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(完整word版)《高等数学》(下)课程教学大纲

《高等数学》（下）课程教学大纲教研室主任：王树泉执笔人：蔡俊青一、课程基本信息开课单位：经济学院课程名称：高等数学下册课程编号：101001212英文名称：Advanced Mathematics课程类型：专业基础课总学时： 72理论学时： 72 实验学时： 0学分：3开设专业：所有专业先修课程：《高等数学》(上)二、课程任务目标（一）课程任务本课程是理科院校经济管理类专业的一门专业基础课，又是全国硕士研究生入学考试统考科目。

通过本课程的学习，要使学生掌握多元函数微积分学、无穷级数和常微分方程的基本概念、基本理论和基本运算技能，为学习后继课程和进一步获得数学知识奠定必要的数学基础。

要通过各个教学环节逐步培养学生的抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力，还要特别注意培养学生的熟练运算能力和综合运用所学知识去分析解决问题的能力。

（二）课程目标基本了解多元函数微积分学的基础理论；充分理解微积分学的背景思想及数学思想。

掌握多元函数微积分学、无穷级数和常微分方程的基本方法、手段、技巧，并具备一定的分析论证能力和较强的运算能力。

能较熟练地应用微积分学、无穷级数和微分方程的思想方法解决应用问题。

三、教学内容和要求第六章多元函数微积分1．内容概要空间解析几何简介，多元函数基本概念，偏导数，全微分，多元复合函数微分法与隐函数微分法，多元函数的极值及其求法，二重积分的概念与性质，直角坐标系下二重积分的计算，极坐标系下二重积分的计算。

2．重点和难点重点：多元函数的概念；偏导数与全微分的概念；多元复合函数的求导法则；多元函数的极值问题；二重积分的概念及其计算难点：全微分的概念；多元复合函数的求导法则与隐函数微分法；二重积分的计算。

3．学习目的与要求（1）理解多元函数的极限与连续性，以及有界闭区域上的连续函数的性质。

（2）理解偏导数、全微分的概念。

（3）熟练掌握复合函数求导法；会求二阶偏导。

（4）会求隐函数的偏导数。

(完整版)同济第六版《高等数学》教案WORD版-第09章重积分

第九章重积分教学目的：1. 理解二重积分、三重积分的概念，了解重积分的性质，知道二重积分的中值定理。

2. 掌握二重积分的（直角坐标、极坐标）计算方法。

3. 掌握计算三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算方法。

8、会用重积分求一些几何量与物理量（平面图形的面积、体积、重心、转动惯量、引力等）。

教学重点：1、二重积分的计算（直角坐标、极坐标）；2、三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算。

