第一章 数学分析

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1.5 多元函数积分学

  1. 二重积分的中值定理

    设f(x,y)f(x,y)f(x,y)在有界闭区域DDD上连续,区域DDD的面积为σ\sigmaσ,则

    ∃(ξ,η)∈D,s.t.∬Df(x,y)dσ=f(ξ,η)σ\exist(\xi,\eta)\in D,s.t.\iint\limits_Df(x,y)d\sigma=f(\xi,\eta)\sigma∃(ξ,η)∈D,s.t.D∬​f(x,y)dσ=f(ξ,η)σ

  2. 二重积分的一般换元

    ∬Dxyf(x,y)dxdy=∬Duvf(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv\iint\limits_{D_{xy}}f(x,y)dxdy=\iint\limits_{D_{uv}}f(x(u,v),y(u,v))|J|dudvDxy​∬​f(x,y)dxdy=Duv​∬​f(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv

    其中JacobiJacobiJacobi矩阵的行列式∣J∣=∣∂(x,y)∂(u,v)∣=∣xuxvyuyv∣=∣uxuyvxvy∣−1|J|=|\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}|=\begin{vmatrix}x_u&x_v\\y_u&y_v\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}u_x&u_y\\v_x&v_y\end{vmatrix}^{-1}∣J∣=∣∂(u,v)∂(x,y)​∣=​xu​yu​​xv​yv​​​=​ux​vx​​uy​vy​​​−1

  3. 二重积分的极坐标变换

    {x=rcos⁡θy=rsin⁡θ⇒∣J∣=∣∂(x,y)∂(r,θ)∣=r\begin{cases}x=r\cos\theta\\y=r\sin\theta\end{cases}\Rightarrow|J|=|\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)}|=r{x=rcosθy=rsinθ​⇒∣J∣=∣∂(r,θ)∂(x,y)​∣=r

    更一般地

    {x=x0+arcos⁡θy=y0+brsin⁡θ⇒∣J∣=∣∂(x,y)∂(r,θ)∣=abr\begin{cases}x=x_0+ar\cos\theta\\y=y_0+br\sin\theta\end{cases}\Rightarrow|J|=|\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)}|=abr{x=x0​+arcosθy=y0​+brsinθ​⇒∣J∣=∣∂(r,θ)∂(x,y)​∣=abr

  4. 三重积分的一般换元

    ∭Ωxyzf(x,y,z)dxdydz=∭Ωuvwf(x,y,z)∣J∣dudvdw\iiint\limits_{\Omega_{xyz}}f(x,y,z)dxdydz=\iiint\limits_{\Omega_{uvw}}f(x,y,z)|J|dudvdwΩxyz​∭​f(x,y,z)dxdydz=Ωuvw​∭​f(x,y,z)∣J∣dudvdw

    其中JacobiJacobiJacobi矩阵的行列式∣J∣=∣∂(x,y,z)∂(u,v,w)∣=∣xuxvxwyuyvywzuzvzw∣=∣uxuyuzvxvyvzwxwywz∣−1|J|=|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}|=\begin{vmatrix}x_u&x_v&x_w\\y_u&y_v&y_w\\z_u&z_v&z_w\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}u_x&u_y&u_z\\v_x&v_y&v_z\\w_x&w_y&w_z\end{vmatrix}^{-1}∣J∣=∣∂(u,v,w)∂(x,y,z)​∣=​xu​yu​zu​​xv​yv​zv​​xw​yw​zw​​​=​ux​vx​wx​​uy​vy​wy​​uz​vz​wz​​​−1

  5. 三重积分的柱坐标变换

    {x=rcos⁡θy=rsin⁡θz=z⇒∣J∣=∣∂(x,y,z)∂(r,θ,z)∣=r\begin{cases}x=r\cos\theta\\y=r\sin\theta\\z=z\end{cases}\Rightarrow|J|=|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,z)}|=r⎩⎨⎧​x=rcosθy=rsinθz=z​⇒∣J∣=∣∂(r,θ,z)∂(x,y,z)​∣=r

    更一般地

    {x=x0+arcos⁡θy=y0+brsin⁡θz=z0+z⇒∣J∣=∣∂(x,y,z)∂(r,θ,z)∣=abr\begin{cases}x=x_0+ar\cos\theta\\y=y_0+br\sin\theta\\z=z_0+z\end{cases}\Rightarrow|J|=|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,z)}|=abr⎩⎨⎧​x=x0​+arcosθy=y0​+brsinθz=z0​+z​⇒∣J∣=∣∂(r,θ,z)∂(x,y,z)​∣=abr

