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高等数学(工本)

空间解析几何与向量代数

距离公式

|P1P2|=(x2x1)2+(y2y1)2+(z2z1)2

加法

OA+OB=OCOA+AC=OCOAOB=BA

向量坐标

M1M2={(x2x1),(y2y1),(z2z1)}α={a1,a2,a3},β={b1,b2,b3}α//βa1b1=a2b2=a3b3

数量积

αβ=|α||β|cosφαβαβ=0

数量积的坐标表示

α={a1,a2,a3},β={b1,b2,b3}αβ=a1b1+a2b2+a3b3

平面方程

点法式

P0(x0,y0,z0),非零向量n={A,B,C}nP0P=0A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)0

一般方程

Ax+By+Cz+D=0

截距式方程

xa+yb+zc=1

两个平面夹角

n1={A1,B1,C1},n2={A2,B2,C2}cosθ=n1n2|n1||n2|=|A1A2+B1B2+C1C2|A12+B12+C12A22+B22+C22

点到平面距离

d=|Ax0+By0+Cz0+D|A2+B2+C2

直线方程

对称式方程

xx0l=yy0m=zz0n

参数方程

xx0l=yy0m=zz0n{x=x0+lt,y=y0+mt,z=z0+nt,

一般方程

{A1x+B1y+C1z+D1=0,A2x+B2y+C2z+D2=0,

直线的夹角

v1={l1,m1,n1},v2={l2,m2,n2}cosθ=v1v2|v1||v2|=|l1l2+m1m2+n1n2|l12+m12+n12l22+m22+n22

直线与平面夹角

v={l,m,n},n={A,B,C}sinθ=vn|v||n|=|lA+mB+nC|l2+m2+n2A2+B2+C2

多元函数的微分学

偏导数

limΔx0ΔFΔx=limΔx0f(x0+Δx,y0)f(x0,y0)Δx

全微分

dz=fx(x,y)dx+fy(x,y)dy

复合函数偏导数

dzdx=zududx+zvdvdx

隐函数偏导数

dydx=FxFy

偏导数应用

无条件极值

1. 解方程组
{fx(x,y)=0fy(x,y)=0

求出f(x,y)的全部驻点

2. 对每个驻点计算
A=fxx(x0,y0),B=fxy(x0,y0),C=fyy(x0,y0),Δ=B2AC
3. 判断
  1. Δ<0,点(x0,y0)是函数f(x,y)的极值点,当A<0时,f(x0,y0)是极大值,当A>0时,f(x0,y0)是极小值
  2. Δ>0,点(x0,y0)不是函数f(x,y)的极值点
  3. Δ=0,不能判断

条件极值

1. 构造拉格朗日函数
L(x,y)=f(x,y)+λφ(x,y)
2. 解方程组
{Lx=fx(x,y)+λφx(x,y)=0Ly=fy(x,y)+λφy(x,y)=0φ(x,y)=0

空间曲线的切线与法平

线L{x=x(t)y=y(t)z=z(t)LP0(x0,y0,z0)LP0{x(t0),y(t0),z(t0)}
切线方程
xx0x(t0)=yy0y(t0)=zz0z(t0)
法平面方程
x(t0)(xx0)+y(t0)(yy0)+z(t0)(zz0)=0

空间曲面的切平面与法线

ΣF(x,y,z)=0ΣP0(x0,y0,z0)ΣP0{Fx(x0,y0,z0),Fy(x0,y0,z0),Fz(x0,y0,z0)}
法线方程
xx0Fx(x0,y0,z0)=yy0Fy(x0,y0,z0)=zz0Fy(x0,y0,z0)
切平面方程
Fx(x0,y0,z0)(xx0)+Fy(x0,y0,z0)(yy0)+Fz(x0,y0,z0)(zz0)=0

方向导数

zl=zxcosα+zycosβ

梯度

gradf(x0,y0)=fx(x0,y0)i+fy(x0,y0)i={fx(x0,y0),fy(x0,y0)}

重积分

二重积分性质

性质一

Dkf(x,y)dσ=kDf(x,y)dσ

性质二

D(f(x,y)±g(x,y))dσ=Df(x,y)dσ±Dg(x,y)dσD(af(x,y)±bg(x,y))dσ=aDf(x,y)dσ±bDg(x,y)dσ

性质三

Df(x,y)dσ=D1f(x,y)dσ+D2f(x,y)dσ

性质四

f(x,y)g(x,y)Df(x,y)dσDg(x,y)dσ|Df(x,y)dσ|D|f(x,y)|dσ

性质五

mf(x,y)Mm|D|Df(x,y)dσM|D|(|D|D)

性质六

Df(x,y)dσ=f(ξ,η)|D|f(x,y)=1Df(x,y)dσ=D1dσ=Ddσ=|D|

直角坐标下的二重积分

D有界闭区域,积分区域Δσi第i个小闭区域λ所有小闭区域中直径最大的值f(x,y),g(x,y)定义在D上的有界函数,被积函数σD的面积dσ,dxdy直角坐标系中的微元面积α,β常数m,M在D上f(x,y)的最小值和最大值Df(x,y)dσ=limλ0i=1nf(ξi,ηi)ΔσiDf(x,y)dxdy=ab[φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy]dxDf(x,y)dxdy=abdxφ1(x)φ2(x)f(x,y)dy
奇偶性