3、二、三重积分的几何应用及物理应用。

教学难点：1、利用极坐标计算二重积分；2、利用球坐标计算三重积分；3、物理应用中的引力问题。

§9. 1 二重积分的概念与性质一、二重积分的概念 1. 曲顶柱体的体积设有一立体, 它的底是xOy 面上的闭区域D , 它的侧面是以D 的边界曲线为准线而母线平行于z 轴的柱面, 它的顶是曲面z =f (x , y ), 这里f (x , y )≥0且在D 上连续. 这种立体叫做曲顶柱体. 现在我们来讨论如何计算曲顶柱体的体积. 首先, 用一组曲线网把D 分成n 个小区域 ∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n .分别以这些小闭区域的边界曲线为准线, 作母线平行于z 轴的柱面, 这些柱面把原来的曲顶柱体分为n 个细曲顶柱体. 在每个∆σ i 中任取一点(ξ i , η i ), 以f (ξ i , η i )为高而底为∆σ i 的平顶柱体的体积为 f (ξ i , η i ) ∆σi (i =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ , n ). 这个平顶柱体体积之和 i i i ni f V σηξ∆≈=∑),(1.可以认为是整个曲顶柱体体积的近似值. 为求得曲顶柱体体积的精确值, 将分割加密, 只需取极限, 即i i i ni f V σηξλ∆==→∑),(lim 10.其中λ是个小区域的直径中的最大值. 2. 平面薄片的质量.设有一平面薄片占有xOy 面上的闭区域D , 它在点(x , y )处的面密度为ρ(x , y ), 这里ρ(x , y )>0且在D 上连续. 现在要计算该薄片的质量M .用一组曲线网把D 分成n 个小区域 ∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n .把各小块的质量近似地看作均匀薄片的质量: ρ(ξ i , η i )∆σ i .各小块质量的和作为平面薄片的质量的近似值: i i i ni M σηξρ∆≈=∑),(1.将分割加细, 取极限, 得到平面薄片的质量 i i i ni M σηξρλ∆==→∑),(lim 10.其中λ是个小区域的直径中的最大值.定义设f (x , y )是有界闭区域D 上的有界函数. 将闭区域D 任意分成n 个小闭区域 ∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n .其中∆σ i 表示第i 个小区域, 也表示它的面积. 在每个∆σ i 上任取一点(ξ i , ηi ), 作和i i i ni f σηξ∆=∑),(1.如果当各小闭区域的直径中的最大值λ趋于零时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f (x , y )在闭区域D 上的二重积分, 记作σd y x f D⎰⎰),(, 即i i i ni Df d y x f σηξσλ∆==→∑⎰⎰),(lim ),(10. f (x , y )被积函数, f (x , y )d σ被积表达式, d σ面积元素, x , y 积分变量, D 积分区域, 积分和. 直角坐标系中的面积元素:如果在直角坐标系中用平行于坐标轴的直线网来划分D , 那么除了包含边界点的一些小闭区域外, 其余的小闭区域都是矩形闭区域. 设矩形闭区域∆σi 的边长为∆x i 和∆y i , 则∆σi =∆x i ∆y i , 因此在直角坐标系中, 有时也把面积元素d σ 记作dxdy , 而把二重积分记作dxdy y x f D⎰⎰),(其中dxdy 叫做直角坐标系中的面积元素.二重积分的存在性: 当f (x , y )在闭区域D 上连续时, 积分和的极限是存在的, 也就是说函数f (x , y )在D 上的二重积分必定存在. 我们总假定函数f (x , y )在闭区域D 上连续, 所以f (x , y )在D 上的二重积分都是存在的.二重积分的几何意义: 如果f (x , y )≥0, 被积函数f (x , y )可解释为曲顶柱体的在点(x , y )处的竖坐标, 所以二重积分的几何意义就是柱体的体积. 如果f (x , y )是负的, 柱体就在xOy 面的下方, 二重积分的绝对值仍等于柱体的体积, 但二重积分的值是负的.二. 二重积分的性质性质1 设c 1、c 2为常数, 则σσσd y x g c d y x f c d y x g c y x f c DDD⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=+),(),()],(),([2121.性质2如果闭区域D 被有限条曲线分为有限个部分闭区域, 则在D 上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和. 例如D 分为两个闭区域D 1与D 2, 则σσσd y x f d y x f d y x f D D D⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=21),(),(),(.性质3σσσ==⋅⎰⎰⎰⎰DDd d 1(σ为D 的面积).性质4 如果在D 上, f (x , y )≤g (x , y ), 则有不等式σσd y x g d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤),(),(.特殊地有σσd y x f d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤|),(||),(|.性质5 设M 、m 分别是f (x , y )在闭区域D 上的最大值和最小值, σ为D 的面积, 则有 σσσM d y x f m D≤≤⎰⎰),(.性质6(二重积分的中值定理) 设函数f (x , y )在闭区域D 上连续, σ 为D 的面积, 则在D 上至少存在一点(ξ, η)使得 σηξσ),(),(f d y x f D=⎰⎰.§9. 2 二重积分的计算法一、利用直角坐标计算二重积分 X --型区域:D : ϕ1(x )≤y ≤ϕ2(x ), a ≤x ≤b . Y --型区域:D : ψ1(x )≤y ≤ψ2(x ), c ≤y ≤d . 混合型区域:设f (x , y )≥0, D ={(x , y )| ϕ1(x )≤y ≤ϕ2(x ), a ≤x ≤b }. 此时二重积分σd y x f D⎰⎰),(在几何上表示以曲面z =f (x , y )为顶, 以区域D 为底的曲顶柱体的体积.对于x 0∈[a , b ], 曲顶柱体在x =x 0的截面面积为以区间[ϕ1(x 0), ϕ2(x 0)]为底、以曲线z =f (x 0, y )为曲边的曲边梯形, 所以这截面的面积为 ⎰=)()(000201),()(x x dy y x f x A ϕϕ.根据平行截面面积为已知的立体体积的方法, 得曲顶柱体体积为 ⎰=badx x A V )(dx dy y x f b a x x ⎰⎰=]),([)()(21ϕϕ.即 V =dx dy y x f d y x f b a x x D⎰⎰⎰⎰=]),([),()()(21ϕϕσ.可记为⎰⎰⎰⎰=bax x Ddy y x f dx d y x f )()(21),(),(ϕϕσ.类似地, 如果区域D 为Y --型区域: D : ψ1(x )≤y ≤ψ2(x ), c ≤y ≤d , 则有⎰⎰⎰⎰=dc y y Ddx y x f dy d y x f )()(21),(),(ψψσ.例1. 计算σd xy D⎰⎰, 其中D 是由直线y =1、x =2及y =x 所围成的闭区域.解: 画出区域D .方法一. 可把D 看成是X --型区域: 1≤x ≤2, 1≤y ≤x . 于是⎰⎰⎰⎰=211][xDdx xydy d xy σ⎰⎰-=⋅=2132112)(21]2[dx x x dx y x x 89]24[212124=-=x x .注: 积分还可以写成⎰⎰⎰⎰⎰⎰==211211xx Dydy xdx xydy dx d xy σ.解法2. 也可把D 看成是Y --型区域: 1≤y ≤2, y ≤x ≤2 . 于是⎰⎰⎰⎰=212][y Ddy xydx d xy σ⎰⎰-=⋅=2132122)22(]2[dy y y dy x y y 89]8[2142=-=y y . 例2. 计算σd y x yD⎰⎰-+221, 其中D 是由直线y =1、x =-1及y =x 所围成的闭区域.解画出区域D , 可把D 看成是X --型区域: -1≤x ≤1, x ≤y ≤1. 于是⎰⎰⎰⎰-+=-+-122112211xDdy y x y dx d y x y σ⎰⎰----=-+-=1131112322)1|(|31])1[(31dx x dx y x x 21)1(32103=--=⎰dx x . 也可D 看成是Y --型区域：-1≤y ≤1, -1≤x <y . 于是⎰⎰⎰⎰---+=-+111222211yDdx y x ydy d y x y σ.例3 计算σd xy D⎰⎰, 其中D 是由直线y =x -2及抛物线y 2=x 所围成的闭区域.解积分区域可以表示为D =D 1+D 2,其中x y x x D ≤≤-≤≤ ,10 :1; x y x D ≤≤≤≤2 ,41 :2. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰--+=41210xx xxDxydy dx xydy dx d xy σ.积分区域也可以表示为D : -1≤y ≤2, y 2≤x ≤y +2. 于是⎰⎰⎰⎰-+=2122y yDxydx dy d xy σ⎰-+=21222]2[dy y x y y ⎰--+=2152])2([21dy y y y 855]62344[21216234=-++=-y y y y .讨论积分次序的选择.例4 求两个底圆半径都等于ρ的直交圆柱面所围成的立体的体积. 解设这两个圆柱面的方程分别为 x 2+y 2=ρ 2及x 2+z 2=ρ 2.利用立体关于坐标平面的对称性, 只要算出它在第一卦限部分的体积V 1, 然后再乘以8就行了.第一卦限部分是以D ={(x , y )| 0≤y ≤22x R -, 0≤x ≤ρ}为底, 以22x R z -=顶的曲顶柱体. 于是σd x R V D⎰⎰-=228⎰⎰--=R x R dy x R dx 022228⎰--=Rx Rdx y x R 002222][83022316)(8R dx x R R=-=⎰.二. 利用极坐标计算二重积分有些二重积分, 积分区域D 的边界曲线用极坐标方程来表示比较方便, 且被积函数用极坐标变量ρ 、θ 表达比较简单. 这时我们就可以考虑利用极坐标来计算二重积分σd y x f D⎰⎰),(.按二重积分的定义i ni i i Df d y x f σηξσλ∆=∑⎰⎰=→1),(lim ),(. 下面我们来研究这个和的极限在极坐标系中的形式.以从极点O 出发的一族射线及以极点为中心的一族同心圆构成的网将区域D 分为n 个小闭区域, 小闭区域的面积为:i i i i i i θρθρρσ∆⋅⋅-∆⋅∆+=∆2221)(21i i i i θρρρ∆⋅∆∆+=)2(21i i i i i θρρρρ∆⋅∆⋅∆++=2)(i i i θρρ∆∆=,其中i ρ表示相邻两圆弧的半径的平均值.在∆σi 内取点) , (i i θρ, 设其直角坐标为(ξ i , η i ), 则有 i i i θρξcos =, i i i θρηsin =. 于是 i i ni i i i i i i n i i i f f θρρθρθρσηξλλ∆∆=∆∑∑=→=→11)sin ,cos (lim ),(lim , 即θρρθρθρσd d f d y x f DD)sin ,cos (),(⎰⎰⎰⎰=.若积分区域D 可表示为ϕ 1(θ)≤ρ≤ϕ 2(θ), α≤θ≤β,则ρρθρθρθθρρθρθρθϕθϕβαd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)()(21)sin ,cos ()sin ,cos (.讨论:如何确定积分限?ρρθρθρθθρρθρθρθϕβαd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)(0)sin ,cos ()sin ,cos (.ρρθρθρθθρρθρθρθϕπd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)(020)sin ,cos ()sin ,cos (.例5. 计算⎰⎰--Dy xdxdy e 22, 其中D 是由中心在原点、半径为a 的圆周所围成的闭区域.解在极坐标系中, 闭区域D 可表示为 0≤ρ≤a , 0≤θ ≤2π . 于是⎰⎰⎰⎰---=DDy xd de dxdy e θρρρ222θθρρπρπρd e d d e a a020200]21[ ][22⎰⎰⎰---==)1()1(212220a a e d e ---=-=⎰πθπ.注: 此处积分⎰⎰--Dy xdxdy e 22也常写成⎰⎰≤+--22222a y x y xdxdy e .利用)1(222222a a y x y x edxdy e-≤+---=⎰⎰π计算广义积分dx e x 2-+∞⎰:设D 1={(x , y )|x 2+y 2≤R 2, x ≥0, y ≥0}, D 2={(x , y )|x 2+y 2≤2R 2, x ≥0, y ≥0}, S ={(x , y )|0≤x ≤R , 0≤y ≤R }. 显然D 1⊂S ⊂D 2. 由于022>--y x e , 从则在这些闭区域上的二重积分之间有不等式⎰⎰⎰⎰⎰⎰------<<22222122D y xSy xD y xdxdy e dxdy e dxdy e .因为20)(22222⎰⎰⎰⎰⎰-----=⋅=Rx Ry Rx Sy x dx e dy edx edxdy e,又应用上面已得的结果有)1(42122R D y xe dxdy e ----=⎰⎰π,)1(422222R D y xe dxdy e ----=⎰⎰π,于是上面的不等式可写成)1(4)()1(4222220R R x R e dx e e ----<<-⎰ππ.令R →+∞, 上式两端趋于同一极限4π, 从而220 π=-∞+⎰dx e x .例6 求球体x 2+y 2+z 2≤4a 2被圆柱面x 2+y 2=2ax 所截得的（含在圆柱面内的部分）立体的体积.解由对称性, 立体体积为第一卦限部分的四倍.⎰⎰--=Ddxdy y x a V 22244,其中D 为半圆周22x ax y -=及x 轴所围成的闭区域. 在极坐标系中D 可表示为 0≤ρ≤2a cos θ , 20πθ≤≤.于是 ⎰⎰⎰⎰-=-=20cos 2022224444πθρρρθθρρρa Dd a d d d a V)322(332)sin 1(33222032-=-=⎰πθθπa d a .§9.3 三重积分一、三重积分的概念定义设f (x , y , z )是空间有界闭区域Ω上的有界函数. 将Ω任意分成n 个小闭区域 ∆v 1, ∆v 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆v n其中∆v i 表示第i 个小闭区域, 也表示它的体积. 在每个∆v i 上任取一点(ξi , ηi , ζi ), 作乘积f (ξi , η i , ζ i )∆v i (i =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n )并作和i i i i ni v f ∆=∑),,(1ζηξ. 如果当各小闭区域的直径中的最大值λ趋于零时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f (x , y , z )在闭区域Ω上的三重积分, 记作dv z y x f ⎰⎰⎰Ω),,(. 即i i i i ni v f dv z y x f ∆==→Ω∑⎰⎰⎰),,(lim ),,(10ζηξλ. 三重积分中的有关术语:⎰⎰⎰Ω——积分号, f (x , y , z )——被积函数, f (x , y , z )dv ——被积表达式, dv 体积元素, x , y , z ——积分变量, Ω——积分区域.在直角坐标系中, 如果用平行于坐标面的平面来划分Ω, 则∆v i =∆x i ∆y i ∆z i , 因此也把体积元素记为dv =dxdydz , 三重积分记作⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dxdydz z y x f dv z y x f ),,(),,(.当函数f (x , y , z )在闭区域Ω上连续时, 极限i i i i ni v f ∆=→∑),,(lim 10ζηξλ是存在的,因此f (x , y , z )在Ω上的三重积分是存在的, 以后也总假定f (x , y , z )在闭区域Ω上是连续的. 三重积分的性质: 与二重积分类似. 比如dv z y x g c dv z y x f c dv z y x g c z y x f c ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ±=±),,(),,()],,(),,([2121;dv z y x f dv z y x f dv z y x f ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ+Ω+=2121),,(),,(),,(;V dv =⎰⎰⎰Ω, 其中V 为区域Ω的体积.二、三重积分的计算1. 利用直角坐标计算三重积分三重积分的计算: 三重积分也可化为三次积分来计算. 设空间闭区域Ω可表为 z 1(x , y )≤z ≤z 2(x , y ), y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b , 则σd dz z y x f dv z y x f Dy x z y x z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ω]),,([),,(),(),(21⎰⎰⎰=ba x y x y y x z y x z dy dz z y x f dx)()(),(),(2121]),,([ ⎰⎰⎰=ba y x z y x z x y x y dz z y x f dy dx ),(),()()(2121),,(,即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωb ay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx dv z y x f ),(),()()(2121),,(),,(.其中D : y 1(x )≤ y ≤ y 2(x ), a ≤x ≤b . 它是闭区域Ω在xOy 面上的投影区域. 提示:设空间闭区域Ω可表为z 1(x , y )≤z ≤z 2(x , y ), y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b , 计算⎰⎰⎰Ωdv z y x f ),,(.基本思想:对于平面区域D : y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b 内任意一点(x , y ), 将f (x , y , z )只看作z 的函数, 在区间[z 1(x , y ), z 2(x , y )]上对z 积分, 得到一个二元函数F (x , y ), ⎰=),(),(21),,(),(y x z y x z dz z y x f y x F ,然后计算F (x , y )在闭区域D 上的二重积分, 这就完成了f (x , y , z )在空间闭区域Ω上的三重积分.⎰⎰⎰⎰⎰=Dy x z y x z Dd dz z y x f d y x F σσ]),,([),(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([,则σd dz z y x f dv z y x f Dy x z y x z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ω]),,([),,(),(),(21⎰⎰⎰=ba x y x y y x z y x z dy dz z y x f dx)()(),(),(2121]),,([ ⎰⎰⎰=ba y x z y x z x y x y dz z y x f dy dx ),(),()()(2121),,(.即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωb ay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx dv z y x f ),(),()()(2121),,(),,(.其中D : y 1(x )≤ y ≤ y 2(x ), a ≤x ≤b . 它是闭区域Ω在xOy 面上的投影区域. 例1 计算三重积分dxdydz x ⎰⎰⎰Ω, 其中Ω为三个坐标面及平面x +2y +z =1所围成的闭区域.解作图, 区域Ω可表示为:0≤z ≤1-x -2y , )1(210x y -≤≤, 0≤x ≤1. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰---Ω=10210210x y x xdz dy dx dxdydz x ⎰⎰---=1210)21(xdy y x xdx⎰=+-=1032481)2(41dx x x x . 讨论: 其它类型区域呢?有时, 我们计算一个三重积分也可以化为先计算一个二重积分、再计算一个定积分. 设空间闭区域Ω={(x , y , z )|(x , y )∈D z , c 1≤ z ≤c 2}, 其中D z 是竖坐标为z 的平面截空间闭区域Ω所得到的一个平面闭区域, 则有⎰⎰⎰⎰⎰⎰=ΩzD c c dxdy z y x f dz dv z y x f ),,(),,(21.例2 计算三重积分dxdydz z ⎰⎰⎰Ω2, 其中Ω是由椭球面1222222=++c z b y a x 所围成的空间闭区域.解空间区域Ω可表为:2222221cz b y a x -≤+, -c ≤ z ≤c .于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰-Ω=cc Dzdxdy dz z dxdydz z 223222154)1(abc dz z c z ab cc ππ=-=⎰-.练习1. 将三重积分dxdydz z y x f I ⎰⎰⎰Ω=),,(化为三次积分, 其中(1)Ω是由曲面z =1-x 2-y 2, z =0所围成的闭区域.(2)Ω是双曲抛物面xy =z 及平面x +y -1=0, z =0所围成的闭区域. (3)其中Ω是由曲面z =x 2+2y 2及z =2-x 2所围成的闭区域. 2. 将三重积分dxdydz z y x f I ⎰⎰⎰Ω=),,(化为先进行二重积分再进行定积分的形式, 其中Ω由曲面z =1-x 2-y 2, z =0所围成的闭区域. 2. 利用柱面坐标计算三重积分设M (x , y , z )为空间内一点, 并设点M 在xOy 面上的投影P 的极坐标为P (ρ, θ ), 则这样的三个数ρ、θ 、z 就叫做点M 的柱面坐标, 这里规定ρ、θ 、z 的变化范围为: 0≤ρ<+∞, 0≤θ ≤2π , -∞<z <+∞. 坐标面ρ=ρ0, θ =θ 0, z =z 0的意义: 点M 的直角坐标与柱面坐标的关系:x =ρcos θ, y =ρsin θ, z =z . ⎪⎩⎪⎨⎧===zz y x θρθρsin cos柱面坐标系中的体积元素: dv =ρd ρd θdz . 简单来说, dxdy =ρd ρd θ , dxdydz =dxdy ⋅dz =ρd ρd θ dz .柱面坐标系中的三重积分:⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dz d d z f dxdydz z y x f θρρθρθρ),sin ,cos (),,(.例3 利用柱面坐标计算三重积分⎰⎰⎰Ωzdxdydz , 其中Ω是由曲面z =x 2+y 2与平面z =4所围成的闭区域.解闭区域Ω可表示为: ρ2≤z ≤4, 0≤ρ≤2, 0≤θ≤2π. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dz d d z zdxdydz θρρ⎰⎰⎰=πρρρθ202042zdz d d ⎰⎰-=πρρρθ20204)16(21d d πρρπ364]618[2212062=-⋅=.3. 利用球面坐标计算三重积分设M (x , y , z )为空间内一点, 则点M 也可用这样三个有次序的数r 、ϕ、θ 来确定, 其中 r 为原点O 与点M 间的距离, ϕ为→OM 与z 轴正向所夹的角, θ为从正z 轴来看自x 轴按逆时针方向转到有向线段→OP 的角, 这里P 为点M 在xOy 面上的投影, 这样的三个数r 、ϕ 、θ 叫做点M 的球面坐标, 这里r 、ϕ、θ 的变化范围为0≤r <+∞, 0≤ϕ<π, 0≤θ ≤2π. 坐标面r =r 0, ϕ=ϕ0, θ=θ0的意义: 点M 的直角坐标与球面坐标的关系:x =r sin ϕcos θ, y =r sin ϕsin θ, z =r cos ϕ . ⎪⎩⎪⎨⎧===ϕθϕθϕcos sin sin cos sin r z r y r x球面坐标系中的体积元素: dv =r 2sin ϕdrd ϕd θ . 球面坐标系中的三重积分:θϕϕϕθϕθϕd drd r r r r f dv z y x f sin )cos ,sin sin ,cos sin (),,(2⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=. 例4 求半径为a 的球面与半顶角α为的内接锥面所围成的立体的体积. 解该立体所占区域Ω可表示为: 0≤r ≤2a cos ϕ, 0≤ϕ≤α, 0≤θ≤2π.于是所求立体的体积为 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ==θϕϕd drd r dxdydz V sin 2⎰⎰⎰=παϕϕϕθ20cos 202sin a dr r d d⎰⎰=αϕϕϕπcos 202sin 2a dr r d⎰=αϕϕϕπ033sin cos 316d a )cos 1(3443a a -=π. 提示: 球面的方程为x 2+y 2+(z -a )2=a 2, 即x 2+y 2+z 2=2az . 在球面坐标下此球面的方程为r 2=2ar cos ϕ, 即r =2a cos ϕ.§9. 4 重积分的应用元素法的推广:有许多求总量的问题可以用定积分的元素法来处理. 这种元素法也可推广到二重积分的应用中. 如果所要计算的某个量U 对于闭区域D 具有可加性(就是说, 当闭区域D 分成许多小闭区域时, 所求量U 相应地分成许多部分量, 且U 等于部分量之和), 并且在闭区域D 内任取一个直径很小的闭区域d σ时, 相应的部分量可近似地表示为f (x , y )d σ 的形式, 其中(x , y )在d σ内, 则称f (x , y )d σ 为所求量U 的元素, 记为dU , 以它为被积表达式, 在闭区域D 上积分: ⎰⎰=Dd y x f U σ),(,这就是所求量的积分表达式. 一、曲面的面积设曲面S 由方程 z =f (x , y )给出, D 为曲面S 在xOy 面上的投影区域, 函数f (x , y )在D 上具有连续偏导数f x (x , y )和f y (x , y ). 现求曲面的面积A .在区域D 内任取一点P (x , y ), 并在区域D 内取一包含点P (x , y )的小闭区域d σ, 其面积也记为d σ. 在曲面S 上点M (x , y , f (x , y ))处做曲面S 的切平面T , 再做以小区域d σ的边界曲线为准线、母线平行于z 轴的柱面. 将含于柱面内的小块切平面的面积作为含于柱面内的小块曲面面积的近似值, 记为dA . 又设切平面T 的法向量与z 轴所成的角为γ , 则 σγσd y x f y x f d dA yx ),(),(1cos 22++==,这就是曲面S 的面积元素.于是曲面S 的面积为 σd y x f y x f A y x D),(),(122++=⎰⎰,或 dxdy yz x z A D22)()(1∂∂+∂∂+=⎰⎰.设dA 为曲面S 上点M 处的面积元素, dA 在xOy 面上的投影为小闭区域d σ, M 在xOy 面上的投影为点P (x , y ), 因为曲面上点M 处的法向量为n =(-f x , -f y , 1), 所以 σσd y x f y x f d dA y x ),(),(1||22++==n . 提示: dA 与xOy 面的夹角为(n ,^ k ), dA cos(n ,^ k )=d σ, n ⋅k =|n |cos(n ,^ k )=1, cos(n ,^ k )=|n |-1.讨论: 若曲面方程为x =g (y , z )或y =h (z , x ), 则曲面的面积如何求？ dydz z x y x A yzD ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(1, 或 dzdx xy z y A zxD ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(1. 其中D yz 是曲面在yOz 面上的投影区域, D zx 是曲面在zOx 面上的投影区域. 例1 求半径为R 的球的表面积.解上半球面方程为222y x R z --=, x 2+y 2≤R 2.因为z 对x 和对y 的偏导数在D : x 2+y 2≤R 2上无界, 所以上半球面面积不能直接求出. 因此先求在区域D 1: x 2+y 2≤a 2 (a <R )上的部分球面面积, 然后取极限.dxdy y x R R a y x 222222--⎰⎰≤+⎰⎰-=πθ20022a r R rdr d R)(222a R R R --=π.于是上半球面面积为2222)(2lim R a R R R Ra ππ=--→.整个球面面积为 A =2A 1=4πR 2. 提示:222y x R x x z ---=∂∂, 222yx R y y z ---=∂∂, 22222)()(1y x R R y z x z --=∂∂+∂∂+.解球面的面积A 为上半球面面积的两倍. 上半球面的方程为222y x R z --=, 而222y x R x x z ---=∂∂, 222yx R y y z ---=∂∂,所以 22)()(12222yz x z A R y x ∂∂+∂∂+=⎰⎰≤+dxdy yx R R R y x 2222222--=⎰⎰≤+⎰⎰-=πρρρθ200222R R d d R 20224 4R R R Rπρπ=--=.例2设有一颗地球同步轨道通讯卫星, 距地面的高度为h =36000km , 运行的角速度与地球自转的角速度相同. 试计算该通讯卫星的覆盖面积与地球表面积的比值(地球半径R =6400km).解取地心为坐标原点, 地心到通讯卫星中心的连线为z 轴, 建立坐标系. 通讯卫星覆盖的曲面∑是上半球面被半顶角为α的圆锥面所截得的部分. ∑的方程为 222y x R z --=, x 2+y 2≤R 2sin 2α. 于是通讯卫星的覆盖面积为 ⎰⎰⎰⎰--=∂∂+∂∂+=xy xyD D dxdy yx R R dxdy yz x z A 22222)()(1.其中D xy ={(x , y )| x 2+y 2≤R 2sin 2α}是曲面∑在xOy 面上的投影区域. 利用极坐标, 得 )cos 1(222sin 022sin 02220απρρρπρρρθααπ-=-=-=⎰⎰⎰R d R R d R R d A R R . 由于hR R +=αcos , 代入上式得hR h R h R R R A +=+-=222)1(2ππ.由此得这颗通讯卫星的覆盖面积与地球表面积之比为%5.4210)4.636(21036)(24662≈⋅+⋅=+=h R h R A π. 由以上结果可知, 卫星覆盖了全球三分之一以上的面积, 故使用三颗相隔π32角度的通讯卫星就可以覆盖几乎地球全部表面. 二、质心设有一平面薄片, 占有xOy 面上的闭区域D , 在点P (x , y )处的面密度为ρ(x , y ), 假定μ(x , y )在D 上连续. 现在要求该薄片的质心坐标.在闭区域D 上任取一点P (x , y ), 及包含点P (x , y )的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩(仅考虑大小)元素分别为 dM x =y μ(x , y )d σ, dM y =x μ(x , y )d σ. 平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩分别为 ⎰⎰=Dx d y x y M σμ),(, ⎰⎰=Dy d y x x M σμ),(.设平面薄片的质心坐标为) ,(y x , 平面薄片的质量为M , 则有 y M M x =⋅, x M M y =⋅ . 于是⎰⎰⎰⎰==DDy d y x d y x x M M x σμσμ),(),(, ⎰⎰⎰⎰==DD x d y x d y x y MMy σμσμ),(),(. 在闭区域D 上任取包含点P (x , y )小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩元素分别为 dM x =y μ(x , y )d σ, dM y =x μ(x , y )d σ. 平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩分别为 ⎰⎰=Dx d y x y M σμ),(, ⎰⎰=Dy d y x x M σμ),(.设平面薄片的质心坐标为) ,(y x , 平面薄片的质量为M , 则有 y M M x =⋅, x M M y =⋅ .于是⎰⎰⎰⎰==DDyd y x d y x x MM x σμσμ),(),(, ⎰⎰⎰⎰==DDxd y x d y x y MM y σμσμ),(),(.提示: 将P (x , y )点处的面积元素d σ看成是包含点P 的直径得小的闭区域. D 上任取一点P (x , y ), 及包含的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩(仅考虑大小)元素分别为讨论: 如果平面薄片是均匀的, 即面密度是常数, 则平面薄片的质心(称为形心)如何求？求平面图形的形心公式为⎰⎰⎰⎰=DDd xd x σσ, ⎰⎰⎰⎰=DDd yd y σσ.例3 求位于两圆ρ=2sin θ 和ρ=4sin θ 之间的均匀薄片的质心.解因为闭区域D 对称于y 轴, 所以质心) ,(y x C 必位于y 轴上, 于是0=x . 因为⎰⎰⎰⎰=DDd d yd θρθρσsin 2πρρθθθθπ7sin sin 4sin 220==⎰⎰d d ,πππσ31222=⋅-⋅=⎰⎰d D,所以3737===⎰⎰⎰⎰ππσσDD d yd y . 所求形心是)37 ,0(C .类似地, 占有空间闭区域Ω、在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )(假宽ρ(x , y , z )在Ω上连续)的物体的质心坐标是 ⎰⎰⎰Ω=dv z y x x M x ),,(1ρ, ⎰⎰⎰Ω=dv z y x y My ),,(1ρ, ⎰⎰⎰Ω=dv z y x z Mz ),,(1ρ,其中⎰⎰⎰Ω=dv z y x M ),,(ρ.例4 求均匀半球体的质心.解取半球体的对称轴为z 轴, 原点取在球心上, 又设球半径为a , 则半球体所占空间闭区可表示为Ω={(x , y , z )| x 2+y 2+z 2≤a 2, z ≥0} 显然, 质心在z 轴上, 故0==y x .⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩΩ==dv zdvdvdv z z ρρ83a =.故质心为)83,0 ,0(a . 提示: Ω: 0≤r ≤a , 20πϕ≤≤, 0≤θ≤2π.⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωadr r d d dv 022020sin ϕθϕππ⎰⎰⎰=adr r d d 022020sin ππθϕϕ323a π=,⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=Ωadr r r d d dv z 022020sin cos ϕϕθϕππ⎰⎰⎰=a dr r d d 0320202sin 21ππθϕϕ42214a ⋅⋅=π.三、转动惯量设有一平面薄片, 占有xOy 面上的闭区域D , 在点P (x , y )处的面密度为μ(x , y ), 假定ρ(x , y )在D 上连续. 现在要求该薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量.在闭区域D 上任取一点P (x , y ), 及包含点P (x , y )的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量的元素分别为 dI x =y 2μ(x , y )d σ , dI y =x 2μ(x , y )d σ .整片平面薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量分别为 σμd y x y I Dx ),(2⎰⎰=, σμd y x x I Dy ),(2⎰⎰=.例5 求半径为a 的均匀半圆薄片(面密度为常量μ)对于其直径边的转动惯量. 解取坐标系如图, 则薄片所占闭区域D 可表示为 D ={(x , y )| x 2+y 2≤a 2, y ≥0}而所求转动惯量即半圆薄片对于x 轴的转动惯量I x ,⎰⎰⎰⎰⋅==DDx d d d y I θρρθρμσμ222sin⎰⎰⎰⋅==ππθθμρρθθμ0240032sin 4 sin d a d d a2441241Ma a =⋅=πμ, 其中μπ221a M =为半圆薄片的质量. 类似地, 占有空间有界闭区域Ω、在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )的物体对于x 、y 、z 轴的转动惯量为 ⎰⎰⎰Ω+=dv z y x z y I x ),,()(22ρ,⎰⎰⎰Ω+=dv z y x x z I y ),,()(22ρ, ⎰⎰⎰Ω+=dv z y x y x I z ),,()(22ρ.例6 求密度为ρ的均匀球体对于过球心的一条轴l 的转动惯量.解取球心为坐标原点, z 轴与轴l 重合, 又设球的半径为a , 则球体所占空间闭区域 Ω={(x , y , z )| x 2+y 2+z 2≤a 2}.所求转动惯量即球体对于z 轴的转动惯量I z . ⎰⎰⎰Ω+=dv y x I z )(22ρθϕϕθϕθϕρd drd r r r sin )sin sin cos sin (2222222+=⎰⎰⎰Ωθϕϕρd drd r 34sin ⎰⎰⎰Ω=dr r d d a ⎰⎰⎰=ππϕϕθρ200043 sin ρπ5158a =M a 252=, 其中ρπ334a M =为球体的质量.提示: x 2+y 2=r 2sin 2ϕcos 2θ+r 2sin 2ϕ sin 2θ=r 2sin 2ϕ.四、引力我们讨论空间一物体对于物体外一点P 0(x 0, y 0, z 0)处的单位质量的质点的引力问题. 设物体占有空间有界闭区域Ω, 它在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z ), 并假定ρ(x , y , z )在Ω上连续.在物体内任取一点(x , y , z )及包含该点的一直径很小的闭区域dv (其体积也记为dv ). 把这一小块物体的质量ρdv 近似地看作集中在点(x , y , z )处. 这一小块物体对位于P 0(x 0, y 0, z 0)处的单位质量的质点的引力近似地为),,(z y x dF dF dF d =F)))(,,(,))(,,(,))(,,((303030dv r z z z y x G dv r y y z y x G dv r x x z y x G---=ρρρ, 其中dF x 、dF y 、dF z 为引力元素d F 在三个坐标轴上的分量, 202020)()()(z z y y x x r -+-+-=, G 为引力常数. 将dF x 、dF y 、dF z 在Ω上分别积分, 即可得F x 、F y 、F z , 从而得F =(F x 、F y 、F z ).例7设半径为R 的匀质球占有空间闭区域Ω={(x , y , z )|x 2+y 2+z 2≤R 2). 求它对于位于点M 0(0, 0, a ) (a >R )处的单位质量的质点的引力.解设球的密度为ρ0, 由球体的对称性及质量分布的均匀性知F x =F y =0, 所求引力沿z 轴的分量为dv a z y x a z G F z 2/32220])([-++-=⎰⎰⎰Ωρ ⎰⎰⎰--≤+-++-=R Rz R y x a z y x dxdy dz a z G 22222/32220])([)(ρ ⎰⎰⎰---+-=2202/322200])([)(z R R R a z d d dz a z G ρρρθρπ⎰-+----=RR dz a az R z a a z G )211)((2220ρπ ]2)(12[2220⎰-+--+-=R Ra az R d a z a R G ρπ )3222(2230aR R R G -+-=πρ 2203134a M G a R G -=⋅⋅-=ρπ, 其中0334ρπR M =为球的质量.上述结果表明:匀质球对球外一质点的引力如同球的质量集中于球心时两质点间的引力.。

