一、极值、最值、条件极值

  1. 边界上的最值问题(参数化、一元函数最值问题、条件极值)

  2. 理清谁是目标函数,谁是条件

二、二重积分的定义

例1:计算极限 I=limn→∞∑i=1n∑j=1n(ai+bj)3n5.

分析:利用重积分的定义将二重和式极限问题转化为累次积分。

I=limn→∞∑i=1n∑j=1n(ain+bjn)3n2=∬×(ax+by)3dxdy=∫01dx∫01(ax+by)3dy=∫01[14b(ax+by)4]01dx=14b∫01[(ax+b)4−(ax)4]dx=14b[(ax+b)55a−(ax)55a]01=120ab[(a+b)5−a5−b5]

注意:

  • 需出现 in 或类似的形式才能算作分划。

  • 如果在变换时有系数的调整,须在间隔处考虑。

  • 比如:limn→∞∑i=1n∑j=1n∑k=1n1n5(ai+bjsinkπn)2

三、二重积分的计算

技巧:线性性、积分区域划分、变量替换、对称性等

例1:计算球体 x2+y2+z2⩽a2 被圆柱 x2+y2=ax 所截得的那部分体积。

分析:由对称性,计算第一卦限内体积再 4 倍之。

V=4∬Da2−x2−y2 dx dy,D:x2+y2⩽ax,y⩾0

极坐标变换下,积分域 D 的圆弧边界曲线化为 r=acos⁡θ,0⩽θ⩽π2.

V=4∬Da2−x2−y2 dx dy=4∫0π2 dθ∫0acos⁡θa2−r2r dr=4∫0π2[−13(a2−r2)3/2]0acos⁡θdθ=43∫0π2(a3−(a2−a2cos2⁡θ)3/2)dθ=43a3∫0π2(1−sin3⁡θ)dθ=43a3(π2−23)=23πa3−89a3

注意:在此处涉及到开方运算,如果不利用对称性将 θ 范围调整在 [0,π2] 内就会出现错误答案。因此建议先用对称性化简积分。

例2:计算闭曲线 (x2a2+y2b2)2=x2−y2(a,b>0) 所围成图形的面积。

分析:积分域画不出怎么办?分析推出积分上下限。由对称性,计算第一象限内区域面积再 4 倍之。

令 x=arcos⁡θ,y=brsin⁡θ,|J|=abr.

代入方程得:

(r2cos2⁡θ+r2sin2⁡θ)2=a2r2cos2⁡θ−b2r2sin2⁡θ
r4=r2(a2cos2⁡θ−b2sin2⁡θ)

故 0⩽r2⩽a2cos2⁡θ−b2sin2⁡θ.

由 r2≥0 可得 a2cos2⁡θ−b2sin2⁡θ⩾0⟹tan2⁡θ≤a2b2⟹0⩽θ⩽arctan⁡ab.

S=4∫0arctan⁡ab dθ∫0a2cos2⁡θ−b2sin2⁡θabr dr=4∫0arctan⁡abab[12r2]0a2cos2⁡θ−b2sin2⁡θdθ=2ab∫0arctan⁡ab(a2cos2⁡θ−b2sin2⁡θ)dθ=ab∫0arctan⁡ab[a2(1+cos⁡(2θ))−b2(1−cos⁡(2θ))]dθ=ab∫0arctan⁡ab[(a2−b2)+(a2+b2)cos⁡(2θ)]dθ=12ab(a2−b2)arctan⁡(ab)+12ab

四、重积分的综合应用

1. 积分相关的极限问题

下面给出两道例题:

例1:设 D={(x,y)∣x2+y2⩽r2} ,求极限 limr→01πr2∬Dex2−y2cos⁡(x+y)dx dy .

解:由积分中值定理,因 f(x,y)=ex2−y2cos⁡(x+y) 在有界闭区域 D={(x,y)∣x2+y2⩽r2} 上连续,则在 D 上至少存在一点 (ξ,η), 使得:

∬Dex2−y2cos⁡(x+y)dσ=f(ξ,η)⋅Area(D)=f(ξ,η)⋅πr2

即

1πr2∬Dex2−y2cos⁡(x+y)dσ=f(ξ,η)

当 r→0 时,区域 D 收缩到点 (0,0),因此点 (ξ,η)∈D 也趋于 (0,0)。而由于 f(x,y) 连续,故:

limr→01πr2∬Dex2−y2cos⁡(x+y)dσ=limr→0f(ξ,η)=f(limr→0(ξ,η))=f(0,0)=1

例2:计算极限 limt→0+∫0t dx∫xt(ex2−ey2)dyt4 .

