{D}(\sin x+x^3y)dxdy
A. 43\frac{4}{3} B. 23\frac{2}{3} C.1 D. 0
解:

由图可知,函数关于y对称
由题可知:sin⁡x\sin x为奇函数,x3yx^3y为奇函数,即选D
例题2:求I=∬Dxy(x+y)dxdyI=\iint\limits_{D}xy(x+y)dxdy 其中D:由y=x,x+y=0,x=1y=x,x+y=0,x=1围成
解:

由原式得:∬Dx2y+xy2dxdy\iint\limits_{D}x^2y+xy^2dxdy
由偶倍奇零和对称性得知:∬D1xy2dxdy\iint\limits_{D_1}xy^2dxdy
2∫01dx∫0xxy2dy2\int_{0}^{1}dx\int_{0}^{x}xy^2dy
2∫01(x⋅13y3)∣0xdx2\int_{0}^{1}(x\cdot \frac{1}{3}y^3)|\begin{matrix}0\\x\end{matrix}dx
2∫0113x4dx2\int_{0}^{1}\frac{1}{3}x^4dx
23⋅15x5∣01\frac{2}{3}\cdot \frac{1}{5} x^5|\begin{matrix}0\\1\end{matrix}
23⋅1515=215\frac{2}{3}\cdot \frac{1}{5}1^5=\frac{2}{15}

  • 标题: 高等数学-多元函数微分学及二重积分
  • 作者: SunnyDusk
  • 创建于 : 2023-11-24 16:26:00
  • 更新于 : 2025-04-21 15:55:27
  • 链接: https://www.030706.xyz,https//www.sunnydusk.cn/2023/11/24/math-5/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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