《高等数学》(同济六版)教学课件★第9章.多元函数微分法及其应用(1)

例如, f ( x, y )
4
x2 y 2 2 2 xy 2 , x y 0 2 x y 0, x2 y 2 0
2 2 4
x 4x y y 2 2 y , x y 0 2 2 2 f x ( x, y ) (x y ) 0, x2 y2 0 x4 4x2 y 2 y 4 2 2 x , x y 0 2 2 2 f y ( x, y ) (x y ) 0, x2 y2 0 y f x (0, y ) f x (0, 0) lim 1 f x y (0,0) lim y 0 y y 0 y f y ( x, 0) f y (0, 0) x 1 lim f y x (0,0) lim x 0 x x 0 x
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r2
定理. 若 f x y ( x,y) 和 f y x ( x,y) 都在点 ( x0 , y0 ) 连续, 则
f x y ( x0 , y0 ) f y Байду номын сангаас ( x0 , y0 )
本定理对 n 元函数的高阶混合导数也成立.
(证明略)
例如, 对三元函数 u = f (x , y , z) , 当三阶混合偏导数在点 (x , y , z) 连续时, 有
x 0 y 0
0
得
x 0 y 0
lim f ( x x, y y ) f ( x, y )
即函数 z = f (x, y) 在点 (x, y) 可微
z f ( x x, y y) f ( x , y ) 函数在该点连续
下面两个定理给出了可微与偏导数的关系:
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9高等数学同济大学第六版本Word版

习题9-21 计算下列二重积分:(1)⎰⎰+Dd y x σ)(22, 其中D {(xy )| |x |1 |y |1};解积分区域可表示为D1x 1 1y 1 于是⎰⎰+Dd y x σ)(22y d y x dx ⎰⎰--+=111122)(x d y y x ⎰--+=111132]31[ x d x ⎰-+=112)312(113]3232[-+=x x 38=(2)⎰⎰+Dd y x σ)23(, 其中D 是由两坐标轴及直线x +y =2所围成的闭区域:解积分区域可表示为D 0x 2 0y 2x 于是⎰⎰+Dd y x σ)23(y d y x dx x⎰⎰-+=2020)23(dx y xy x ⎰-+=2022]3[ dx x x ⎰-+=202)224(0232]324[x x x -+=320=(3)⎰⎰++Dd y y x x σ)3(223, 其中D {(x y )| 0x 1, 0y 1}解 ⎰⎰++Dd y y x x σ)3(323⎰⎰++=1032310)3(dx y y x x dy ⎰++=1001334]4[dy x y y x x ⎰++=103)41(dy y y 0142]424[y y y ++=1412141=++=(4)⎰⎰+Dd y x x σ)cos(, 其中D 是顶点分别为(0, 0), (p , 0), 和(p , p )的三角形闭区域.解积分区域可表示为Dx 0y x 于是,⎰⎰+Dd y x x σ)cos(⎰⎰+=x dy y x xdx 0)cos(π⎰+=π)][sin(dx y x x x⎰-=π0)sin 2(sin dx x x x ⎰--=π0)cos 2cos 21(x x xd+--=0|)cos 2cos 21(πx x x dx x x ⎰-π0)cos 2cos 21(π23-=2. 画出积分区域, 并计算下列二重积分:(1)⎰⎰Dd y x σ, 其中D 是由两条抛物线xy = 2x y =所围成的闭区域;解积分区域图如并且D{(xy )| 0x 1 x y x ≤≤2} 于是⎰⎰Dd y x σ⎰⎰=102dy y x dx xx⎰=10223]32[dx y x x x 556)3232(10447=-=⎰dx x x(2)⎰⎰Dd xy σ2, 其中D 是由圆周x 2+y 2=4及y 轴所围成的右半闭区域;解积分区域图如并且D{(xy )| 2y 2 240y x -≤≤} 于是⎰⎰⎰⎰⎰----=22402240222222]21[dy y x dx xy dy d xy y y Dσ1564]10132[)212(22225342=-=-=--⎰y y dy y y (3)⎰⎰+Dy x d e σ, 其中D {(x y )| |x ||y |1}解积分区域图如并且 D {(x y )| 1x 0 x 1y x 1}{(x y )| 0x 1x 1y x 1} 于是 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰+--+---++=111111x x y xx x yxDyx dy e dx e dy e dx e d eσ⎰⎰+---+--+=1110111][][dy e e dx e e x x y x x x y x ⎰⎰---+-+-=11201112)()(dx e e dx e ex x 101201112]21[]21[---+-+-=x x e ex x e e =e -e -1(4)⎰⎰-+Dd x y x σ)(22, 其中D 是由直线y =2, y =x 及y =2x 轴所围成的闭区域解积分区域图如并且D{(xy )| 0y 2 y x y ≤≤21} 于是⎰⎰⎰⎰⎰-+=-+=-+2022232222022]2131[)()(dy x x y x dx x y x dy d x y x y y y y Dσ613)832419(2023=-=⎰dy y y3. 如果二重积分⎰⎰Ddxdy y x f ),(的被积函数f (x , y )是两个函数f 1(x )及f 2(y )的乘积, 即f (x , y )= f 1(x )f 2(y ), 积分区域D {(x y )| a x b , c y d },证明这个二重积分等于两个单积分的乘积, 即])([])([)()(2121dy y f dx x f dxdy y f x f dcbaD⎰⎰⎰⎰⋅=⋅证明 dxdy y f x f dy y f x f dx dxdy y f x f dcb a d cb aD⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=⋅=⋅])()([)()()()(212121而 ⎰⎰=⋅dcd cdyy f x f dy y f x f )()()()(2121故 dxdy y f x f dxdy y f x f b adcD⎰⎰⎰⎰=⋅])()([)()(2121由于⎰dcdy y f )(2的值是一常数因而可提到积分号的外面于是得])([])([)()(2121dy y f dx x f dxdy y f x f dcbaD⎰⎰⎰⎰⋅=⋅4. 化二重积分⎰⎰=Dd y x f I σ),(为二次积分(分别列出对两个变量先后次序不同的两个二次积分), 其中积分区域D 是:(1)由直线y =x 及抛物线y 2=4x 所围成的闭区域; 解积分区域如图所示并且D {(x y )|x y x x 2 ,40≤≤≤≤} 或D {(x y )| y x y y ≤≤≤≤241 ,40}所以 ⎰⎰=xxdy y x f dx I 240),(或⎰⎰=yy dxy x f dy I 4402),((2)由x 轴及半圆周x 2+y 2=r 2(y 0)所围成的闭区域;解积分区域如图所示并且D {(x y )|220 ,x r y r x r -≤≤≤≤-} 或D{(xy )| 2222 ,0y r x y r r y -≤≤--≤≤}所以 ⎰⎰--=220),(x r r rdyy x f dx I 或⎰⎰---=2222),(0y r y r r dx y x f dy I(3)由直线y =x , x =2及双曲线x y 1=(x >0)所围成的闭区域;解积分区域如图所示并且D {(x y )|x y x x ≤≤≤≤1 ,21}或D{(xy )| 21 ,121≤≤-≤≤x yy }{(x y )|2 ,21≤≤≤≤x y y }所以 ⎰⎰=xxdyy x f dx I 1),(21或⎰⎰⎰⎰+=22121121),(),(yydxy x f dy dx y x f dy I(4)环形闭区域{(x , y )| 1x 2+y 24}.解如图所示用直线x =-1和x =1可将积分区域D 分成四部分, 分别记做D 1, D 2, D 3, D 4 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰+++=4321),(),(),(),(D D D D d y x f d y x f d y x f d y x f I σσσσ⎰⎰⎰⎰--------+=222244411112),(),(x x x x dy y x f dx dy y x f dx⎰⎰⎰⎰--------++222214442111),(),(x x x x dy y x f dx dy y x f dx用直线y =1, 和y =-1可将积分区域D 分成四部分, 分别记做D 1, D 2, D 3, D 4,如图所示. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰+++=4321),(),(),(),(D D D D d y x f d y x f d y x f d y x f I σσσσ⎰⎰⎰⎰--------+=222244141121),(),(y y y y dx y x f dy dx y x f dy⎰⎰⎰⎰--------++222241441211),(),(y y y y dx y x f dy dx y x f dy5 设f (x , y )在D 上连续, 其中D 是由直线y =x 、y =a 及x =b (b >a )围成的闭区域,证明:⎰⎰⎰⎰=bybaxabadx y x f dy dy y x f dx ),(),(.证明积分区域如图所示并且积分区域可表示为D {(x y )|a x b a y x } 或D {(x y )|a y by x b } 于是 ⎰⎰Dd y x f σ),(⎰⎰=xab adyy x f dx ),( 或⎰⎰Dd y x f σ),(⎰⎰=byb a dxy x f dy ),(因此 ⎰⎰⎰⎰=byb ax ab adx y x f dy dy y x f dx ),(),(.6 改换下列二次积分的积分次序(1)⎰⎰ydx y x f dy 01),(;解由根据积分限可得积分区域D {(x y )|0y 1 0x y } 如图因为积分区域还可以表示为D {(x y )|0x 1 x y 1} 所以 ⎰⎰⎰⎰=111),(),(xydyy x f dx dx y x f dy(2)⎰⎰yydx y x f dy 2202),(;解由根据积分限可得积分区域D{(x y)|0y2y2x2y}如图图.(5)⎰⎰exdy y x f dx 1ln 0),(;解由根据积分限可得积分区域D ={(x , y )|1£x £e , 0£y £ln x }, 如图. 因为积分区域还可以表示为D ={(x , y )|0£y £1, e y £x £ e }, 所以 ⎰⎰ex dy y x f dx 1ln 0),(⎰⎰=10),(eey dx y x f dy}arcsin 2 ,01|),{(π≤≤-≤≤-=x y y y x D}arcsin arcsin ,10|),{(y x y y y x -≤≤≤≤⋃π,7. 设平面薄片所占的闭区域D 由直线x +y =2, y =x 和x 轴所围成, 它的面密度为m (x , y )=x 2+y 2, 求该薄片的质量. 解如图, 该薄片的质量为⎰⎰=Dd y x M σμ),(⎰⎰+=Dd y x σ)(22⎰⎰-+=10222)(yydx y x dy⎰⎰--=Ddxdy y x V )326(⎰⎰--=110)326(dy y x dx10. 求由曲面z =x 2+2y 2及z =6-2x 2-y 2所围成的立体的体积.解由⎩⎨⎧--=+=2222262y x z y x z 消去z , 得x 2+2y 2=6-2x 2-y 2, 即x 2+y 2=2, 故立体在x O y 面上的投影区域为x 2+y 2£2, 因为积分区域关于x 及y 轴均对称, 并且被积函数关于x , y 都是偶函数, 所以⎰⎰+---=Dd y x y x V σ)]2()26[(2222⎰⎰--=Dd y x σ)336(22⎰⎰---=2202220)2(12x dy y x dx π6)2(8232=-=⎰dx x .11 画出积分区域把积分⎰⎰Ddxdy y x f ),(表示为极坐标形式的二次积分,其中积分区域D 是:(1){(x , y )| x 2+y 2a 2}(a >0); 解积分区域D 如图因为D {( )|02 0a } 所以⎰⎰⎰⎰=DDd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰=πρρθρθρθ20)sin ,cos (d f d a(2){(x , y )|x 2+y 22x };解积分区域D 如图因为}cos 20 ,22|),{(θρπθπθρ≤≤≤≤-=D 所以⎰⎰⎰⎰=DDd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰-=22cos 20)sin ,cos (ππθρρθρθρθd f d(3){(x , y )| a 2x 2+y 2b 2}, 其中0a <b 解积分区域D 如图因为D {( )|02 a b } 所以⎰⎰⎰⎰=DDd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰=πρρθρθρθ20)sin ,cos (bad f d(4){(x , y )| 0y 1-x , 0x 1}.解积分区域D 如图因为}sin cos 10 ,20|),{(θθρπθθρ+≤≤≤≤=D 所以⎰⎰⎰⎰=DDd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰+=θθρρθρθρθπsin cos 1020)sin ,cos (d f d12 化下列二次积分为极坐标形式的二次积分:(1)⎰⎰11),(dy y x f dx ;解积分区域D 如图所示因为}csc 0 ,24|),{(}sec 0 ,40|),{(θρπθπθρθρπθθρ≤≤≤≤⋃≤≤≤≤=D所以 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰==DDd d f d y x f dy y x f dx θρρθρθρσ)sin ,cos (),(),(101⎰⎰=40sec 0)sin ,cos (πθρρθρθρθd f d ⎰⎰+24csc 0)sin ,cos (ππθρρθρθρθd f d(2)⎰⎰+xxdy y x f dx 32220)(;解积分区域D 如图所示并且}sec 20 ,34|),{(θρπθπθρ≤≤≤≤=D所示 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+x xDDd d f d y x f dy y x f dx 3222220)()()(θρρρσ⎰⎰=34sec 20)(ππθρρρθd f d(3)⎰⎰--21110),(x xdy y x f dx ;解积分区域D 如图所示并且}1sin cos 1 ,20|),{(≤≤+≤≤=ρθθπθθρD所以 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰--==10112)sin ,cos (),(),(x xDDd d f d y x f dy y x f dx θρρθρθρσ⎰⎰+=2sin cos 101)sin ,cos (πθθρρθρθρθd f d(4)⎰⎰21),(x dy y x f dx .解积分区域D 如图所示并且}sec tan sec ,40|),{(θρθθπθθρ≤≤≤≤=D所以 ⎰⎰2010),(x dy y x f dx ⎰⎰⎰⎰==DDd d f d y x f θρρθρθρσ)sin ,cos (),(⎰⎰=40sec tan sec )sin ,cos (πθθθρρθρθρθd f d13 把下列积分化为极坐标形式, 并计算积分值: (1)⎰⎰-+2202220)(x ax ady y x dx ;解积分区域D 如图所示因为}cos 20 ,20|),{(θρπθθρa D ≤≤≤≤= 所以⎰⎰-+2202220)(x ax ady y x dx ⎰⎰⋅=Dd d θρρρ2⎰⎰⋅=20cos 202πθρρρθa d d ⎰=2044cos 4πθθd a 443a π=(2)⎰⎰+xa dy y x dx 0220;解积分区域D 如图所示因为}sec 0 ,40|),{(θρπθθρa D ≤≤≤≤= 所以⎰⎰⎰⎰⋅=+Dxad d dy y x dx θρρρ0220⎰⎰⋅=40sec 0πθρρρθa d d ⎰=4033sec 3πθθd a )]12ln(2[63++=a(3)⎰⎰-+xxdy y xdx 221221)(;解积分区域D 如图所示因为}tan sec 0 ,40|),{(θθρπθθρ≤≤≤≤=D 所以⎰⎰⎰⎰⋅=+--Dxx d d dy y xdx θρρρ21212212)(12tan sec 40tan sec 02140-==⋅=⎰⎰⎰-πθθπθθθρρρθd d d(4)⎰⎰-+220220)(y a a dx y x dy .解积分区域D 如图所示因为}0 ,20|),{(a D ≤≤≤≤=ρπθθρ 所以⎰⎰⎰⎰⋅=+-Dy a a d d dx y x dy θρρρ22222)(420028a d d aπρρρθπ=⋅=⎰⎰14. 利用极坐标计算下列各题: (1)⎰⎰+Dy xd e σ22，其中D 是由圆周x 2+y 2=4所围成的闭区域;解在极坐标下D ={(r , q )|0£q £2p , 0£r £2}, 所以⎰⎰⎰⎰=+DDy x d d e d e θρρσρ222)1()1(2124420202-=-⋅==⎰⎰e e d e d ππρρθπρ.(2)⎰⎰++Dd y x σ)1ln(22，其中D 是由圆周x 2+y 2=1及坐标轴所围成的在第一象限内的闭区域;解在极坐标下}10 ,20|),{(≤≤≤≤=ρπθθρD , 所以⎰⎰⎰⎰+=++DDd d d y x θρρρσ)1ln()1ln(222)12ln 2(41)12ln 2(212)1ln(20102-=-⋅=+=⎰⎰πρρρθπd d .(3)σd xy Darctan⎰⎰, 其中D 是由圆周x 2+y 2=4, x 2+y 2=1及直线y =0, y =x 所围成的第一象限内的闭区域.解在极坐标下}21 ,40|),{(≤≤≤≤=ρπθθρD , 所以⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=⋅=DDDd d d d d xyθρρθθρρθσ)arctan(tan arctan⎰⎰⋅=4021πρρθθd d ⎰⎰==40321643ππρρθθd d . 15 选用适当的坐标计算下列各题: (1)dxdy y x D22⎰⎰，其中D 是由直线x =2，y =x 及曲线xy =1所围成的闭区域解因为积分区域可表示为}1 ,21|),{(x y x x y x D ≤≤≤≤=, 所以dxdy y x D22⎰⎰dy ydx x x x ⎰⎰=211221⎰-=213)(dx x x 49=(2)⎰⎰++--Dd y x y x σ222211, 其中D 是由圆周x 2+y 2=1及坐标轴所围成的在第一象限内的闭区域;解在极坐标下}10 ,20|),{(≤≤≤≤=ρπθθρD , 所以⎰⎰⎰⎰⋅+-=++--DDd d d y x y x θρρρρσ2222221111)2(811102220-=+-=⎰⎰ππρρρρθπd d(3)⎰⎰+Dd y x σ)(22 其中D 是由直线y =x , y =x +a , y =a , y =3a (a >0)所围成的闭区域;解因为积分区域可表示为D {(x y )|ay 3a y a x y }, 所以⎰⎰+Dd y x σ)(22⎰⎰-+=aaya y dx y x dy 322)(4332214)312(a dy a y a ay aa =+-=⎰(4)σd y x D22+⎰⎰ 其中D 是圆环形闭区域{(x , y )| a 2x 2+y 2b 2}解在极坐标下D{()|02 a b }, 所以σd y x D 22+⎰⎰)(3233202a b dr r d ba -==⎰⎰πθπ16 设平面薄片所占的闭区域D 由螺线2上一段弧(20πθ≤≤)与直线2πθ=所围成, 它的面密度为(x , y )=x 2+y 2. 求这薄片的质量.解区域如图所示在极坐标下}20 ,20|),{(θρπθθρ≤≤≤≤=D 所以所求质量⎰⎰⎰⎰⋅==Dd d d y x M 20202),(πθρρρθσμ⎰==254404ππθθd17 求由平面y =0 y =kx (k >0) z =0以及球心在原点、半径为R 的上半球面所围成的在第一卦限内的立体的体积解此立体在xOy 面上的投影区域D {(x y )|0arctan k0R } ⎰⎰--=Ddxdy y x R V 222kR d R d kRarctan 313arctan 022=-=⎰⎰ρρρθ18 计算以xOy 平面上圆域x 2+y 2=ax 围成的闭区域为底而以曲面z =x 2+y 2为顶的曲顶柱体的体积解曲顶柱体在xOy 面上的投影区域为D {(x y )|x 2y 2ax } 在极坐标下}cos 0 ,22|),{(θρπθπθρa D ≤≤≤≤-= 所以⎰⎰≤++=axy x dxdy y xV 22)(22πθθρρρθππθππ422cos 022442323cos 4a d a d d a ==⋅=⎰⎰⎰--（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。