解:

原式=limt→0+∫0tdx∫xtex2dy−∫0tdx∫xtey2dyt4=limt→0+∫0tex2(t−x)dx−∫0tdy∫0yey2dxt4(交换积分次序)=limt→0+t∫0tex2 dx−∫0txex2 dx−∫0tyey2y dyt4=limt→0+t∫0tex2 dx−2∫0txex2 dxt4(洛必达法则)=limt→0+∫0tex2 dx+tet2−2tet24t3=limt→0+∫0tex2 dx−tet24t3(洛必达法则)=limt→0+et2−(et2+t⋅et2⋅2t)12t2=limt→0+−2t2et212t2=−16

2. 积分方程问题

常见的积分方程:

  1. 由定积分定义的积分方程

    • 把定积分令为一个常数 a,把 a 求出来。

  2. 由变限积分函数定义的积分方程

    • 直接求导转化为微分方程。

    • 隐藏初始条件(上下限相同时积分为0)。

    • 注:三种变上限积分的求导方法:

      1. 能移出积分号的移出积分号(拆分凑并)。

      2. 把被积函数中的与积分无关变量通过变量替换变换到上下限中。

      3. 莱布尼茨积分法则: 若 F(t)=∫c(t)d(t)f(x,t)dx,则

        F′(t)=f(d(t),t)⋅d′(t)−f(c(t),t)⋅c′(t)+∫c(t)d(t)∂f∂t(x,t)dx

        而当积分上下限为常数时,公式简化为:

        ddt∫cdf(x,t)dx=∫cd∂f∂t(x,t)dx

下面给出两个例题:

例1:已知二元函数 f(x,y) 满足 f(x,y)=y+2∫0xf(x−t,y)dt, g(x,y) 满足 ∂g∂x=1,∂g∂y=−1,g(0,0)=0 ,求 limn→∞[f(1n,n)g(n,1)]n .

解:

  1. 求解 f(x,y): 在积分 ∫0xf(x−t,y)dt 中,令 u=x−t,则 t=x−u,dt=−du。 当 t=0 时 u=x;当 t=x 时 u=0。

    ∫0xf(x−t,y)dt=∫x0f(u,y)(−du)=∫0xf(u,y)du

    于是原方程变为 f(x,y)=y+2∫0xf(u,y)du。 两边对 x 求偏导,得 fx′(x,y)=2f(x,y)。 这是一个关于 x 的常微分方程,解得 f(x,y)=φ(y)e2x。 代入 x=0 到原方程中,得 f(0,y)=y+0=y。 又 f(0,y)=φ(y)e0=φ(y),所以 φ(y)=y。 故 f(x,y)=ye2x。

  2. 求解 g(x,y): 由 ∂g(x,y)∂x=1,积分得 g(x,y)=x+ψ(y)。 再求 y 的偏导:∂g(x,y)∂y=ψ′(y)。 而已知 ∂g(x,y)∂y=−1,则 ψ′(y)=−1,积分得 ψ(y)=−y+C。 所以 g(x,y)=x−y+C。 由 g(0,0)=0,得 C=0。 故 g(x,y)=x−y。

  3. 求极限:

    limn→∞[f(1n,n)g(n,1)]n=limn→∞(ne2nn−1)n=limn→∞(e2n)n⋅(nn−1)n=e2⋅limn→∞(n−1+1n−1)n=e2⋅limn→∞(1+1n−1)n−1⋅(1+1n−1)1=e2⋅e⋅1=e3

例2:若 f(x,y) 在 × 上连续,且 xy(∬Df(x,y)dx dy)2=f(x,y)−1 ,求 f(x,y)。

解: 令常数 A=∬Df(x,y)dx dy。 则方程变为 xyA2=f(x,y)−1,即 f(x,y)=xyA2+1。

将此表达式代入 A 的定义中:

A=∬D(xyA2+1)dxdy
A=A2∬Dxydxdy+∬D1dxdy

其中 D=×。 ∬D1dxdy=Area(D)=1。 ∬Dxydxdy=∫01xdx∫01ydy=12⋅12=14。

代入得:

A=A2⋅14+1

整理得 A2−4A+4=0,即 (A−2)2=0。 解得 A=2。

所以 f(x,y)=xy(2)2+1=4xy+1。

3. 对称性的应用

运用轮换对称性+奇偶性简化计算/处理不能用常规手段解决的积分。 下面给出两个例题:

例1:设 D={(x,y)∣x2+y2⩽4,x⩾0,y⩾0},f(x) 是 D 上的正值连续函数。计算 I=∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dx dy.