  6. 三重积分的球坐标变换

    {x=rsin⁡φcos⁡θy=rsin⁡φsin⁡θz=rcos⁡φ⇒∣J∣=∣∂(x,y,z)∂(r,θ,φ)∣=r2sin⁡φ\begin{cases}x=r\sin\varphi\cos\theta\\y=r\sin\varphi\sin\theta\\z=r\cos\varphi\end{cases}\Rightarrow|J|=|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,\varphi)}|=r^2\sin\varphi⎩⎨⎧​x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφ​⇒∣J∣=∣∂(r,θ,φ)∂(x,y,z)​∣=r2sinφ

    更一般地

    {x=x0+arsin⁡φcos⁡θy=y0+brsin⁡φsin⁡θz=z0+crcos⁡φ⇒∣J∣=∣∂(x,y,z)∂(r,θ,φ)∣=abcr2sin⁡φ\begin{cases}x=x_0+ar\sin\varphi\cos\theta\\y=y_0+br\sin\varphi\sin\theta\\z=z_0+cr\cos\varphi\end{cases}\Rightarrow|J|=|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,\varphi)}|=abcr^2\sin\varphi⎩⎨⎧​x=x0​+arsinφcosθy=y0​+brsinφsinθz=z0​+crcosφ​⇒∣J∣=∣∂(r,θ,φ)∂(x,y,z)​∣=abcr2sinφ

  7. 空间曲面的面积

    z=f(x,y)z=f(x,y)z=f(x,y)在区域DDD上的曲面面积为

    S=∬SdS=∬D1+zx2+zy2dxdyS=\iint\limits_SdS=\iint\limits_D\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}dxdyS=S∬​dS=D∬​1+zx2​+zy2​​dxdy

  8. 质心坐标

    以二维为例

    x‾=∬xρ(x,y)dxdy∬ρ(x,y)dxdy,y‾=∬yρ(x,y)dxdy∬ρ(x,y)dxdy\overline x=\frac{\iint x\rho(x,y)dxdy}{\iint\rho(x,y)dxdy},\overline y=\frac{\iint y\rho(x,y)dxdy}{\iint\rho(x,y)dxdy}x=∬ρ(x,y)dxdy∬xρ(x,y)dxdy​,y​=∬ρ(x,y)dxdy∬yρ(x,y)dxdy​

  9. 转动惯量

    Jl=∬Dr2(x,y)ρ(x,y)dxdyJ_l=\iint\limits_Dr^2(x,y)\rho(x,y)dxdyJl​=D∬​r2(x,y)ρ(x,y)dxdy

  10. 万有引力分量

    Fi=∭Ωmρ(x,y,z)(i−i0)r3dxdydz,i∈{x,y,z}F_i=\iiint\limits_\Omega\frac{m\rho(x,y,z)(i-i_0)}{r^3}dxdydz,i\in\{x,y,z\}Fi​=Ω∭​r3mρ(x,y,z)(i−i0​)​dxdydz,i∈{x,y,z}

  11. 第一类曲线积分

    设曲线L:{x=x(t)y=y(t),t∈[α,β]L:\begin{cases}x=x(t)\\y=y(t)\end{cases},t\in[\alpha,\beta]L:{x=x(t)y=y(t)​,t∈[α,β],则f(x,y)f(x,y)f(x,y)沿LLL的积分为

    ∫Lf(x,y)ds=∫αβf(x(t),y(t))xt2+yt2dt\int\limits_Lf(x,y)ds=\int_\alpha^\beta f(x(t),y(t))\sqrt{x_t^2+y_t^2}dtL∫​f(x,y)ds=∫αβ​f(x(t),y(t))xt2​+yt2​​dt

  12. 第二类曲线积分

    设曲线L:{x=x(t)y=y(t),t∈[α,β]L:\begin{cases}x=x(t)\\y=y(t)\end{cases},t\in[\alpha,\beta]L:{x=x(t)y=y(t)​,t∈[α,β],则F⃗(x,y)\vec F(x,y)F(x,y)沿LLL的积分为