设积分区域 D 关于 y 轴对称,D=D+D

  1. 若被积函数 f(x,y)是关于 x 的奇函数,即f(x,y)=f(x,y),则I=Df(x,y)dxdy=0
  2. 若被积函数 f(x,y)是关于 x 的偶函数,即f(x,y)=f(x,y),则I=Df(x,y)dxdy=2Df(x,y)dxdy=2Df(x,y)dxdy

极坐标下的二重积分

Df(x,y)dxdy=Df(rcosθ,rsinθ)rdrdθ=αβdθφ1(θ)φ2(θ)f(rcosθ,rsinθ)rdr

三重积分

直角坐标

Ω空间有界闭区域,积分区域Δυi第i个小闭区域f(x,y,z)定义在Ω上的有界函数,被积函数υΩ的体积dυ,dxdydz直角坐标系中的微元面积Ωf(x,y,z)dυ=limλ0i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔυΩf(x,y,z)dxdydz=ab(φ1(x)φ2(x)(z1(x,y)z2(x,y)f(x,y)dz)dy)dxΩf(x,y,z)dxdydz=Dxydxdyz1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dzΩf(x,y,z)dxdydz=abdxy1(x)y2(x)dyz1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz
奇偶性

柱面坐标

{x=rcosθy=rsinθz=zΩf(x,y,z)dv=Ωf(rcosθ,rsinθ,z)rdrdθdz=Ddxdyz1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz=Ddrdθz1(x,y)z2(x,y)f(rcosθ,rsinθ,z)rdz

曲线积分与曲面积分

对弧长的曲线积分

{x=ψ(t),y=φ(t)αtβLf(x,y)ds=αβf(ψ(t),φ(t))(ψ(t))2+φ(t)dt

极坐标

L:r=r(θ),θ0θθ1{x=r(θ)cosθy=r(θ)sinθ(θ0θθ1)ds=(x(θ))2+(y(θ))2dθLf(x,y)ds=θ0θ1f(r(θ)cosθ,r(θ)sinθ)r2(θ)+(r(θ))2dθ

对坐标的曲线积分

{x=ψ(t),y=φ(t),dx=ψ(t)dt,dy=φ(t)dtLAB=P(x,y)dx+Q(x,y)dy=αβ(P(ψ(t),φ(t))ψ(t)+Q(ψ(t),φ(t))φ(t))dt

格林公式

D(QxPy)dxdy=LPdx+Qdy

对面积的曲面积分

Σf(x,y,z)dS=Dxyf(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2dxdy

对坐标的曲面积分

ΣR(x,y,z)dxdy={+DxyR(x,y,z(x,y))dxdy,若在Σ上恒有0γ<π2(上侧)DxyR(x,y,z(x,y))dxdy,若在Σ上恒有π2<γπ(下侧)0,若在Σ上恒有γ=π2

常微分方程

一阶微分方程

可分离变量的微分方程

dydx=f(x)g(y)dyg(y)=f(x)dx

齐次方程

dydx=f(x,y)dydx=φ(yx)u=yx,y=xu,dydx=u+xdudxu+xdudx=φ(u)xdudx=φ(u)u

一阶线性微分方程

dydx+P(x)y=Q(x)y=(Q(x)eP(x)dxdx+C)eP(x)dx

可降阶的二阶微分方程

y''=f(x)

求两次积分

二阶线性微分方程

齐次

y=p(x)y=q(x)y=f(x)

非齐次

y=y(x)+y(x)

二阶常系数线性微分方程

y+py+qy=0r2+pr+q=0y=C1er1x+C2er2xy=eax(C1cosβx+C2sinβx)y=(C1+C2x)erx

无穷级数

数项级数的概率

sn=k=1nuk=u1+u2+u3++uns使:s=limsn

数项级数的基本性质

性质一

n=1unn=1Cun,n=1Cun=Cn=1un

性质二

n=1un,n=1vns,σ,n=1(un±vn)s±σ

性质三

在级数中去掉、增加或改变有限项,其敛散性不变

性质四

n=1un(u1++un1)+(un1+1++un2)++(unk1+1++unk)+

性质五(收敛的必要条件)

n=1un,limnun=0

常见级数

调和级数

n=11n

P 级数

n=11np(p>0)p>10<p1

交错级数

n=1(1)n1unn=1(1)nun

绝对收敛和条件收敛

n=1|un|n=1unn=1un,n=1|un|n=1un

审敛法

定理 1

n=1un:{sn}

定理 2(比较审敛法)

n=1unn=1vnunvn(n=1,2,)n=1vnn=1un()n=1unn=1vn()

定理 3(比较审敛法的极限形式)

limnunvn=ln=1vnlimnunvn=l(0<l<+)n=1unn=1vn

定理 4【比值审敛法,达朗贝尔(D'Alembert)审敛法】

n=1un,limnun+1un=ρρ<1ρ>1ρ=1

定理 5【根值审敛法,柯西(Cauchy)审敛法】

n=1un,limnunn=ρρ<1ρ>1ρ=1

定理 6(布莱尼茨审敛法)

n=1(1)n1un:1.{un}n,unun+12.limnun=0u1

定理 7

n=1unn=1un1