同济六版高等数学电子教案高教社全集

高等数学的教学资源和发展趋势
PART 1
高等数学概述
高等数学的定义和意义
高等数学是数学的一个分支，主要研究函数、极限、连续、导数、微分、积分等概念和理论。
高等数学是理工科专业的基础课程，对于培养学生的逻辑思维能力、抽象思维能力和解决实际问题的能力具有重要意义。
高等数学在科学研究、工程技术、经济管理等领域有着广泛的应用，是现代科学技术发展的重要基础。
教材的结构和内容安排
教材分为上下两册，上册包括函数、极限、连续、导数、微分、积分等基本内容，下册包括多元函数、向量代数、空间解析几何、无穷级数、常微分方程等高级内容。
教材内容丰富，涵盖了高等数学的主要知识点，同时注重理论与实践相结合，提供了大量的例题和习题供学生练习。
教材采用模块化教学方式，每个模块都有明确的学习目标和学习内容，便于学生自主学习和教师授课。
PART 3
高教社全集简介
高教社全集的出版背景和特点
出版背景：为了满足高等数学教学需求，提高教学质量
特点：全面、系统、深入地讲解高等数学知识
内容丰富：涵盖了高等数学的各个领域，包括微积分、线性代数、概率论与数理统计等
实用性强：注重理论与实践相结合，提供了大量的例题和习题，便于学生理解和掌握知识点
高教社全集：由高等教育出版社出版，内容丰富，涵盖了高等数学的各个领域，适合作为参考书使用。
同济六版高等数学电子教案：提供了丰富的例题和习题，有助于学生理解和掌握知识点。
高教社全集：提供了大量的参考文献和资料，有助于读者深入研究和拓展知识面。
同济六版高等数学电子教案：注重基础知识的讲解和应用，适合初学者使用。
教学软件：MATLAB、Mathematica等

同济第六版《高等数学》教案WORD版-第01章函数与极限

第一章函数与极限教学目的：1、理解函数的概念，掌握函数的表示方法，并会建立简单应用问题中的函数关系式。

2、了解函数的奇偶性、单调性、周期性和有界性。

3、理解复合函数及分段函数的概念，了解反函数及隐函数的概念。

4、掌握基本初等函数的性质及其图形。

5、理解极限的概念，理解函数左极限与右极限的概念，以及极限存在与左、右极限之间的关系。

6、掌握极限的性质及四则运算法则。

789101、2、3、4、5、6、7、1、2、3、4、5、一、集合1.集合(元素:集合的表示:列举法:把集合的全体元素一一列举出来.例如A?{a,b,c,d,e,f,g}.描述法:若集合M是由元素具有某种性质P的元素x的全体所组成,则M可表示为A?{a,a2,???,a n},1M?{x|x具有性质P}.例如M?{(x,y)|x,y为实数,x2?y2?1}.几个数集:N表示所有自然数构成的集合,称为自然数集.N?{0,1,2,?????,n,?????}.N??{1,2,?????,n,?????}.R表示所有实数构成的集合,称为实数集.Z表示所有整数构成的集合,称为整数集.Z?{?????,?n,?????,?2,?1,0,1,2,?????,n,?????}.Q表示所有有理数构成的集合,称为有理数集.子集:若x?A,则必有x?B,则称A是B的子集,记为A?B(读作A包含于B)或B?A.如果集合A与集合B互为子集,A?B且B?A,则称集合A与集合B相等,记作A?B.若A?B且A?B,则称A是B的真子集,记作A≠⊂B.例如,N≠⊂Z≠⊂Q≠⊂R.不含任何元素的集合称为空集,记作?.规定空集是任何集合的子集.2.集合的运算设A、B是两个集合,由所有属于A或者属于B的元素组成的集合称为A与B的并集(简称并),记作A?B,即A?B?{x|x设A、B),记作A?B,即A?B?{x|x设A、B),记作A\B,即A\B?{x|x.此时,我们称集合设A、B(1)(2)(3)(4)(A?B)C?A Cx?(A?B)C直积(设A、B序对(x,y,记为A?B,即A?B?{(x,例如,R?R3.有限区间:设a<b,称数集{x|a<x<b}为开区间,记为(a,b),即(a,b)?{x|a<x<b}.类似地有[a,b]?{x|a?x?b}称为闭区间,[a,b)?{x|a?x<b}、(a,b]?{x|a<x?b}称为半开区间.其中a和b称为区间(a,b)、[a,b]、[a,b)、(a,b]的端点,b?a称为区间的长度.无限区间:[a,??)?{x|a?x},(??,b]?{x|x<b},(??,??)?{x||x|<??}.区间在数轴上的表示:邻域:以点a为中心的任何开区间称为点a的邻域,记作U(a).设?是一正数,则称开区间(a??,a??)为点a的?邻域,记作U(a,?),即U(a,?)?{x|a??<x<a??}?{x||x?a|<?}.其中点a称为邻域的中心,?称为邻域的半径.去心邻域 U(a,?):U(a,?)?{x|0<|x?a|<?}二、映射1.映射的概念定义设中有唯一f:X?Y其中yy?f(x而元素D?X;fXR?f(X)f(1)Y;对应法则f,(2)f的值域R f是例1设显然,f y,除y?0外,例2设Y与之对应.显然f(3)f:[f满射、单射和双射:设f是从集合X到集合Y的映射,若R f?Y,即Y中任一元素y都是X中某元素的像,则称f为X到Y 上的映射或满射;若对X中任意两个不同元素x1?x2,它们的像f(x1)?f(x2),则称f为X到Y的单射;若映射f既是单射,又是满射,则称f为一一映射(或双射).上述三例各是什么映射？2.逆映射与复合映射设f是X到Y的单射,则由定义,对每个y?R f,有唯一的x?X,适合f(x)?y,于是,我们可定义一个从R到X的新映射g,即fg:R?X,f对每个y ?R f ,规定g (y )?x ,这x 满足f (x )?y .这个映射g 称为f 的逆映射,记作f ?1,其定义域1-f D ?R f ,值域1-f R ?X .按上述定义,只有单射才存在逆映射.上述三例中哪个映射存在逆映射？设有两个映射 g :X ?Y 1,f :Y 2?Z ,其中Y 1?Y 2.则由映射g 和f 可以定出一个从X 到Z 的对应法则,它将每个x ?X 映射成f [g (x )]?Z .显然,这个对应法则确定了一个从X 到Z 的映射,这个映射称为映射g 和f 构成的复合映射,记作f o g ,即f og :X ?Z ,(f o g )(x )映射g 和映射.f o g 与g o f 例4映射f :[则映射g ))((x g f 三、函数1.y ?f (x ),x 其中x 记号f 变量x 在D 函数符号此时函数就记作y f .. 函数的定义域:函数的定义域通常按以下两种情形来确定:一种是对有实际背景的函数,根据实际背景中变量的实际意义确定. 求定义域举例:求函数412--=x xy 的定义域.要使函数有意义,必须x ?0,且x 2??4?0. 解不等式得|x |?2.所以函数的定义域为D ?{x ||x |?2},或D ?(??,2]?[2,??]). 单值函数与多值函数:在函数的定义中，对每个x ?D ,对应的函数值y 总是唯一的,这样定义的函数称为单值函数.如果给定一个对应法则,按这个法则,对每个x ?D ,总有确定的y 值与之对应,但这个y 不总是唯一的,我们称这种法则确定了一个多值函数.例如,设变量x 和y 之间的对应法则由方程x 2?y 2?r 2给出.显然,对每个x ?[?r ,r ]，由方程x 2?y 2?r 2,可确定出对应的y 值,当x ?r 或x ??r 时,对应y ?0一个值;当x 取(?r ,r )内任一个值时,对应的y 有两个值.所以这方程确定了一个多值函数.对于多值函数,往往只要附加一些条件,就可以将它化为单值函数,这样得到的单值函数称为多值函数的单值分支.例如,在由方程x 2?y 2?r 2给出的对应法则中,附加“y ?0”的条件,即以“x 2?y 2?r 2且y ?0”作为对应法则,就可得到一个单值分支221)(x r x y y -==;附加“y ?0”的条件,即以“x 2?y 2?r 2且y ?0”作为对应法则,就可得到另一个单值分支222)(x r x y y --==..其中,{P (x ,y 例.例.例设x 函数 y ?[x ]0]75[=,当0?x ?1时,x y 2=;当x >1时,y ?1?x . 例如2212)21(==f ;2 1 2)1(==f ;f (3)?1?3?4. 2.函数的几种特性 (1)函数的有界性设函数f (x )的定义域为D ,数集X ?D .如果存在数K 1,使对任一x ?X ,有f (x )?K 1,则称函数f (x )在X 上有上界,而称K 1为函数f (x )在X 上的一个上界.图形特点是y ?f (x )的图形在直线y ?K 1的下方. 如果存在数K 2,使对任一x ?X ,有f (x )?K 2,则称函数f (x )在X 上有下界,而称K 2为函数f (x )在X 上的一个下界.图形特点是,函数y ?f (x )的图形在直线y ?K 2的上方.如果存在正数M ,使对任一x ?X ,有|f (x )|?M ,则称函数f (x )在X 上有界;如果这样的M 不存在,则称函数f (x )在X 上无界.图形特点是,函数y ?f (x )的图形在直线y ???M 和y ?M 的之间. 函数f (x )无界,就是说对任何M ,总存在x 1?X ,使|f (x )|>M . 例如(1)f (x )?sin x 在(??,??)上是有界的:|sin x |?1.(2)函数xx f 1)(=在开区间(0,1)内是无上界的.或者说它在(0,1)内有下界,无上界.这是因为,对于任一M >1,总有x 1:?1101<<<Mx ,使M x x f >=111)(,函数x f )((2)设函数y f (x 1)<f (则称函数f (x 1)>f (则称函数函数y ?x 2. (3)设函数f f (?x )?f (则称f (x f (?x )??f 则称f (x y ?x 2,y ?(4)设函数f (x )的定义域为D .如果存在一个正数l ,使得对于任一x ?D 有(x ?l )?D ,且 f (x ?l )?f (x )则称f (x )为周期函数,l 称为f (x )的周期.周期函数的图形特点:在函数的定义域内,每个长度为l 的区间上,函数的图形有相同的形状. 3．反函数与复合函数反函数:设函数f :D ?f (D )是单射,则它存在逆映射f ?1:f (D )?D ,称此映射f ?1为函数f 的反函数. 按此定义,对每个y ?f (D ),有唯一的x ?D ,使得f (x )?y ,于是有 f ?1(y )?x .这就是说,反函数f ?1的对应法则是完全由函数f 的对应法则所确定的.一般地,y ?f (x ),x ?D 的反函数记成y ?f ?1(x ),x ?f (D ).若f 是定义在D 上的单调函数,则f :D ?f (D )是单射,于是f 的反函数f ?1必定存在,而且容易证明f ?1也是f (D )上的单调函数.相对于反函数y ?f ?1(x )来说,原来的函数y ?f (x )称为直接函数.把函数y ?f (x )和它的反函数y ?f ?1(x )的图形画在同一坐标平面上,这两个图形关于直线y ?x 是对称的.这是因为如果P (a ,b )是y ?f (x )图形上的点,则有b ?f (a ).按反函数的定义,有a ?f ?1(b ),故Q (b ,a )是y ?f ?1(x )图形上的点;反之,若Q (b ,a )是y ?f ?1(x )图形上的点,则P (a ,b )是y ?f (x )图形上的点.而P (a ,b )与Q (b ,a )是关于直线y ?x 对称的. 复合函数:复合函数是复合映射的一种特例,按照通常函数的记号,复合函数的概念可如下表述. 设函数y ?f (u )的定义域为D 1,函数u ?g (x )在D 上有定义且g (D )?D 1,则由下式确定的函数 y ?f [g函数g (g f f 的定义域D 例如,定义,且g (D )?y =u 的4.: 和(差积f ?g 商gf :例11f (x )?分析如果f (x )?g (x )?h (x ),则f (?x )?g (x )?h (x ),于是)]()([21)(x f x f x g -+=,)]()([21)(x f x f x h --=.证作)]()([21)(x f x f x g -+=,)]()([21)(x f x f x h --=,则f (x )?g (x )?h (x ), 且)()]()([21)(x g x f x f x g =+-=-,)()]()([21)]()([21)(x h x f x f x f x f x h -=---=--=-.5.初等函数基本初等函数:幂函数:y ?x ?(??R 是常数); 指数函数:y ?a x (a ?0且a ?1);对数函数:y ?log a x (a ?0且a ?1,特别当a ?e 时,记为y ?ln x ); 三角函数:y ?sin x ,y ?cos x ,y ?tan x ,y ?cot x ,y ?sec x ,y ?csc x ; 反三角函数:y ?arcsin x ,y ?arccos x ,y ?arctan x ,y ?arccot x . 初等函数:由常数和基本初等函数经过有限次的四则运算和有限次的函数复合步骤所构成并可用一个式子表示的函数,称为初等函数.例如y ch y ?arsh x 是x ?sh y 的反函数,因此,从中解出y 来便是arsh x .令u ?e y ,则由上式有 u 2?2xu ?1?0.这是关于u 的一个二次方程,它的根为12+±=x x u .因为u ?e y ?0,故上式根号前应取正号,于是12++=x x u .由于y ?ln u ,故得)1ln(arsh 2++==x x x y .函数y ?arsh x 的定义域为(??,??),它是奇函数,在区间(??,??)内为单调增加的. 类似地可得)1ln(arch 2-+==x x x y ,xxx y -+==11ln21arth . §1?2数列的极限一个实际问题?如可用渐近的方程法求圆的面积？设有一圆?首先作内接正四边形?它的面积记为A 1；再作内接正八边形?它的面积记为A 2；再作内接n 1A n ??内? x n ????? 数列的极限?数列的极限的通俗定义：对于数列{x n }?如果当n 无限增大时?数列的一般项x n 无限地接近于某一确定的数值a ?则称常数a 是数列{x n }的极限?或称数列{x n }收敛a ?记为a x n n =∞→lim ?如果数列没有极限?就说数列是发散的? 例如11lim =+∞→n n n ?021lim =∞→n n ?1)1(lim1=-+-∞→nn n n ? 而{2n }?{(?1)n ?1}?是发散的?对无限接近的刻划?x n 无限接近于a 等价于|x n ?a |无限接近于0?极限的精确定义?定义如果数列{x n }与常a 有下列关系?对于任意给定的正数??不论它多么小??总存在正整数N ?使得对于n >N 时的一切x n ?不等式 |x n ?a |<?都成立?则称常数a 是数列{x n }的极限?或者称数列{x n }收敛于a ?记为a x n n =∞→lim 或x n ?a (n ??)?如果数列没有极限?就说数列是发散的?例题? 例1?分析?|对于??证明?|x n ?1|?所以→n 例2?分析?|对于??证明?|x n ?0|?所以0)1(lim 2=+∞→n n ?例3?设|q |<1?证明等比数列 1?q ?q 2?????q n ?1???? 的极限是0?分析?对于任意给定的?>0?要使 |x n ?0|?|q n ?1?0|?|q |n ?1<??只要n >log |q |??1就可以了?故可取N ?[log |q |??1]。

高等数学同济六版第九章9-4

2x zx = , a
2y zy = , a
1+ z + z =
2 x 2 y
2x 2 y 1+ + a a
2
2
2 1 + z x + z 2 = 2, 由 z = 2a − x + y 知 y
2 2
1 2 a + 4 x2 + 4 y2 , = a
2
由此得这颗通讯卫星的覆盖面积与地球表面积之比为 6 A h 36 ⋅ 10 = = ≈ 42.5% 2 6 2( R + h) 2( 36 + 6.4) ⋅ 10 4πR 由以上结果可知，由以上结果可知，卫星覆盖了全球三 2 分之一以上的面积，分之一以上的面积，故使用三颗相隔 π 3 角度的通讯卫星就可以覆盖几乎地球全部表面. 部表面
（1））
其中 A = ∫∫ dσ
D
类似地，类似地，占有空间有界闭区域 Ω 在点 ( x , y , z )处的密度为 ρ（x , y , z ) （假定 ρ 的物体的质心坐标是 ( x , y , z )在Ω上连续）上连续）
1 1 x= ∫∫∫ xρ ( x, y, z )dv , y = M ∫∫∫ yρ ( x , y, z )dv , M Ω Ω 1 z= ∫∫∫ zρ ( x , y, z )dv , M Ω
其中M = ∫∫∫ ρ ( x , y , z )dv
Ω
例 3 求位于两圆 ρ = 2 sin θ和ρ = 4 sin θ 之间的均匀薄片的质心
y
因为闭区域D对称于解因为闭区域对称于 y轴，所以质心 C（x , y )必位于再按公式
4