    ∫LF⃗(x,y)ds⃗=∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy\int\limits_L\vec F(x,y)d\vec s=\int\limits_LP(x,y)dx+Q(x,y)dyL∫​F(x,y)ds=L∫​P(x,y)dx+Q(x,y)dy

    进一步

    ∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ[P(x(t),y(t))x′(t)+Q(x(t),y(t))y′(t)]dt\int\limits_LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=\int_\alpha^\beta [P(x(t),y(t))x'(t)+Q(x(t),y(t))y'(t)]dtL∫​P(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ​[P(x(t),y(t))x′(t)+Q(x(t),y(t))y′(t)]dt

  13. 第一类曲线积分与第二类曲线积分互相转化

    若(cos⁡α,cos⁡β)为沿曲线方向的单位切向量,则{dx=dscos⁡αdy=dscos⁡β若(\cos\alpha,\cos\beta)为沿曲线方向的单位切向量,则\begin{cases}dx=ds\cos\alpha\\dy=ds\cos\beta\end{cases}若(cosα,cosβ)为沿曲线方向的单位切向量,则{dx=dscosαdy=dscosβ​

  14. GreenGreenGreen公式

    设区域DDD是由分段光滑的曲线LLL围成,且P(x,y),Q(x,y)P(x,y),Q(x,y)P(x,y),Q(x,y)在DDD上具有一阶连续偏导,则

    ∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy=∮LPdx+Qdy\iint\limits_D(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y})dxdy=\oint\limits_LPdx+QdyD∬​(∂x∂Q​−∂y∂P​)dxdy=L∮​Pdx+Qdy

    特别地,闭合曲线LLL围成的面积为

    S=∬Ddxdy=∮Lxdy=12∮Lxdy−ydxS=\iint\limits_Ddxdy=\oint\limits_Lxdy=\frac 12\oint\limits_Lxdy-ydxS=D∬​dxdy=L∮​xdy=21​L∮​xdy−ydx

  15. 平面曲线积分与路径无关

    设D是单连通闭区域,且P,Q在D上具有一阶连续偏导数,则在区域D内以下四个条件等价:(1)∫LPdx+Qdy积分值与路径无关(2)任意一条光滑闭曲线L,有∮LPdx+Qdy=0(3)存在可微函数u(x,y),使得du=Pdx+Qdy(4)∂Q∂x=∂P∂y\begin{aligned} &设D是单连通闭区域,且P,Q在D上具有一阶连续偏导数,则在区域D内以下四个条件等价:\\ &(1)\int\limits_LPdx+Qdy积分值与路径无关\\ &(2)任意一条光滑闭曲线L,有\oint\limits_LPdx+Qdy=0\\ &(3)存在可微函数u(x,y),使得du=Pdx+Qdy\\ &(4)\frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{\partial P}{\partial y} \end{aligned}​设D是单连通闭区域,且P,Q在D上具有一阶连续偏导数,则在区域D内以下四个条件等价:(1)L∫​Pdx+Qdy积分值与路径无关(2)任意一条光滑闭曲线L,有L∮​Pdx+Qdy=0(3)存在可微函数u(x,y),使得du=Pdx+Qdy(4)∂x∂Q​=∂y∂P​​

  16. 第一类曲面积分

    设曲面Σ:z=z(x,y)\Sigma:z=z(x,y)Σ:z=z(x,y),函数f(x,y,z)f(x,y,z)f(x,y,z)在曲面Σ\SigmaΣ上的积分为

    ∬Σf(x,y,z)dS=∬Dxyf(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2dxdy\iint\limits_\Sigma f(x,y,z)dS=\iint\limits_{D_{xy}}f(x,y,z(x,y))\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}dxdyΣ∬​f(x,y,z)dS=Dxy​∬​f(x,y,z(x,y))1+zx2​+zy2​​dxdy

  17. 第一类曲面积分换元公式

    若曲面Σ\SigmaΣ以参数形式给出或换元为参数形式{x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)\begin{cases}x=x(u,v)\\y=y(u,v)\\z=z(u,v)\end{cases}⎩⎨⎧​x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)​,则f(x,y,z)f(x,y,z)f(x,y,z)在曲面Σ\SigmaΣ上的积分为