分析:利用轮换对称性。积分区域 D 关于直线 y=x 对称。

I=∬Daf(x)f(x)+f(y)dxdy+∬Dbf(y)f(x)+f(y)dxdy

记 I1=∬Df(x)f(x)+f(y)dxdy 和 I2=∬Df(y)f(x)+f(y)dxdy。

由于区域 D 关于 y=x 对称,交换 x,y 积分值不变,所以 I1=I2。

又因为 I1+I2=∬Df(x)+f(y)f(x)+f(y)dxdy=∬D1dxdy=Area(D)=14π(22)=π。

所以 I1=I2=π2。

因此 I=aI1+bI2=(a+b)π2。

例2:设正方形区域 D={(x,y)||x|⩽1,|y|⩽1} 被对角线分为四个区域 Dk(k=1,2,3,4),Ik=∬Dkycos⁡x dx dy。求 max{Ik}。

分析:被积函数 f(x,y)=ycos⁡x。由于 cos⁡x 在 [−1,1] 上是偶函数且大于0,所以积分的符号完全由 y 决定。

  • 在 y>0 的区域 (D1 和 D2),f(x,y)>0,所以 I1>0,I2>0。

  • 在 y<0 的区域 (D3 和 D4),f(x,y)<0,所以 I3<0,I4<0。

因此最大值在 I1 和 I2 之间。比较 D1 和 D2 即可。

  • D1: y>0,y>x,y>−x

  • D2: y>0,y<x,y>−x (这里假设 D1 为上三角, D2为右三角)

由于 cos⁡x 是关于 y 轴对称的,比较 D1 和 D2 上的积分,相当于比较在 y 固定的情况下,cos⁡x 在不同 x 区间上的积分。由于 cos⁡x 在 $$ 上递减,离 $y$ 轴越近值越大。$D_1$ 区域更靠近 $y$ 轴,因此 $I_1$ 对应的积分值更大。

答案:A. I1 (假设D1是包含正y轴的区域)。

4. 重积分的变上限积分求导

思路:

  1. 先拆解,自变量到底是谁,明确函数构成。

  2. 换序 / 套变上限积分求导公式。

例:若 f(x) 连续,F(t)=∫1t dy∫ytf(x)dx ,求 F′(2) .

法一:换序处理 积分区域是 1≤y≤t,y≤x≤t,交换次序后变为 1≤x≤t,1≤y≤x。

F(t)=∫1tdx∫1xf(x)dy=∫1tf(x)[y]1xdx=∫1t(x−1)f(x)dx

根据变上限积分求导法则:

F′(t)=(t−1)f(t)

所以 F′(2)=(2−1)f(2)=f(2)。

法二:莱布尼茨积分法则 令 g(y,t)=∫ytf(x)dx。则 F(t)=∫1tg(y,t)dy。

F′(t)=g(t,t)⋅d(t)dt−g(1,t)⋅d(1)dt+∫1t∂g(y,t)∂tdy=(∫ttf(x)dx)⋅1−g(1,t)⋅0+∫1t(∂∂t∫ytf(x)dx)dy=0+∫1tf(t)dy=f(t)∫1t1⋅dy=f(t)(t−1)

所以 F′(2)=f(2)。

5. 积分计算

例:计算 ∭Vxy2z3 dV ,其中 V 是由曲面 z=xy,y=x,x=1,z=0 所围区域。

分析:

  1. 确定积分域:

    • 投影到 xy 平面:由 y=x,x=1 和 z=0⟹xy=0⟹x=0 或 y=0 围成。在第一象限,即由 y=x,x=1,y=0 围成的三角形区域 Dxy。

    • z 的范围:下界是 z=0,上界是 z=xy。

  2. 计算积分:

    ∭Vxy2z3 dV=∬Dxy(∫0xyxy2z3dz)dxdy=∬Dxyxy2[z44]0xydxdy=14∬Dxyxy2(xy)4dxdy=14∬Dxyx5y6dxdy=14∫01x5(∫0xy6dy)dx=14∫01x5[y77]0xdx=128∫01x5⋅x7dx=128∫01x12dx=128[x1313]01=1364

六、其他重要概念(摘要)