高等数学第六版(同济版)第九章复习资料

第九章多元函数微分法及其应用引入：在上册书中，我们学习了一元函数微积分学，所讨论的对象都只有一个自变量的函数，而在实际应用中，研究的问题往往要涉及多方面的因素，反映在数量上就是一个变量要依赖几个自变量，即数学上的多元函数，从这节课开始，我们进入多元函数微积分学的学习阶段.先来学习多元函数微分学.由于从一元函数到二元函数，单与多的差异已能充分体现，我们由二元函数入手来研究多元函数微分学，然后把相关概念及性质推广到三元、四元直至n 元函数上去.第一节多元函数的基本概念一、平面点集的相关概念1. 平面点集：),|}(),{(y x y x E =具有性质}P},|}),{(2R y R x y x R R R E ∈∈=⨯=⊂例如：}|||{}|}),{(222r OP P r y x y x C <=<+=，其中点P 表示点),(y x . 2. 邻域：2000),(R y x P ∈.(1). 邻域：})()()(),{(}||{),(20202000δδδ<-+-+-=<=z z y y x x y x P P P P U (2). 去心邻域：)(}||0{),(000P U P P P P U oo∧=<<=δδ 3. 坐标面上的点P 与平面点集E 的关系：22,R E R P ⊂∈ (1). 内点：若0>∃δ，使E P U ⊂),(δ，则称P 为E 的内点. (2). 外点：若0>∃δ，使Φδ=⋂E P U ),(，则称P 为E 的外点.(3). 边界点：若0>∀δ，Φδ≠⋂E P U ),(，且E P U ⊄),(δ，则称P 为E 的边界点.边界：E 的边界点的全体称为它的边界，记作E ∂. (4). 聚点：若0>∀δ，Φδ≠⋂E P U o),(，则称P 为E 的聚点.导集：E 的聚点的全体称为它的导集.注：1°. 若P 为E 的聚点，则P 可以属于E ，也可以不属于E .2°. 内点一定是聚点；外点一定不是聚点；边界点也不总是聚点，如孤立的边界点.例如：}21),{(221≤+<=y x y x E ；)}0,0{(}21),{(222⋃≤+<=y x y x E . 4. 一些常用的平面点集：(1). 开集：若点集E 的点都是其内点，则称E 为开集.(2). 闭集：若点集E 的边界E E ⊂∂，则称E 为闭集. (开集加边界) (3). 连通集：若E 中任何两点都可用属于E 的折线连接，则称E 为连通集. (4). 开区域：连通的开集称为开区域，也称为区域. (5). 闭区域：开区域加上其边界称为闭区域.例如：}21),{(221≤+<=y x y x E 为区域. }21),{(222≤+≤=y x y x E 为闭区域. (6). 有界集：若0>∃r ，使),(r O U E ⊂，则称E 为有界集. (7). 无界集：若0>∀r ，使),(r O U E ⊄，则称E 为无界集.二、n 维空间：对取定的自然数n ，称n 元数组),,,(21n x x x 的全体为n 维空间，记为n R . 注：前述的邻域、区域等相关概念可推广到n 维空间. 三、多元函数的概念 1. 定义：.y x f z ↓↓↓=),(，或)(P f z =，其中D y x P ∈),(.因映自变变量射量定义域：D .值域：R D y x y x f z z D f ⊂∈==}),(),,({)(.注：可推广：n 元函数：),,,(21n x x x f u =，n n R D x x x ⊂∈),,,(21 . 例: 1. )arcsin(22y x z +=，}1),{(22≤+=y x y x D .2. )ln(y x z +=，}0),{(>+=y x y x D .2. 几何表示：函数),(y x f z =对应空间直角坐标系中的一张曲面:0),(),,(=-=y x f z z y x F . 四、二元函数的极限1.定义：设函数),(y x f 的定义域为D ，点),(000y x P 为D 的聚点，若R A ∈∃，0>∀ε，0>∃δ，),(),(0δP U D y x P o⋂∈∀，满足ε<-|),(|A y x f ，则称A 为),(y x f 当),(),(000y x P y x P →时的极限，记作A y x f y x y x =→),(lim ),(),(00，称之为),(y x f 的二重极限.例1. 设22221sin )(),(y x y x y x f ++=，求证0),(lim )0,0(),(=→y x f y x .证明：0>∀ε，要使不等式ε<+≤++=-++22222222221sin )(01sin)(y x yx y x y x y x 成立，只须取εδ=，于是，0>∀ε，εδ=∃，),0(),(δoU D y x P ⋂∈∀，总有ε<-++01sin)(2222yx y x ，即 0),(lim )0,0(),(=→y x f y x .例2. 证明),(lim)0,0(),(y x f y x →不存在，其中⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++=0,00,),(222222y x y x y x xy y x f . 证明：当),(y x P 沿直线)0(≠=k kx y 趋于)0,0(O 时，总有222220)0,0(),(1lim ),(limkkx k x kx y x f x kxy y x +=+=→=→， ),(y x f 随着k 的不同而趋于不同的值，故极限),(lim )0,0(),(y x f y x →不存在.例3. 求极限x xyy x sin lim)2,0(),(→.解：221lim sin lim sin lim sin lim20)2,0(),()2,0(),(=⋅=⋅=⋅=→→→→y xy xyy xy xy x xy y xy y x y x .五、二元函数的连续性1. 二元函数的连续性:设函数),(y x f 的定义域为D ，点),(000y x P 为D 的聚点，且D P ∈0，若),(),(lim00),(),(00y x f y x f y x y x =→，则称),(y x f z =在点),(000y x P 连续.2. 二元函数的间断点: 设函数),(y x f 的定义域为D ，点),(000y x P 为D 的聚点，若),(y x f 在点),(000y x P 不连续，则称),(000y x P 为),(y x f 的间断点.注：间断点可能是函数有定义的孤立点或无定义的点. 3. 性质：设D 为有界闭区域.(1). 有界性：0>∃M ， D y x ∈∀),(，有M y x f ≤|),(|.(2). 最值性：D P P ∈∃21,，使得D P D P P f P f D P P f P f ∈∀⎩⎨⎧∈=∈=,|)(min{)(}|)(max{)(21，有)()()(21P f P f P f ≤≤. (3). 介值性：])(),([21P f P f C ∈∀，D y x P ∈∃),(，使得C y x f =),(. 4. 二元连续函数的运算性质 (1). 和、差、积仍连续； (2). 商 (分母不为零) 连续； (3). 复合函数连续. 5. 二元初等函数及其连续性(1). 二元初等函数：由二元多项式和基本初等函数经过有限次四则运算和有限次复合所构成的、并用一个式子表示的二元函数称为二元初等函数. (2). 二元初等函数在其定义区域内连续. 例4. 求xy yx y x +→)2,1(),(lim.解：令xy y x y x f +=),(，则23)2,1(lim)2,1(),(==+→f xy y x y x . 例5. 求xyxy y x 11lim)0,0(),(-+→. 解：=-+→xy xy y x 11lim)0,0(),((分子有理化) 21111lim )11(11lim)0,0(),()0,0(),(=++=++-+→→xy xy xy xy y x y x .第二节偏导数引入：在一元函数微分学中，我们研究了一元函数的变化率—导数，并利用导数研究了函数的性态.对于多元函数，我们也要讨论它的变化率，但由于多元函数的自变量不止一个，所以多元函数的变化率要比一元函数的变化率复杂得多.我们还是以二元函数为例来研究多元函数的变化率，先把二元函数中某一自变量暂时固定，再讨论二元函数关于另一个自变量的变化率，这就是数学上的偏导数. 一、偏导数的相关概念1. 偏导数：设函数),(y x f z 在点),(000y x P 的某邻域内有定义，把y 暂时固定在0y ，而x 在0x 处有增量x ∆时，z 相应地有增量),(),(0000y x f y x x f -+∆.若极限xy x f y x x f x ∆∆∆),(),(lim00000-+→存在，则称此极限值为函数),(y x f z =在点),(000y x P 处对x 的偏导数，记为00y y x x xz ==∂∂；0y y x x xf ==∂∂；00y y x x xz ==或),(00y x f x .注: 1°. 0),(),(),(lim),(00000000x x x x y x f x d dx y x f y x x f y x f =→=-+=∆∆∆.2°. 0),(),(),(lim),(00000000y y y y y x f yd dy y x f y y x f y x f =→=-+=∆∆∆.2. 偏导函数：若函数),(y x f z =在区域D 内每一点),(y x 处对x 或y 偏导数存在，则该偏导数称为偏导函数,也简称为偏导数，记为x z x f x z ,,∂∂∂∂或),(y x f x ；y z yfy z ,,∂∂∂∂或),(y x f y . 注：可推广：三元函数),,(z y x f u =在点),,(z y x 处对x 的偏导数定义为xz y x f z y x x f z y x f x x ∆∆∆),,(),,(lim),,(0-+=→.例1. 求223y xy x z ++=在)2,1(处的偏导数. 解：先求偏导函数：y x x z 32+=∂∂，y x yz 23+=∂∂. 再求偏导数：821=∂∂==y x xz ，721=∂∂==y x yz .例2. 求y x z 2sin 2=的偏导数. 解：y x x z 2sin 2=∂∂，y x yz 2cos 22=∂∂. 例3. 求222z y x r ++=的偏导数. 解：rxz y x x x r =++=∂∂22222.由轮换对称性可知r y y r =∂∂，r z z r =∂∂. 3. 偏导数的几何意义(1). 偏导数),(00y x f x 是曲线⎩⎨⎧==0),(y y y x f z 在点)),(,,(00000y x f y x M 处的切线关于x 轴的斜率.(2). 偏导数),(00y x f y 是曲线⎩⎨⎧==0),(x x y x f z 在点)),(,,(00000y x f y x M 处的切线关于y 轴的斜率.4. 函数偏导数存在与函数连续的关系：函数偏导数存在与函数连续之间无必然的蕴含关系. (1). 函数),(y x f z =在点),(000y x P 处偏导数存在，但它在点),(000y x P 却未必连续.例如：函数⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++==0,00,),(222222y x y x y x xy y x f z 在点)0,0(的两个偏导数都存在，即00lim )0,0()0,0(lim)0,0(00==-+=→→x x x x f x f f ∆∆∆∆， 00lim )0,0()0,0(lim)0,0(00==-+=→→y y y yf y f f ∆∆∆∆. 但二重极限),(lim )0,0(),(y x f y x →不存在，故),(y x f z =在点)0,0(不连续.(2). 函数),(y x f z =在点),(000y x P 连续，但它在点),(000y x P 处却未必存在偏导数.例如：函数22),(y x y x f z +==在点)0,0(连续，但它在点)0,0(对x 及y 的偏导数都不存在，这是因为：⎩⎨⎧<->==-+→→0,10,1||lim )0,0()0,0(lim00x x x x x f x f x x ∆∆∆∆∆∆∆∆， ⎩⎨⎧<->==-+→→0,10,1||lim )0,0()0,0(lim00y y y y y f y f x y ∆∆∆∆∆∆∆∆，即),(y x f z =在点)0,0(对x 及y 的偏导数都不存在. 二、高阶导数1.二阶偏导数：若函数),(y x f z =对x 及y 的偏导数),(y x f x 及),(y x f y 对x 及y 的偏导数也存在，则称它们是函数),(y x f z =的二阶偏导数.记作：),(22y x f x z x z x xx =∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂； ),(22y x f yz y z y yy =∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂ ；(二阶纯偏导数) ),(2y x f y x z x z y xy =∂∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂；),(2y x f x y zy z x yx =∂∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂. (二阶混合偏导数) (二阶纯偏导数)注：1°. 一般地，二元函数),(y x f z =的1-n 阶偏导数的偏导数称为它的n 阶偏导数.2°. 二阶以及二阶以上的偏导数统称为高阶导数.3°. 二元函数),(y x f z =的n 阶偏导数至多有n 2个. 例4. 设13323+--=xy xy y x z ，求它的二阶偏导数. 解：y y y x x z --=∂∂32233；x xy y x yz --=∂∂2392； 2226xy x z =∂∂；xy x yz 182322-=∂∂； 196222--=∂∂∂y y x y x z ；196222--=∂∂∂y y x xy z . 总结：从这一例题，我们看到：x y z y x z ∂∂∂=∂∂∂22，即两个二阶混合偏导数相等，与求导顺序无关.那是不是每个二元函数都有这样的相等的二阶混合偏导数呢我们说不是的，例如：⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++-==0,00,),(22222222y x y x y x y x xy y x f z ，在点)0,0(，有)0,0()0,0(yx xy f f ≠，事实上，yf y f f x x y xy ∆∆∆)0,0()0,0(lim)0,0(0-+=→；xf x f f y y x yx ∆∆∆)0,0()0,0(lim)0,0(0-+=→.而0)0,0()0,0(lim)0,0(0=-+=→xf x f f x x ∆∆∆，0)0,0()0,0(lim)0,0(0=-+=→y f y f f y y ∆∆∆， y xy x y x yx x y f y x f y f x x x -=+-⋅=-+=→→∆∆∆∆∆∆∆∆222200)()(lim ),0(),0(lim ),0(，x y y x y x x y y x f y x f x f y y y =+-⋅=-+=→→∆∆∆∆∆∆∆∆222200)()(lim )0,()0,(lim )0,(.于是，1lim )0,0()0,0(lim)0,0(00-=-=-+=→→y yyf y f f y x x y xy ∆∆∆∆∆∆， 1lim)0,0()0,0(lim)0,0(00==-+=→→xxxf x f f x y y x yx ∆∆∆∆∆∆，即)0,0()0,0(yx xy f f ≠.那么满足什么条件得二元函数的两个二阶混合偏导数与求导顺序无关呢有下面的定理： 2. 二阶混合偏导数的性质定理：若函数),(y x f z =的两个二阶混合偏导数),(y x f xy 与),(y x f yx 在区域D 内连续，则它们在D 内必相等，即),(),(y x f y x f yx xy =.注：1°. 可推广：高阶混合偏导数在连续的条件下与求导顺序无关.2°. 一般地，若二元函数),(y x f z =的高阶混合偏导数都连续，则),(y x f z =的n 阶偏导数只有1+n 个.第三节全微分一、全微分的相关概念1. 偏增量：称),(),(y x f y x x f z x -+=∆∆为函数),(y x f z =对x 的偏增量;称),(),(y x f y y x f z y -+=∆∆为函数),(y x f z =对y 的偏增量.2. 偏微分：称x y x f x ∆),(与y y x f y ∆),(为),(y x f z =对x 及y 的偏微分. 注：x y x f y x f y x x f x ∆∆),(),(),(≈-+，y y x f y x f y y x f y ∆∆),(),(),(≈-+.但在实际应用中，往往要知道函数的全面的变化情况，即当自变量有微小增量x ∆、y ∆时，相应的函数增量z ∆与自变量的增量x ∆、y ∆之间的依赖关系，这涉及到函数的全增量. 3. 全增量：称),(),(y x f y y x x f z -++=∆∆∆为函数),(y x f z =在点),(y x P 对应于自变量增量x ∆、y ∆的全增量.一般来讲，计算全增量z ∆是比较困难的，我们总希望像一元函数那样，利用x ∆、y ∆的线性函数来近似代替函数的全增量z ∆，为此，引入了全微分.4. 全微分：若函数),(y x f z =在点),(y x P 的某领域内有定义，且在),(y x P 的全增量),(),(y x f y y x x f z -++=∆∆∆可表示为)(ρ∆∆∆o y B x A z ++=，其中A 、B 不依赖于x ∆、y ∆，而仅与x 、y 有关，22)()(y x ∆∆ρ+=，则称),(y x f z =在点),(y x P 可微分，而称y B x A ∆∆+ 为),(y x f z =在点),(y x P 的全微分，记作dz ，即y B x A dz ∆∆+=.若),(y x f z =在区域D 内每一点都可微分，则称),(y x f z =在D 内可微分. 注：)(ρ∆o z dz -=.我们知道，当一元函数)(x f y =在点x 的微分x A dy ∆=存在时，)('x f A =，那么，当二元函数),(y x f z =在点),(y x P 的全微分y B x A dz ∆∆+=存在时，A 、B 又为何值呢下面讨论二元函数可微分与连续、可微分与偏导数存在的关系，从中得到A 、B 的值. 二、二元函数可微分与偏导数存在、可微分与连续的关系 1．函数可微分的必要条件定理 1.若函数),(y x f z =在点),(y x P 可微分，则它在点),(y x P 的两个偏导数),(y x f x 及),(y x f y 必定存在，且),(y x f z =在点),(y x P 的全微分dy y x f dx y x f dz y x ),(),(+=.证明：由于),(y x f z =在点),(y x P 可微分，则有)(ρ∆∆∆o y B x A z ++=，其中22)()(y x ∆∆ρ+=，当0=y ∆时，有|)(|),(),(x o x A y x f y x x f z x ∆∆∆∆+=-+=，从而A xx o x A x y x f y x x f x x =+=-+→→∆∆∆∆∆∆∆|)(|lim ),(),(lim00，即),(y x f A x =，同理可得),(y x f B y =，于是y y x f x y x f dz y x ∆∆),(),(+=.特殊地，令x y x f =),(，有1),(=y x f x ，0),(=y x f y ，从而有x dx ∆=，同理令y y x f =),(，有0),(=y x f x ，1),(=y x f y ，从而有y dy ∆=.于是有dy y x f dx y x f dz y x ),(),(+=，也称之为二元函数微分学的叠加原理.注：定理说明：函数),(y x f z =可微分，),(y x f z =一定可偏导，且全微分可用偏导数表示. 但反之未必，即偏导数存在，函数),(y x f z =未必可微分.例如：⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++==0,00,),(222222y x y x y x xy y x f z 在点)0,0(处两个偏导数都存在，且)0,0()0,0(y x f f =，但),(y x f z =在点)0,0(却不可微分.事实上，假设),(y x f z =在点)0,0(可微分，则y y x f x y x f dz y x ∆∆),(),(+=，又)(ρ∆o dz z +=，从而0→-ρ∆dzz ，当0→ρ时. 而22)()(0)0,0()0,0(y x yx f y x f dz z ∆∆∆∆∆∆∆+⋅=-+++=-，有222)0,0(),(0))()((lim),(),(limy x yx x y x f y x x f y x x ∆∆∆∆∆∆∆∆∆+⋅=-+→→不存在，更谈不上等于0，从而假设不成立，即),(y x f z =在点)0,0(不可微分. 2. 函数可微分的必要条件定理2若函数),(y x f z =在点),(y x P 可微分，则它在点),(y x P 连续.证明：由于),(y x f z =在点),(y x P 可微分，有)(ρ∆∆∆o y B x A z ++=，其中22)()(y x ∆∆ρ+=，于是有，0lim 0=→z ∆ρ.又),(y x f z =的全增量为),(),(y x f y y x x f z -++=∆∆∆，从而0),(),(lim )0,0(),(=-++→y x f y y x x f y x ∆∆∆∆，即),(),(lim)0,0(),(y x f y y x x f y x =++→∆∆∆∆，这说明),(y x f z =在点),(y x P 连续.注：函数连续，未必可微分.例如：函数22),(y x y x f z +==在点)0,0(连续，但由于偏导数不存在，从而不可微分. 3. 函数可微分的充分条件定理3若函数),(y x f z =的偏导数),(y x f x 与),(y x f y 在点),(y x 都连续，则),(y x f z =在点),(y x 可微分.注：反之未必.例如：⎪⎩⎪⎨⎧=+≠+++==0,00,1sin )(),(22222222y x y x y x y x y x f z 在点)0,0(可微分，但),(y x f x 与),(y x f y 在点)0,0(都不连续.(1).先说明),(y x f z =在点)0,0(可微分. 设0)0,0()0,0(),(=+=y f x f y x y x ∆∆∆∆ϕ，因为01sin lim )0,0()0,(lim)0,0(2200==-=→→xx x xf x f f x x x ，01sinlim )0,0(),0(lim)0,0(2200==-=→→yy y yf y f f y y y ，令2222)()(1sin])()[()0,0()0,0(y x y x f y x f u ∆∆∆∆∆∆∆++=-++=，由于01sinlim ),(lim2200==-→→ρρρρ∆∆ϕ∆ρρy x u ，其中22)()(y x ∆∆ρ+=，于是)()0,0()0,0()(),(ρ∆∆ρ∆∆ϕ∆o y f x f o y x u y x ++=+=，由全微分的定义知),(y x f z =在)0,0(可微分.(2). 再说明偏导数),(y x f x 及),(y x f y 在点)0,0(不连续. 易知 0,1cos 21sin2),(22222222≠+++-+=y x yx y x x y x x y x f x , 由于⎪⎭⎫ ⎝⎛-==→→=→2200)0,0(),(21cos 121sin 2lim ),(lim ),(limx x x x x x f y x f x x x x xy y x 不存在，从而),(y x f x 在点)0,0(不连续.同理可知)0(1cos 21sin2),(22222222≠+++-+=y x yx y x y y x y y x f y 在点)0,0(也不连续. 例1. 计算函数22y y x z +=的全微分. 解：dy y x xydx dy yzdx x z dz )2(22++=∂∂+∂∂=. 例2. 计算函数xy e z =在点)1,2(处的全微分. 解：由于xy xy xe y z ye x z =∂∂=∂∂,，有2122122,e yz e xz y x y x =∂∂=∂∂====，所以dy e dx e dz y x 22122+===.例3. 计算yz e yx u ++=2sin 的全微分. 解： dz ye dy ze y dx dz z u dy y u dx x u du yz yz +⎪⎭⎫ ⎝⎛++=∂∂+∂∂+∂∂=2cos 21.第四节多元复合函数的求导法则一、一元函数与多元函数复合的情形定理1.若函数)(t u ϕ=及)(t v ψ=在点t 都可导，函数),(v u f z =在对应点),(v u 具有连续偏导数，则复合函数)](),([t t f z ψϕ=在点t 可导，且dtdvv z dt du u z dt dz ⋅∂∂+⋅∂∂=.(全导数公式) 注：可推广：),,(ωv u f z =，)(t u ϕ=，)(t v ψ=，)(t ωω=复合而成的函数)](),(),([t t t f z ωψϕ=在点t 可导，且dtd z dt dv v z dt du u z dt dz ωω⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂=. 二、多元函数与多元函数复合的情形定理2. 若函数),(y x u ϕ=及),(y x v ψ=在点),(y x 具有对x 及y 的偏导数，函数),(v u f z =在对应点),(v u 具有连续偏导数，则复合函数)],(),,([y x y x f z ψϕ=在点),(y x 的两个偏导数都存在，且xvv z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂；y v v z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂. 注：可推广：由),,(ωv u f z =，),(y x u ϕ=，),(y x v ψ=，),(y x ωω=复合而成的函数)],(),,(),,([y x y x y x f z ωψϕ=在点),(y x 两个偏导数都存在，且xz x v v z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂ωω；y z y v v z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂ωω. 三、其它情形1. 函数),(y x u ϕ=在点),(y x 对x 及y 的偏导数都存在，函数及)(y v ψ=在点t 可导，),(v u f z =在点),(v u 具有连续偏导数，则复合函数]),,([y y x f z ϕ=在点),(y x 的两个偏导数都存在，且xuu z v z x u u z dx dv v z x u u z x z ∂∂⋅∂∂=⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂0； dydv v z y u u z y z ⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂. 2. 函数),(y x u ϕ=在点),(y x 具有对x 及y 的偏导数，),,(y x u f z =在点),,(y x u 具有连续偏导数，则复合函数],),,([y x y x f z ϕ=在点),(y x 的两个偏导数都存在，且1⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=⋅∂∂+⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂xf x u u f dx dy y f dx dx x f x u u f x z ； 1⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=⋅∂∂+⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂yf y u u f dy dy y f dy dx x f y u u f y z . 例1. 设v e z u sin =，而xy u =，y x v +=，求xz∂∂及y z ∂∂. 解：)]cos()sin([1cos sin y x y x y e v e y v e xvv z x u u z x z xy u u +++=⋅+⋅=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂； )]cos()sin([1cos sin y x y x x e v e x v e yv v z y u u z y z xy u u +++=⋅+⋅=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂. 例2.设222),,(z y xe z y xf u ++==，而y x z sin 2=，求xu ∂∂及y u ∂∂. 