    ∬Σf(x,y,z)dS=∬Duvf(x,y,z)EG−F2dudv\iint\limits_\Sigma f(x,y,z)dS=\iint\limits_{D_{uv}}f(x,y,z)\sqrt{EG-F^2}dudvΣ∬​f(x,y,z)dS=Duv​∬​f(x,y,z)EG−F2​dudv

    其中E,F,GE,F,GE,F,G称为曲面Σ\SigmaΣ的第一基本量:{E=xu2+yu2+zu2F=xuxv+yuyv+zuzvG=xv2+yv2+zv2\begin{cases}E=x_u^2+y_u^2+z_u^2\\F=x_ux_v+y_uy_v+z_uz_v\\G=x_v^2+y_v^2+z_v^2\end{cases}⎩⎨⎧​E=xu2​+yu2​+zu2​F=xu​xv​+yu​yv​+zu​zv​G=xv2​+yv2​+zv2​​

  18. 第二类曲面积分

    曲面向上、向右、向前时为正方向

    ∬LF⃗(x,y,z)dS⃗=∫LPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint\limits_L\vec F(x,y,z)d\vec S=\int\limits_LPdydz+Qdzdx+RdxdyL∬​F(x,y,z)dS=L∫​Pdydz+Qdzdx+Rdxdy

  19. 第一类曲面积分与第二类曲面积分互相转化

    若(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)为曲面方向的单位法向量,则{dydz=dScos⁡αdzdx=dScos⁡βdxdy=dScos⁡γ若(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma)为曲面方向的单位法向量,则\begin{cases}dydz=dS\cos\alpha\\dzdx=dS\cos\beta\\dxdy=dS\cos\gamma\end{cases}若(cosα,cosβ,cosγ)为曲面方向的单位法向量,则⎩⎨⎧​dydz=dScosαdzdx=dScosβdxdy=dScosγ​

    以上关系也用于同一积分在不同投影曲面之间的相互转化

  20. GaussGaussGauss公式

    设函数P,Q,RP,Q,RP,Q,R在封闭区域Ω\OmegaΩ内有一阶连续偏导,Σ\SigmaΣ为区域Ω\OmegaΩ的边界,并取外侧,则

    ∭Ω(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dxdydz=∯ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iiint\limits_\Omega(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z})dxdydz=\oiint\limits_{\Sigma} Pdydz+Qdzdx+RdxdyΩ∭​(∂x∂P​+∂y∂Q​+∂z∂R​)dxdydz=Σ∬​​Pdydz+Qdzdx+Rdxdy

  21. StokesStokesStokes公式

    设函数P,Q,RP,Q,RP,Q,R在曲面Σ\SigmaΣ内有一阶连续偏导,Γ\GammaΓ为曲面Σ\SigmaΣ的正向边界,则

    KaTeX parse error: Expected group after '_' at position 6: \iint_̲\limits\Sigma(\…

    或者记为行列式形式

    KaTeX parse error: Expected group after '_' at position 6: \iint_̲\limits\Sigma\b…

  22. 空间曲线积分与路径无关

    设Ω是单连通闭区域,且P,Q,R在Ω上具有一阶连续偏导数,则在区域Ω内以下四个条件等价:(1)∫LPdx+Qdy+Rdz积分值与路径无关(2)任意一条光滑闭曲线L,有∮LPdx+Qdy+Rdz=0(3)存在可微函数u(x,y,z),使得du=Pdx+Qdy+Rdz(4)∂Q∂x=∂P∂y,∂R∂y=∂Q∂z,∂P∂z=∂R∂x\begin{aligned} &设\Omega是单连通闭区域,且P,Q,R在\Omega上具有一阶连续偏导数,则在区域\Omega内以下四个条件等价:\\ &(1)\int\limits_LPdx+Qdy+Rdz积分值与路径无关\\ &(2)任意一条光滑闭曲线L,有\oint\limits_LPdx+Qdy+Rdz=0\\ &(3)存在可微函数u(x,y,z),使得du=Pdx+Qdy+Rdz\\ &(4)\frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{\partial P}{\partial y},\frac{\partial R}{\partial y}=\frac{\partial Q}{\partial z},\frac{\partial P}{\partial z}=\frac{\partial R}{\partial x} \end{aligned}​设Ω是单连通闭区域,且P,Q,R在Ω上具有一阶连续偏导数,则在区域Ω内以下四个条件等价:(1)L∫​Pdx+Qdy+Rdz积分值与路径无关(2)任意一条光滑闭曲线L,有L∮​Pdx+Qdy+Rdz=0(3)存在可微函数u(x,y,z),使得du=Pdx+Qdy+Rdz(4)∂x∂Q​=∂y∂P​,∂y∂R​=∂z∂Q​,∂z∂P​=∂x∂R​​