解：xzz f dx dy y f dx dx x f x u ∂∂⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂ yx y xz y xz y xe y x x y x ze xe 2422222222sin 22)sin 21(2sin 222+++++++=⋅+=；yz z f dy dx x f dx dy y f y u ∂∂⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂ yx y xz y xz y xe y y x y y x ze ye 2422222222sin 42)cos sin (2cos 22+++++++=⋅+=.例3. 设t uv z sin +=，而t e u =，t v cos =，求求导数dtdz . 解：t t u ve dtdt t z dt dv v z dt du u z dt dz t cos sin +-=⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂= t t t e t t e t e t t t cos )sin (cos cos sin cos +-=+-=.四、全微分形式不变性:若函数),(v u f z =具有连续偏导数，则有全微分dv vz du u z dt dz ∂∂+∂∂=.若函数),(y x u ϕ=及),(y x v ψ=也具有连续偏导数，则复合函数)],(),,([y x y x f z ψϕ=的全微分为dy y z dx x z dt dz ∂∂+∂∂=，有dy yzdx x z dv v z du u z dt dz ∂∂+∂∂=∂∂+∂∂=，称此性质为全微分形式不变性. 事实上：dy y z dx x z dt dz ∂∂+∂∂=dy y v v z y u u z dx x v v z x u u z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂= ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=dy y v dx x u v z dy y u dx x u u z dv v z du uz∂∂+∂∂=. 例4. 利用全微分形式不变性求xu∂∂与y u ∂∂，其中v e z u sin =，xy u =，y x v +=. 解：由于vdv e vdu e v e d dz u u u cos sin )sin (+==，而 xdy ydx xy d du +==)(，dy dx y x d dv +=+=)(，于是dy v e x v e dx v e y v e dz u u u u )cos sin ()cos sin (+⋅++⋅=，即dy y x y x x e dx y x y x y e dy yzdx x z xy xy )]cos()sin([)]cos()sin([+++++++=∂∂+∂∂，比较两端dx 、dy 的系数得：)]cos()sin([y x y x y e xzxy +++=∂∂， )]cos()sin([y x y x x e xzxy +++=∂∂.第五节隐函数的求导公式一、隐函数：称对应关系不明显，而是隐含在方程(方程组)中的函数(函数组)为由方程(方程组)确定的隐函数(隐函数组).注：并不是每一个方程都能确定一个隐函数，例如：01242=+++z y x . 二、隐函数存在定理 1.由一个方程确定的隐函数定理 1.若函数),(y x F 在点),(00y x P 的某一邻域内具有连续偏导数，且0),(00=y x F ，0),(00≠y x F y ，则方程0),(=y x F 在点),(00y x P 的某一邻域内恒能唯一确定一个连续可导的函数)(x f y =，满足)(00x f y =，且yx F Fdx dy -=. 注：若),(y x F 的二阶偏导数也连续，则有 dxdy F F y dx dx F F x dx y d y x y x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∂∂=22 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----=y x y x yy y xy y xyx y xx F F F F F F F F F F F F 223222y x yy y x xy y xx F F F F F F F F +--=.定理2. 若函数),,(z y x F 在点),,(000z y x P 的某一邻域内具有连续偏导数，且0),,(000=z y x F ，0),,(000≠z y x F z ，则方程0),,(=z y x F 在点),,(000z y x P 的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续偏导数的函数),(y x f z =，满足),(000y x f z =，且zx F Fx z -=∂∂，z y F F y z -=∂∂. 例1. 设0122=-+y x ，求dxdy及22dx y d .解：令1),(22-+=y x y x F ，则x F x 2=，y F y 2=，从而yxF F dx dy y x -=-=. 33222221'yy x y y xy y y x dx d dx y d -=+-=--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=. 例2.设04222=-++z z y x ，求22xz∂∂.解：设z z y x z y x F 4),,(222-++=，则x F x 2=，42-=z F z ，于是zxF F x z z x -=-=∂∂2，从而 3222222)2()2()2(2)2()2()2(z x z z z x x z z x z x z x z -+-=--⋅+-=-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂---=∂∂. 2.由方程组确定的隐函数组定理3. 若函数),,,(v u y x F 与),,,(v u y x G 在点),,,(0000v u y x P 的某一邻域内具有对各个变量的连续偏导数，又0),,,(0000=v u y x F ，0),,,(0000=v u y x G ，且函数行列式vu v uG G F F v u G F J =∂∂=),(),(在点),,,(0000v u y x P 不等于零，则方程组⎩⎨⎧==0),,,(0),,,(v u y x G v u y x F 在点),,,(0000v u y x P 的某一邻域内恒能确定唯一一组连续且具有连续偏导数的函数组⎩⎨⎧==),(),(y x v v y x u u ，且v uv u v xvxG G F F G G F F v x G F J x u -=∂∂-=∂∂),(),(1，vuv u xu x uG G F F G G F F x u G F J x v -=∂∂-=∂∂),(),(1；vuv u v y v yG G F F G G F F v y G F J y u -=∂∂-=∂∂),(),(1，vuv u y u y u G G F F G G F F y u G F J y v -=∂∂-=∂∂),(),(1.例3. 设0=-yv xu ，1=+xv yu ，求xu ∂∂、y u ∂∂、x v ∂∂、和y v ∂∂. 解：设方程组⎩⎨⎧=+=-1xv yu yv xu ，两端对x 求导得：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+∂∂+∂∂=∂∂-∂∂+00v x v x x u y x v y x u x u 或⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=∂∂+∂∂-=∂∂-∂∂v x v x x u y u xv y x u x ，在022≠+=-=y x xyy x J 的条件下，有22y x yv xu x y y x x v yu x u ++-=-----=∂∂，22y x xvyu xy y x v y ux x v +--=----=∂∂；同理可得22y x yu xv y u +-=∂∂，22y x yv xu y v ++-=∂∂.第六节多元函数微分学的几何应用一、一元向量值函数及其导数1. 一元向量值函数的定义： )(t f r =，D t ∈(数集)，n R ∈. 注：1°. 在3R 中，))(),(),(()()()()(321321t f t f t f t f t f t f t f =++==.2°. 向量值函数)())(),(),(()(321D t t f t f t f t f r ∈==称为曲线⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(:321t f z t f y t f x Γ的向量方程.2. 一元向量值函数的极限：设向量值函数)(t f 在点0t 的某一去心邻域内有定义，若存在常向量0，0>∀ε，0>∃δ，t ∀：满足δ<-<||00t t ，总有ε<-|)(|0t f ，则称0为)(t f 当0t t → 时的极限，记作0)(lim 0t f t t =→.注：)(lim 0t f t t →存在⇔)(lim 10t f t t →、)(lim 20t f t t →、)(lim 30t f t t →都存在.⎪⎭⎫ ⎝⎛=→→→→)(lim ),(lim ),(lim )(lim 3210000t f t f t f t f t t t t t t t t . 3. 一元向量值函数的连续性：设向量值函数)(t f 在点0t 的某一邻域内有定义，若)()(lim 00t f t f t t =→，则称向量值函数)(t f 在点0t 连续.注：)(t f 在点0t 连续⇔)(1t f 、)(2t f 、)(3t f 点0t 连续.4.一元向量值函数的导数(导向量)：设向量值函数)(t f r =在点0t 的某一邻域内有定义，若tt f t t f t t t ∆∆∆∆∆∆)()(lim lim0000-+=→→存在，则称此极限值为)(t f 在点0t 的导数或导向量，记作)('t f 或x t dtr d =.注：1°. )(t f 在点0t 可导⇔)(1t f 、)(2t f 、)(3t f 点0t 都可导.t f t f t f t f )()()()(''3'2'1++=.2°. 一元向量值函数的导向量的几何意义：tt f t ∆∆∆00lim)('→=是向量值函数)(t f =的终端曲线Γ在点)(0t M 处的一个切向量,其指向与t 的增长方向一致.例1.设t t t t f ++=)(sin )(cos )(，求)(lim 4/t f t π→.解：k t j t i t t f t t t t )lim ()sin lim ()cos lim ()(lim 4/4/4/4/ππππ→→→→++=k 422π++=. 例2.设空间曲线Γ的向量方程为R t t t t t t f ∈--+==),62,34,1()(22，求曲线Γ在点20=t 相应的点处的单位切向量.解：由于)64,4,2()('-=t t t f ，有)2,4,4()2('=f ，进而6244|)2('|222=++=f ，于是⎪⎭⎫⎝⎛==31,32,32)2,4,4(611n 为指向与t 的增长方向一致的单位切向量.⎪⎭⎫⎝⎛---=31,32,322n 为指向与t 的增长方向相反的单位切向量.二、空间曲线的切线与法平面1. 参数式情形：设空间曲线Γ的参数方程为⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z t y t x ωψϕ，],[βα∈t ，假设)(t ϕ、)(t ψ以及)(t ω在],[βα上可导，且三个导数不同时为零.(1). 切线：曲线Γ上的一点),,(000z y x M 处的切线方程为：)(')(')('000t z z t y y t x x ωψϕ-=-=-，参数0t 对应点),,(000z y x M .推导：由于曲线Γ的参数方程为⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z t y t x ωψϕ，记向量值函数))(),(),(()(t t t t f ωψϕ=，由向量值函数导数的几何意义知：向量)('),('),('()('0000t t t t f T ωψϕ==即为曲线Γ在其上的点),,(000z y x M 处的一个切向量，从而曲线Γ在其上的点),,(000z y x M 处的切线方程为：)(')(')('000000t z z t y y t x x ωψϕ-=-=-. (2). 法平面：通过曲线Γ上的点),,(000z y x M 而与曲线Γ在点M 处的切线垂直的平面方程称为曲线Γ在点M 处的法平面，方程为0))(('))(('))(('000000=-+-+-z z t y y t x x t ωψϕ.其中法向量为))('),('),('()(0000t t t t f ωψϕ==.2. 特殊式情形：设空间曲线Γ的方程为⎩⎨⎧==)()(x z x y ψϕ，且)(x ϕ、)(x ψ在点0x x =处可导，曲线Γ的方程可改写为⎪⎩⎪⎨⎧===)()(x z x y x x ψϕ，x 为参数，从而曲线Γ在点),,(000z y x M 处的切线与法平面方程分别为： (1). 切线方程：)(')('100000x z z x y y x x ψϕ-=-=-. (2). 法平面方程：0))(('))((')(00000=-+-+-z z x y y x x x ψϕ.3. 一般式(隐函数)情形：设曲线Γ的方程为⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F ，),,(000z y x M 为曲线Γ上的一点，又设F 、G 有对各个变量的连续偏导数，且0),(),(≠∂∂Mz y G F ，这时方程组在点),,(000z y x M 的某一邻域内确定了一组隐函数⎩⎨⎧==)()(x z x y ψϕ，从而曲线Γ的参数方程为⎪⎩⎪⎨⎧===)()(x z x y xx ψϕ，x 为参数，于是切向量为))('),(',1(00x x T ψϕ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=M z yzy Myxy x Mzyz y Mx z x z G G F F G G F F G G F F G G F F ,,1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=M yxy x M x zxzM z y z y Mzyz y G G F F G G F FG G F F G G F F ,,1. (1). 切线方程：)(')('100000x z z x y y x x ψϕ-=-=-. (2). 法平面方程：0))(('))((')(00000=-+-+-z z x y y x x x ψϕ.例3. 求曲线⎩⎨⎧=++=++06222z y x z y x 在点)1,2,1(-处的切线与法平面方程.解：在方程组⎩⎨⎧=++=++06222z y x z y x 两端对x 求导，得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++=++010222dx dz dx dy dx dz z dx dy y x ，整理得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=+-=+1dxdz dx dy x dxdz z dx dyy ，于是z y x z z y z x dx dy --=--=1111，0)1,2,1(=-dx dy ；z y y x z y xy dx dz --=--=1111，1)1,2,1(=-dx dz，故切向量为)1,0,1(=T ，从而所求切线方程为：110211--=+=-z y x ，或⎪⎩⎪⎨⎧-=--=-21111y z x .法平面方程为0)1()2(0)1(=--++-z y x 或0=-z x .三、曲面的切平面与法线 1.定义(1). 切平面：若曲面∑上通过点M 的一切曲线在点M 的切线都在同一个平面上，则称此平面为曲面∑在点M 的切平面.(2). 法线：通过点M 且与切平面垂直的直线称为曲面∑在点M 的法线. 2. 切平面与法线方程(1). 一般式情形：设曲面∑的方程为0),,(=z y x F ，点),,(000z y x M 为其上一点，且函数),,(z y x F 的偏导数在点M 连续.切平面方程：0))(())(())((000=-+-+-z z M F y y M F x x M F z y x ；法线方程：)()()(000M F z z M F y y M F x x z y x -=-=-. 推导：在曲面∑上过点M 任意引一条曲线Γ，设其参数方程为⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z t y t x ωψϕ，且函数)(t x ϕ=、)(t y ψ=以及)(t z ω=在0t t =都可导，0t t =对应点),,(000z y x M ，有方程0))(),(),((=t t t F ωψϕ，两端对x 求导，在0t t =处，有0)('),,()('),,,()('),,(000000000000=++t z y x F t z y x F t z y x F z y x ωψϕ. 记()),,(),,,(),,,(000000000z y x F z y x F z y x F N z y x =.又))('),('),('(000t t t T ωψϕ=为曲线Γ在点),,(000z y x M 处的切向量，由上式可知0=⋅，即曲面∑上通过点),,(000z y x M 的任意一条曲线的切向量都垂直于同一个向量，从而这些切线都在同一平面上，即曲面∑在点),,(000z y x M 的且平面存在，该切平面以向量()),,(),,,(),,,(000000000z y x F z y x F z y x F N z y x =为一法线向量.(2). 特殊式 (显函数) 情形：曲面∑：),(y x f z =，且函数),(y x f 的偏导数在点),(00y x 连续.切平面方程：0)())(,())(,(0000000=---+-z z y y y x f x x y x f y x .法线方程：1),(),(0000000--=-=-z z y x f y y y x f x x •y x .推导：记0),(),,(=-=z y x f z y x F ，有),(),,(y x f z y x F x x =，),(),,(y x f z y x F y y =，1),,(-=z y x F z ，故有法向量()1),,(),,(0000-=y x f y x f N y x .例4. 求球面14222=++z y x 在点)3,2,1(处的且平面及法线方程.解：设14),,(222-++=z y x z y x F ，有x z y x F x 2),,(=，y z y x F y 2),,(=，z z y x F z 2),,(=，故所求切平面的法向量为())6,4,2(2,2,2)3,2,1(==z y x ，于是所求切平面方程为：0)3(6)2(4)1(2=-+-+-z y x ，即01432=-++z y x ，法线方程为：332211-=-=-z y x •，即321zy x •==.例5. 求旋转抛物面122-+=y x z 在点)4,1,2(处的切平面即法线方程.解：设1),(22-+=y x y x f ，有x y x f x 2),(=，y y x f y 2),(=，于是所求切平面的法向量为())1,2,4(1,2,2)4,1,2(-=-=y x N .从而所求切平面方程为0)4()1(2)2(4=---+-z y x ，即0624=--+z y x ，法线方程为142142--=-=-z y x •.第七节方向导数与梯度引入:由函数),(y x f 在点),(000y x P 的偏导数的几何意义可知：偏导数),(00y x f x 、),(00y x f y 只是函数),(y x f 过点),(000y x P 沿平行坐标轴法线的变化率.但在实际应用中，往往要求我们知道函数),(y x f 在点),(000y x P 沿任意确定的方向的变化率，以及沿什么方向函数的变化率最大，这就涉及到函数的方向导数和梯度. 一、方向导数1. 定义：设函数),(y x f 在点),(000y x P 的某个邻域)(0P U 内有定义，)sin ,cos (000ααt y t x P ++为过点),(000y x P 的射线l ()sin ,(cos αα=l e )上另一点，且)(0P U P ∈.若极限ty x f t y t x f t ),()sin ,cos (lim 00000-+++→αα存在，则称此极限为函数),(y x f z =在点),(000y x P 沿方向l 的方向导数，记作),(00y x lf ∂∂.注：若函数),(y x f 在点),(000y x P 的偏导数存在，且i e l ==)0,1(，则),(),(),(lim 0000000),(00y x f ty x f y t x f lf x t y x =-+=∂∂+→.若函数),(y x f 在点),(000y x P 的偏导数存在，且j e l ==)1,0(，则),(),(),(lim 0000000),(00y x f ty x f t y x f lf y t y x =-+=∂∂+→.2. 方向导数的存在性定理：若函数),(y x f 在点),(000y x P 可微分，则函数),(y x f 在点),(000y x P 沿任意方向l 的方向导数都存在，且有βαcos ),(cos ),(0000),(00y x f y x f lf y x y x +=∂∂，其中αcos 、βcos 的方向余弦.注：1°. 可推广：若函数),,(z y x f 在点),,(0000z y x P 可微分，则),,(z y x f 在点0P 沿方向)cos ,cos ,(cos γβα=l e 的方向导数为γβαcos ),,(cos ),,(cos ),,(000000000),,(000z y x f z y x f z y x f lf z y x z y x ++=∂∂.2°. 方向导数存在，函数未必可微分.例如：22),(y x y x f +=在点)0,0(沿方向)cos ,(cos βα=l e 的方向导数都存在，但),(y x f 在点)0,0(不可微分.事实上：由于1lim )0,0()cos 0,cos 0(lim 00==-++++→→t ttf t t f t t βα，从而22),(y x y x f +=在点)0,0(沿方向l 的方向导数都存在.但22),(y x y x f +=在点)0,0(的两个偏导数都不存在，从而不可微分. 例1. 求函数y xe z 2=在点)0,1(P 处从点)0,1(P 到)1,2(-Q 方向的方向导数.解：由题可知方向l 就是向量)1,1(-=的方向，有⎪⎭⎫ ⎝⎛-=21,21l e .又1)0,1(2)0,1(==∂∂ye xz，22)0,1(2)0,1(==∂∂yxe yz ，故所求方向导数为22212211)0,1(-=⎪⎭⎫⎝⎛-⋅+⋅=∂∂lz . 例 2.求zx yz xy z y x f ++=),,(在点)2,1,1(沿方向l 的方向导数，其中l 的方向角分别为o o o 60,45,60.解：由题可知与方向l 同向的单位向量为⎪⎪⎭⎫⎝⎛==21,22,21)60cos ,45cos ,60(cos o o o l ，又3)()2,1,1()2,1,1(=+=z y f x ，3)()2,1,1()2,1,1(=+=z x f y ，2)()2,1,1()2,1,1(=+=x y f z ，故所求方向导数为)235(21212223213)2,1,1(+=⋅+⋅+⋅=∂∂lf.二、梯度1.梯度的定义：设函数),(y x f 在平面区域D 内具有一阶连续偏导数，对每一个点D y x P ∈),(000，称向量y x f y x f y x ),(),(0000+为函数),(y x f 在点),(000y x P 的梯度，记作),(00y x f grad ，或),(00y x f ∇，即j y x f i y x f y x f y x f grad y x ),(),(),(),(00000000+=∇=. 注：可推广：k z y x f j z y x f i z y x f z y x f z y x f grad z y x ),,(),,(),,(),,(),,(000000000000000++=∇=. 2.梯度与方向导数的关系(1).沿梯度方向，方向导数达到最大值； (2).梯度的模为方向导数的最大值.推导：设)cos ,(cos βα=l ，若函数),(y x f 在点),(000y x P 可微分，则),(y x f 在点0P 沿方向l 的方向导数为βαcos ),(cos ),(0000),(00y x f y x f lfy x y x +=∂∂)),,((cos |||),(|),(000000∧⋅⋅=⋅=l l l e y x f grad e y x f grad e y x f gradθ∆cos |||),(|00⋅⋅=l e y x f grad .1. 当0=θ时，|),(|00),(00y x f grad lf y x =∂∂.这说明函数),(y x f 在一点),(y x 的梯度),(y x f grad 是这样一个向量，它的方向是),(y x f 在这点的方向导数取得最大值的方向，它的模等于方向导数的最大值.2. 当πθ=时，有l e 与),(00y x f grad 的方向相反，函数),(y x f 减小最快，),(y x f 在这个方向上的方向导数达到最小值，|),(|00),(00y x f grad lfy x -=∂∂.3. 当2πθ=时，有l e 与),(00y x f 的方向正交，函数),(y x f 的变化率为零，即0cos |),(|00),(00==∂∂θy x f grad lf y x .例3. 求221y x +.解：令221),(y x y x f +=，有222)(2),(y x x y x f x +-=，222)(2),(y x yy x f x +-=，于是j y x yi y x x y x grad22222222)(2)(21+-++-=+. 例4.设)(21),(22y x y x f +=，)1,1(0P ，求(1). ),(y x f 在0P 处增加最快的方向以及),(y x f 沿这个方向的方向导数； (2). ),(y x f 在0P 处减少最快的方向以及),(y x f 沿这个方向的方向导数； (3). ),(y x f 在0P 处变化率为零的方向.解：(1). ),(y x f 在点)1,1(0P 处沿)1,1(f ∇的方向增加最快，由于j i j y i x f +=+=∇)1,1()()1,1(，故所求方向可取为f 2121)1,1(+=∇=2|)1,1(|)1,1==f . (2). ),(y x f 在点)1,1(0P 处沿)1,1(f -的方向减少最快，故所求方向可取为j i n n 21211--=-=2|)1,1(|)1,1-=∇-=f .(3). ),(y x f 在点)1,1(0P 处沿垂直于)1,1(f 的方向变化率为零，故所求方向为21212+-=或21213-=.第八节多元函数的极值及其求法引入：在一元函数微分学中，我们讨论了一元函数的极值和最值问题，但在许多实际问题中，往往会遇到多元函数的极值和最值问题，我们以二元函数为例来讨论多元函数的极值与最值问题.一、二元函数的极值与最值1. 极值：二元函数),(y x f 的定义域为D ，),(000y x P 为D 的内点，若存在0P 的某个邻域D P U ⊂)(0，)(),(0P U y x P ∈∀，且),(),(000y x P y x P ≠，都有),(),(00y x f y x f <(),(),(00y x f y x f >),则称),(y x f 在点0P 有极大值(极小值).点),(000y x P 称为函数),(y x f 的极大值点(极小值点). 统称极大值、极小值为极值；使函数取得极值的点称为函数的极值点.2. 最值：设函数),(y x f 的定义域为D ，若存在D y x P ∈),(000，D y x P ∈∀),(，都有),(),(00y x f y x f ≤(),(),(00y x f y x f ≥),则称),(00y x f 为),(y x f 在D 上的最大值(最小值). 注：1°. 极值是一个局部概念，最值是一个整体概念.2°. 极值与最值的关系：极值可以是最值，但最值未必是极值. 例1. 函数2243y x z +=在点)0,0(取得极小值，也是最小值. 例2. 函数22y x z +-=在点)0,0(取得极大值，也是最大值. 例3.函数xy z =在点)0,0(既不取得极大值，也不取得极小值.由此可见，并不是每一个函数在其定义域上都有极值点，那么什么样的点可能是函数的极值点呢又如何判断函数在该极值点处取得极大值还是极小值呢下面我们来学习极值点的必要条件和充分条件，从中得到这些问题的答案. 二、极值点的条件。

高数(同济第六版)第九章总结

4
③当 AC
时，不能判断
2、条件极值，拉格朗日乘数法：
①构造 L(x,y)=f(x,y)+ (x,y)[其中，f 为原函数，为条件]
② (x0,y0)+
=0
(x0,y0)+
=0
(x0,y0)=0
5
1、方向导：
2、梯度：
=
3、 =(
) 其中为方向角，
记某点
处的方向导为记梯度为
则
[其中
]
① =0 时，f 增长最快
② = 时，f 增长最慢
③ = 时，f 不变
第八节多元函数的极值及其求法
1、极值存在必要条件：，
充要条件：有
C
①当 AC
A>0 时，有极小值
A<0 时，有极大值
②当 AC <0 时，无极值
1、偏导的符号不可拆
2、偏导数的几何意义
第三节全微分
1、全增量： z=f(x+ x,y+ y)-f(x,y)
可表示为： z=A x+B y+o( )[其中 o( )=
]
2、全微分：
[其中
]
3、全微分存在条件： 4、各个关系
函数连续
互推不出
推不出
推不出
函数可导
推得出
函数可导
推
推
得
不
出
出
推得出
偏导连续
记 Jacobi 式：J=
(在解方程组式的隐函数时，可用可不用 Jacobi 式) 第六节多元函数微分学几何应用
1、
3
[称其为一元向量值函数] 2、空间曲线的切线与法平面

高等数学教案ch 9 重积分

第九章重积分教学目的：1、理解二重积分、三重积分的概念，了解重积分的性质，知道二重积分的中值定理。

2、掌握二重积分的（直角坐标、极坐标）计算方法。

3、掌握计算三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算方法。

4、会用重积分求一些几何量与物理量（平面图形的面积、体积、重心、转动惯量、引力等）。

教学重点：1、二重积分的计算（直角坐标、极坐标）；2、三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算。