  23. 场论初步

    HamiltonHamiltonHamilton算子

    ∇=(∂∂x,∂∂y,∂∂z)\nabla=(\frac{\partial}{\partial x},\frac{\partial}{\partial y},\frac{\partial}{\partial z})∇=(∂x∂​,∂y∂​,∂z∂​)

    梯度、散度与旋度

    若定义数量场f=f(x,y,z)和向量场F⃗=(P,Q,R),则有:从数量场到向量场的梯度:grad(f)=∇f=(∂f∂x,∂f∂y,∂f∂z)从向量场到数量场的散度:div(f)=∇⋅f=∂f∂x+∂f∂y+∂f∂z从向量场到向量场的旋度:rot(F⃗)=∇×F⃗=(∂R∂y−∂Q∂z,∂P∂z−∂R∂x,∂Q∂x−∂P∂y)\begin{aligned} &若定义数量场f=f(x,y,z)和向量场\vec F=(P,Q,R),则有:\\ &从数量场到向量场的梯度:grad(f)=\nabla f=(\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z})\\ &从向量场到数量场的散度:div(f)=\nabla\cdot f=\frac{\partial f}{\partial x}+\frac{\partial f}{\partial y}+\frac{\partial f}{\partial z}\\ &从向量场到向量场的旋度:rot(\vec F)=\nabla\times\vec F=(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z},\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x},\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}) \end{aligned}​若定义数量场f=f(x,y,z)和向量场F=(P,Q,R),则有:从数量场到向量场的梯度:grad(f)=∇f=(∂x∂f​,∂y∂f​,∂z∂f​)从向量场到数量场的散度:div(f)=∇⋅f=∂x∂f​+∂y∂f​+∂z∂f​从向量场到向量场的旋度:rot(F)=∇×F=(∂y∂R​−∂z∂Q​,∂z∂P​−∂x∂R​,∂x∂Q​−∂y∂P​)​

    有势场、保守场与无旋场

    对于向量场F⃗=(P,Q,R),定义如下三种性质:(1)F⃗是有势场⇔存在数量场u(x,y,z),使得grad(u)=F⃗(2)F⃗是保守场⇔对任意闭曲线Γ,有∮ΓPdx+Qdy+Rdz=0(3)F⃗是无旋场⇔对空间中任意一点,有rot(F⃗)=0且以上三种定义在数学上等价\begin{aligned} &对于向量场\vec F=(P,Q,R),定义如下三种性质:\\ &(1)\vec F是有势场\Leftrightarrow存在数量场u(x,y,z),使得grad(u)=\vec F\\ &(2)\vec F是保守场\Leftrightarrow对任意闭曲线\Gamma,有\oint\limits_\Gamma Pdx+Qdy+Rdz=0\\ &(3)\vec F是无旋场\Leftrightarrow对空间中任意一点,有rot(\vec F)=0\\ &且以上三种定义在数学上等价 \end{aligned}​对于向量场F=(P,Q,R),定义如下三种性质:(1)F是有势场⇔存在数量场u(x,y,z),使得grad(u)=F(2)F是保守场⇔对任意闭曲线Γ,有Γ∮​Pdx+Qdy+Rdz=0(3)F是无旋场⇔对空间中任意一点,有rot(F)=0且以上三种定义在数学上等价​

  24. 场论与积分公式

    GreenGreenGreen公式和StokesStokesStokes公式

    ∬Σrot(F⃗)⋅dS⃗=∮ΓF⃗⋅ds⃗\iint\limits_\Sigma rot(\vec F)\cdot d\vec S=\oint\limits_\Gamma\vec F\cdot d\vec sΣ∬​rot(F)⋅dS=Γ∮​F⋅ds

    GaussGaussGauss公式

    ∭Ωdiv(F⃗)dΩ=∯SF⃗⋅dS⃗\iiint\limits_\Omega div(\vec F)d\Omega=\oiint\limits_S\vec F\cdot d\vec SΩ∭​div(F)dΩ=S∬​​F⋅dS

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