3、二、三重积分的几何应用及物理应用。

教学难点：1、利用极坐标计算二重积分；2、利用球坐标计算三重积分；3、物理应用中的引力问题。

§9. 1 二重积分的概念与性质一、二重积分的概念 1. 曲顶柱体的体积设有一立体, 它的底是xOy 面上的闭区域D , 它的侧面是以D 的边界曲线为准线而母线平行于z 轴的柱面, 它的顶是曲面z =f (x , y ), 这里f (x , y )≥0且在D 上连续. 这种立体叫做曲顶柱体. 现在我们来讨论如何计算曲顶柱体的体积.首先, 用一组曲线网把D 分成n 个小区域：∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n .分别以这些小闭区域的边界曲线为准线, 作母线平行于z 轴的柱面, 这些柱面把原来的曲顶柱体分为n 个细曲顶柱体. 在每个∆σ i 中任取一点(ξ i , η i ), 以f (ξ i , η i )为高而底为∆σ i 的平顶柱体的体积为： f (ξ i , η i ) ∆σi (i =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ , n ). 这个平顶柱体体积之和：i i i ni f V σηξ∆≈=∑),(1.可以认为是整个曲顶柱体体积的近似值. 为求得曲顶柱体体积的精确值, 将分割加密, 只需取极限, 即 i i i ni f V σηξλ∆==→∑),(lim 10.其中λ是个小区域的直径中的最大值. 2. 平面薄片的质量.设有一平面薄片占有xOy 面上的闭区域D , 它在点(x , y )处的面密度为ρ(x , y ), 这里ρ(x , y )>0且在D 上连续. 现在要计算该薄片的质量M . 用一组曲线网把D 分成n 个小区域 ∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n . 把各小块的质量近似地看作均匀薄片的质量: ρ(ξ i , η i )∆σ i . 各小块质量的和作为平面薄片的质量的近似值: i i i ni M σηξρ∆≈=∑),(1.将分割加细, 取极限, 得到平面薄片的质量i i i n i M σηξρλ∆==→∑),(lim 10.其中λ是个小区域的直径中的最大值.定义设f (x , y )是有界闭区域D 上的有界函数. 将闭区域D 任意分成n 个小闭区域∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n .其中∆σ i 表示第i 个小区域, 也表示它的面积. 在每个∆σ i 上任取一点(ξ i , ηi ), 作和i i i ni f σηξ∆=∑),(1.如果当各小闭区域的直径中的最大值λ趋于零时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f (x , y )在闭区域D 上的二重积分, 记作σd y x f D⎰⎰),(, 即i i i ni Df d y x f σηξσλ∆==→∑⎰⎰),(lim),(10.f (x , y )被积函数, f (x , y )d σ被积表达式, d σ面积元素, x , y 积分变量, D 积分区域, 积分和.直角坐标系中的面积元素:如果在直角坐标系中用平行于坐标轴的直线网来划分D , 那么除了包含边界点的一些小闭区域外, 其余的小闭区域都是矩形闭区域. 设矩形闭区域∆σi 的边长为∆x i 和∆y i , 则∆σi =∆x i ∆y i , 因此在直角坐标系中, 有时也把面积元素d σ 记作dxdy , 而把二重积分记作dxdyy x f D⎰⎰),(其中dxdy 叫做直角坐标系中的面积元素.二重积分的存在性: 当f (x , y )在闭区域D 上连续时, 积分和的极限是存在的, 也就是说函数f (x , y )在D 上的二重积分必定存在. 我们总假定函数f (x , y )在闭区域D 上连续, 所以f (x , y )在D 上的二重积分都是存在的.二重积分的几何意义: 如果f (x , y )≥0, 被积函数f (x , y )可解释为曲顶柱体的在点(x , y )处的竖坐标, 所以二重积分的几何意义就是柱体的体积. 如果f (x , y )是负的, 柱体就在xOy 面的下方, 二重积分的绝对值仍等于柱体的体积, 但二重积分的值是负的.二. 二重积分的性质性质1 设c 1、c 2为常数, 则σσσd y x g c d y x f c d y x g c y x f c DDD⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=+),(),()],(),([2121.性质2如果闭区域D 被有限条曲线分为有限个部分闭区域, 则在D 上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和. 例如D 分为两个闭区域D 1与D 2, 则σσσd y x f d y x f d y x f D D D⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=21),(),(),(.性质3σσσ==⋅⎰⎰⎰⎰DDd d 1(σ为D 的面积).性质4 如果在D 上, f (x , y )≤g (x , y ), 则有不等式σσd y x g d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤),(),(.特殊地σσd y x f d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤|),(||),(|.性质5 设M 、m 分别是f (x , y )在闭区域D 上的最大值和最小值, σ为D 的面积, 则有σσσM d y x f m D≤≤⎰⎰),(.性质6(二重积分的中值定理) 设函数f (x , y )在闭区域D 上连续, σ 为D 的面积, 则在D 上至少存在一点(ξ, η)使得σηξσ),(),(f d y x f D=⎰⎰.§9. 2 二重积分的计算法一、利用直角坐标计算二重积分 X --型区域:D : ϕ1(x )≤y ≤ϕ2(x ), a ≤x ≤b . Y --型区域:D : ψ1(x )≤y ≤ψ2(x ), c ≤y ≤d . 混合型区域:设f (x , y )≥0, D ={(x , y )| ϕ1(x )≤y ≤ϕ2(x ), a ≤x ≤b }.此时二重积分σd y x f D⎰⎰),(在几何上表示以曲面z =f (x , y )为顶, 以区域D 为底的曲顶柱体的体积.对于x 0∈[a , b ], 曲顶柱体在x =x 0的截面面积为以区间[ϕ1(x 0), ϕ2(x 0)]为底、以曲线z =f (x 0, y )为曲边的曲边梯形, 所以这截面的面积为⎰=)()(000201),()(x x dy y x f x A ϕϕ.根据平行截面面积为已知的立体体积的方法, 得曲顶柱体体积为⎰=b adx x A V )(dx dy y x f bax x ⎰⎰=]),([)()(21ϕϕ.即 V =dx dy y x f d y x f bax x D⎰⎰⎰⎰=]),([),()()(21ϕϕσ.可记为⎰⎰⎰⎰=bax x Ddy y x f dx d y x f )()(21),(),(ϕϕσ.类似地, 如果区域D 为Y --型区域:D : ψ1(x )≤y ≤ψ2(x ), c ≤y ≤d ,则有⎰⎰⎰⎰=dcy y Ddx y x f dy d y x f )()(21),(),(ψψσ.例1. 计算σd xy D⎰⎰, 其中D 是由直线y =1、x =2及y =x 所围成的闭区域.解: 画出区域D .解法1. 可把D 看成是X --型区域: 1≤x ≤2, 1≤y ≤x . 于是⎰⎰⎰=211][x Ddx xydy d xy σ⎰⎰-=⋅=2132112)(21]2[dx x x dx y x x 89]24[212124=-=x x .注: 积分还可以写成⎰⎰⎰⎰⎰⎰==211211xxDydy xdx xydy dx d xy σ.解法2. 也可把D 看成是Y --型区域: 1≤y ≤2, y ≤x ≤2 . 于是⎰⎰⎰=212][yDdy xydx d xy σ⎰⎰-=⋅=2132122)22(]2[dy y y dy x y y 89]8[2142=-=y y .例2. 计算σd y x y D⎰⎰-+221, 其中D 是由直线y =1、x =-1及y =x 所围成的闭区域.解画出区域D , 可把D 看成是X --型区域: -1≤x ≤1, x ≤y ≤1. 于是⎰⎰⎰⎰-+=-+-122112211x Ddy y x y dx d y x y σ⎰⎰----=-+-=1131112322)1|(|31])1[(31dx x dx y x x 21)1(3213=--=⎰dx x .也可D 看成是Y --型区域：-1≤y ≤1, -1≤x <y . 于是⎰⎰⎰⎰---+=-+111222211yDdx y x ydyd y x yσ.例3 计算σd xy D⎰⎰, 其中D 是由直线y =x -2及抛物线y 2=x 所围成的闭区域.解积分区域可以表示为D =D 1+D 2,其中x y x x D ≤≤-≤≤ ,10 :1; x y x D ≤≤≤≤2 ,41 :2. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰--+=41210xx x xDxydydx xydy dx d xy σ.积分区域也可以表示为D : -1≤y ≤2, y 2≤x ≤y +2. 于是⎰⎰⎰⎰-+=2122y yDxydx dy d xy σ⎰-+=21222]2[dy y x y y ⎰--+=2152])2([21dy y y y855]62344[21216234=-++=-y y y y .讨论积分次序的选择.例4 求两个底圆半径都等于ρ的直交圆柱面所围成的立体的体积. 解设这两个圆柱面的方程分别为x 2+y 2=ρ 2及x 2+z 2=ρ 2.利用立体关于坐标平面的对称性, 只要算出它在第一卦限部分的体积V 1, 然后再乘以8就行了.第一卦限部分是以D ={(x , y )| 0≤y ≤22x R -, 0≤x ≤ρ}为底, 以22x R z -=顶的曲顶柱体. 于是σd x R V D⎰⎰-=228⎰⎰--=Rx R dy x R dx 0022228⎰--=Rx Rdx y x R 002222][83022316)(8R dx x R R=-=⎰.二. 利用极坐标计算二重积分有些二重积分, 积分区域D 的边界曲线用极坐标方程来表示比较方便, 且被积函数用极坐标变量ρ 、θ 表达比较简单. 这时我们就可以考虑利用极坐标来计算二重积分σd y x f D⎰⎰),(.按二重积分的定义i ni i i Df d y x f σηξσλ∆=∑⎰⎰=→1),(lim),(.下面我们来研究这个和的极限在极坐标系中的形式.以从极点O 出发的一族射线及以极点为中心的一族同心圆构成的网将区域D 分为n 个小闭区域, 小闭区域的面积为:i i i i i i θρθρρσ∆⋅⋅-∆⋅∆+=∆2221)(21i i i i θρρρ∆⋅∆∆+=)2(21i i i i i θρρρρ∆⋅∆⋅∆++=2)(i i i θρρ∆∆=,其中i ρ表示相邻两圆弧的半径的平均值.在∆σi 内取点) , (i i θρ, 设其直角坐标为(ξ i , η i ), 则有 i i i ρξcos =, i i i ρηsin =.于是 ii ni i i i i i i ni i i f f θρρθρθρσηξλλ∆∆=∆∑∑=→=→11)sin ,cos (lim),(lim ,即θρρθρθρσd d f d y x f DD)s i n ,c o s (),(⎰⎰⎰⎰=. 若积分区域D 可表示为ϕ 1(θ)≤ρ≤ϕ 2(θ), α≤θ≤β, 则ρρθρθρθθρρθρθρθϕθϕβαd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)()(21)sin ,cos ()sin ,cos (.讨论:如何确定积分限?ρρθρθρθθρρθρθρθϕβαd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)(0)sin ,cos ()sin ,cos (.ρρθρθρθθρρθρθρθϕπd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)(020)sin ,cos ()sin ,cos (.例5. 计算⎰⎰--Dy xdxdye 22, 其中D 是由中心在原点、半径为a 的圆周所围成的闭区域.解在极坐标系中, 闭区域D 可表示为 0≤ρ≤a , 0≤θ ≤2π .于是⎰⎰⎰⎰---=DDy x d d e dxdy e θρρρ222θθρρπρπρd e d d e a a02020]21[ ][22⎰⎰⎰---== )1()1(212220a a e d e ---=-=⎰πθπ.注: 此处积分⎰⎰--Dy xdxdye 22也常写成⎰⎰≤+--22222a y x y xdxdy e.利用)1(222222a a y x y x edxdy e-≤+---=⎰⎰π计算广义积分dx e x 2-+∞⎰:设D 1={(x , y )|x 2+y 2≤R 2, x ≥0, y ≥0}, D 2={(x , y )|x 2+y 2≤2R 2, x ≥0, y ≥0}, S ={(x , y )|0≤x ≤R , 0≤y ≤R }. 显然D 1⊂S ⊂D 2. 由于022>--y x e , 从则在这些闭区域上的二重积分之间有不等式⎰⎰⎰⎰⎰⎰------<<22222122D y xSy xD y x dxdy e dxdy e dxdy e .因为20)(22222⎰⎰⎰⎰⎰-----=⋅=Rx Ry Rx Sy x dx e dy e dx e dxdy e ,又应用上面已得的结果有)1(42122R D y x e d x d y e ----=⎰⎰π,)1(422222R D y xe dxdy e ----=⎰⎰π,于是上面的不等式可写成)1(4)()1(4222220R Rx R e dx e e ----<<-⎰ππ.令R →+∞, 上式两端趋于同一极限4π, 从而22π=-∞+⎰dx e x .例6 求球体x 2+y 2+z 2≤4a 2被圆柱面x 2+y 2=2ax 所截得的（含在圆柱面内的部分）立体的体积.解由对称性, 立体体积为第一卦限部分的四倍.⎰⎰--=Ddxdy y x a V 22244,其中D 为半圆周22x ax y -=及x 轴所围成的闭区域. 在极坐标系中D 可表示为 0≤ρ≤2a cos θ , 20πθ≤≤.于是 ⎰⎰⎰⎰-=-=20cos 2022224444πθρρρθθρρρa Dd a d d d a V)322(332)sin 1(33222032-=-=⎰πθθπa d a .§9.3 三重积分一、三重积分的概念定义设f (x , y , z )是空间有界闭区域Ω上的有界函数. 将Ω任意分成n 个小闭区域∆v 1, ∆v 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆v n其中∆v i 表示第i 个小闭区域, 也表示它的体积. 在每个∆v i 上任取一点(ξi , ηi , ζi ), 作乘积f (ξ i , η i , ζ i )∆v i (i =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n )并作和i i i i ni v f ∆=∑),,(1ζηξ. 如果当各小闭区域的直径中的最大值λ趋于零时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f (x , y , z )在闭区域Ω上的三重积分, 记作dv z y x f ⎰⎰⎰Ω),,(. 即i i i i ni v f dv z y x f ∆==→Ω∑⎰⎰⎰),,(lim),,(10ζηξλ.三重积分中的有关术语:⎰⎰⎰Ω——积分号, f (x , y , z )——被积函数, f (x , y , z )dv——被积表达式, dv 体积元素, x , y , z ——积分变量, Ω——积分区域. 在直角坐标系中, 如果用平行于坐标面的平面来划分Ω, 则∆v i =∆x i ∆y i ∆z i , 因此也把体积元素记为dv =dxdydz , 三重积分记作⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=d x d y d zz y x f dv z y x f ),,(),,(. 当函数f (x , y , z )在闭区域Ω上连续时, 极限i i i i ni v f ∆=→∑),,(lim 10ζηξλ是存在的,因此f (x , y , z )在Ω上的三重积分是存在的, 以后也总假定f (x , y , z )在闭区域Ω上是连续的.三重积分的性质: 与二重积分类似. 比如dvz y x g c dv z y x f c dv z y x g c z y x f c ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ±=±),,(),,()],,(),,([2121;dv z y x f dv z y x f dv z y x f ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ+Ω+=2121),,(),,(),,(;Vdv =⎰⎰⎰Ω, 其中V 为区域Ω的体积.二、三重积分的计算1. 利用直角坐标计算三重积分三重积分的计算: 三重积分也可化为三次积分来计算. 设空间闭区域Ω可表为 z 1(x , y )≤z ≤z 2(x , y ), y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b , 则σd dz z y x f dv z y x f Dy x z y x z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ω]),,([),,(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([ ⎰⎰⎰=bay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx ),(),()()(2121),,(, 即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωba y x z y x z x y x y dz z y x f dy dx dv z y x f ),(),()()(2121),,(),,(.其中D : y 1(x )≤ y ≤ y 2(x ), a ≤x ≤b . 它是闭区域Ω在xOy 面上的投影区域. 提示:设空间闭区域Ω可表为z 1(x , y )≤z ≤z 2(x , y ), y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b , 计算⎰⎰⎰Ωdvz y x f ),,(.基本思想:对于平面区域D : y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b 内任意一点(x , y ), 将f (x , y , z )只看作z 的函数, 在区间[z 1(x , y ), z 2(x , y )]上对z 积分, 得到一个二元函数F (x , y ), ⎰=),(),(21),,(),(y x z y x z dz z y x f y x F ,然后计算F (x , y )在闭区域D 上的二重积分, 这就完成了f (x , y , z )在空间闭区域Ω上的三重积分.⎰⎰⎰⎰⎰=Dy x z y x z Dd dz z y x f d y x F σσ]),,([),(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([,则σd dz z y x f dv z y x f Dy x z y x z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ω]),,([),,(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([ ⎰⎰⎰=bay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx ),(),()()(2121),,(.即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωbay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx dv z y x f ),(),()()(2121),,(),,(.其中D : y 1(x )≤ y ≤ y 2(x ), a ≤x ≤b . 它是闭区域Ω在xOy 面上的投影区域.例1 计算三重积分dxdydz x ⎰⎰⎰Ω, 其中Ω为三个坐标面及平面x +2y +z =1所围成的闭区域.解作图, 区域Ω可表示为:0≤z ≤1-x -2y , )1(210x y -≤≤, 0≤x ≤1.于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰---Ω=10210210x yx x d z dy dx dxdydzx⎰⎰---=1210)21(x dyy x xdx⎰=+-=1032481)2(41dx x xx . 讨论: 其它类型区域呢?有时, 我们计算一个三重积分也可以化为先计算一个二重积分、再计算一个定积分. 设空间闭区域Ω={(x , y , z )|(x , y )∈D z , c 1≤ z ≤c 2}, 其中D z 是竖坐标为z 的平面截空间闭区域Ω所得到的一个平面闭区域, 则有⎰⎰⎰⎰⎰⎰=ΩzD c c dxdy z y x f dz dv z y x f ),,(),,(21.例2 计算三重积分dxdydz z ⎰⎰⎰Ω2,其中Ω是由椭球面1222222=++cz b ya x 所围成的空间闭区域.解空间区域Ω可表为:2222221cz b y a x -≤+, -c ≤ z ≤c .于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰-Ω=c cD zdxdy dz z dxdydz z 22 3222154)1(abc dz z c z ab ccππ=-=⎰-. 练习1. 将三重积分dxdydz z y x f I ⎰⎰⎰Ω=),,(化为三次积分, 其中(1)Ω是由曲面z =1-x 2-y 2, z =0所围成的闭区域.(2)Ω是双曲抛物面xy =z 及平面x +y -1=0, z =0所围成的闭区域. (3)其中Ω是由曲面z =x 2+2y 2及z =2-x 2所围成的闭区域.2. 将三重积分dxdydz z y x f I ⎰⎰⎰Ω=),,(化为先进行二重积分再进行定积分的形式,其中Ω由曲面z =1-x 2-y 2, z =0所围成的闭区域. 2. 利用柱面坐标计算三重积分设M (x , y , z )为空间内一点, 并设点M 在xOy 面上的投影P 的极坐标为P (ρ, θ ), 则这样的三个数ρ、θ 、z 就叫做点M 的柱面坐标, 这里规定ρ、θ 、z 的变化范围为:0≤ρ<+∞, 0≤θ ≤2π , -∞<z <+∞. 坐标面ρ=ρ0, θ =θ 0, z =z 0的意义: 点M 的直角坐标与柱面坐标的关系: x =ρcos θ, y =ρsin θ, z =z .⎪⎩⎪⎨⎧===zz y x θρθρsin cos柱面坐标系中的体积元素: dv =ρd ρd θdz . 简单来说, dxdy =ρd ρd θ , dxdydz =dxdy ⋅dz =ρd ρd θ dz . 柱面坐标系中的三重积分:⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dz d d z f dxdydzz y x f θρρθρθρ),sin ,cos (),,(.例3 利用柱面坐标计算三重积分⎰⎰⎰Ωzdxdydz , 其中Ω是由曲面z =x 2+y 2与平面z =4所围成的闭区域. 解闭区域Ω可表示为: ρ2≤z ≤4, 0≤ρ≤2, 0≤θ≤2π. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dzd d z zdxdydz θρρ⎰⎰⎰=πρρρθ20242z d z d d ⎰⎰-=πρρρθ2024)16(21d dπρρπ364]618[2212062=-⋅=. 3. 利用球面坐标计算三重积分设M (x , y , z )为空间内一点, 则点M 也可用这样三个有次序的数r 、ϕ、θ 来确定, 其中r 为原点O 与点M 间的距离, ϕ为→OM 与z 轴正向所夹的角, θ为从正z 轴来看自x 轴按逆时针方向转到有向线段→OP 的角, 这里P 为点M 在xOy 面上的投影, 这样的三个数r 、ϕ 、θ 叫做点M 的球面坐标, 这里r 、ϕ、θ 的变化范围为 0≤r <+∞, 0≤ϕ<π, 0≤θ ≤2π. 坐标面r =r 0, ϕ=ϕ0, θ=θ0的意义: 点M 的直角坐标与球面坐标的关系: x =r sin ϕcos θ, y =r sin ϕsin θ, z =r cos ϕ .⎪⎩⎪⎨⎧===ϕθϕθϕcos sin sin cos sin r z r y r x球面坐标系中的体积元素: dv =r 2sin ϕdrd ϕd θ . 球面坐标系中的三重积分:θϕϕϕθϕθϕd d r d r r r r f dv z y x f sin )cos ,sin sin ,cos sin (),,(2⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=.例4 求半径为a 的球面与半顶角α为的内接锥面所围成的立体的体积. 解该立体所占区域Ω可表示为:0≤r ≤2a cos ϕ, 0≤ϕ≤α, 0≤θ≤2π. 于是所求立体的体积为⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ==θϕϕd d r d r d x d y d z V s i n 2⎰⎰⎰=παϕϕϕθ200c o s202s i n a dr r d d⎰⎰=αϕϕϕπ0c o s202s i n 2a dr r d⎰=αϕϕϕπ033s i n c o s 316d a )c o s 1(3443a a -=π.提示: 球面的方程为x 2+y 2+(z -a )2=a 2, 即x 2+y 2+z 2=2az . 在球面坐标下此球面的方程为r 2=2ar cos ϕ, 即r =2a cos ϕ.§9. 4 重积分的应用元素法的推广:有许多求总量的问题可以用定积分的元素法来处理. 这种元素法也可推广到二重积分的应用中. 如果所要计算的某个量U 对于闭区域D 具有可加性(就是说, 当闭区域D 分成许多小闭区域时, 所求量U 相应地分成许多部分量, 且U 等于部分量之和), 并且在闭区域D 内任取一个直径很小的闭区域d σ时, 相应的部分量可近似地表示为f (x , y )d σ 的形式, 其中(x , y )在d σ内, 则称f (x , y )d σ 为所求量U 的元素, 记为dU , 以它为被积表达式, 在闭区域D 上积分: ⎰⎰=Dd y x f U σ),(,这就是所求量的积分表达式. 一、曲面的面积设曲面S 由方程 z =f (x , y )给出, D 为曲面S 在xOy 面上的投影区域, 函数f (x , y )在D 上具有连续偏导数f x (x , y )和f y (x , y ). 现求曲面的面积A .在区域D 内任取一点P (x , y ), 并在区域D 内取一包含点P (x , y )的小闭区域d σ, 其面积也记为d σ. 在曲面S 上点M (x , y , f (x , y ))处做曲面S 的切平面T , 再做以小区域d σ的边界曲线为准线、母线平行于z 轴的柱面. 将含于柱面内的小块切平面的面积作为含于柱面内的小块曲面面积的近似值, 记为dA . 又设切平面T 的法向量与z 轴所成的角为γ , 则σγσd y x f y x f d dA y x ),(),(1cos 22++==, 这就是曲面S 的面积元素. 于是曲面S 的面积为σd y x f y x f A y x D),(),(122++=⎰⎰,或 d x d y yz x z A D22)()(1∂∂+∂∂+=⎰⎰.设dA 为曲面S 上点M 处的面积元素, dA 在xOy 面上的投影为小闭区域d σ, M 在xOy 面上的投影为点P (x , y ), 因为曲面上点M 处的法向量为n =(-f x , -f y , 1), 所以σσd y x f y x f d dA y x ),(),(1||22++==n . 提示: dA 与xOy 面的夹角为(n ,^ k ), dA cos(n ,^ k )=d σ, n ⋅k =|n |cos(n ,^ k )=1, cos(n ,^ k )=|n |-1.讨论: 若曲面方程为x =g (y , z )或y =h (z , x ), 则曲面的面积如何求？ d y d zzxy x A yzD ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(1,或 d z d x xy zy A zxD ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(1.其中D yz 是曲面在yOz 面上的投影区域, D zx 是曲面在zOx 面上的投影区域. 例1 求半径为R 的球的表面积.解上半球面方程为222y x R z --=, x 2+y 2≤R 2.因为z 对x 和对y 的偏导数在D : x 2+y 2≤R 2上无界, 所以上半球面面积不能直接求出. 因此先求在区域D 1: x 2+y 2≤a 2 (a <R )上的部分球面面积, 然后取极限.d x d y yx R R a y x 222222--⎰⎰≤+⎰⎰-=πθ2022arR r d r d R)(222a R R R --=π.于是上半球面面积为2222)(2lim R a R R R Ra ππ=--→.整个球面面积为 A =2A 1=4πR 2. 提示: 222yx R x xz ---=∂∂, 222yx R y yz ---=∂∂, 22222)()(1yx R R yz xz --=∂∂+∂∂+.解球面的面积A 为上半球面面积的两倍. 上半球面的方程为222y x R z --=, 而222yx R x xz ---=∂∂, 222yx R y yz ---=∂∂,所以 22)()(12222yz x z A R y x ∂∂+∂∂+=⎰⎰≤+d x d y y x R RR y x 2222222--=⎰⎰≤+⎰⎰-=πρρρθ20222RR d d R20224 4R R R R πρπ=--=.例2设有一颗地球同步轨道通讯卫星, 距地面的高度为h =36000km , 运行的角速度与地球自转的角速度相同. 试计算该通讯卫星的覆盖面积与地球表面积的比值(地球半径R =6400km).解取地心为坐标原点, 地心到通讯卫星中心的连线为z 轴, 建立坐标系. 通讯卫星覆盖的曲面∑是上半球面被半顶角为α的圆锥面所截得的部分. ∑的方程为222y x R z --=, x 2+y 2≤R 2sin 2α. 于是通讯卫星的覆盖面积为 ⎰⎰⎰⎰--=∂∂+∂∂+=xyxyD D dxdyyx R R dxdy yz x z A 22222)()(1.其中D xy ={(x , y )| x 2+y 2≤R 2sin 2α}是曲面∑在xOy 面上的投影区域. 利用极坐标, 得 )c o s 1(222s i n22s i n2220απρρρπρρρθααπ-=-=-=⎰⎰⎰R d R R d R R d A R R .由于hR R +=αcos , 代入上式得hR hR hR R R A +=+-=222)1(2ππ.由此得这颗通讯卫星的覆盖面积与地球表面积之比为%5.4210)4.636(21036)(24662≈⋅+⋅=+=h R h R A π.由以上结果可知, 卫星覆盖了全球三分之一以上的面积, 故使用三颗相隔π32角度的通讯卫星就可以覆盖几乎地球全部表面. 二、质心设有一平面薄片, 占有xOy 面上的闭区域D , 在点P (x , y )处的面密度为ρ(x , y ), 假定μ(x , y )在D 上连续. 现在要求该薄片的质心坐标.在闭区域D 上任取一点P (x , y ), 及包含点P (x , y )的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩(仅考虑大小)元素分别为 dM x =y μ(x , y )d σ, dM y =x μ(x , y )d σ. 平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩分别为 ⎰⎰=Dx d y x y M σμ),(, ⎰⎰=Dy d y x x M σμ),(.设平面薄片的质心坐标为) ,(y x , 平面薄片的质量为M , 则有 y M M x =⋅, x M M y =⋅ . 于是 ⎰⎰⎰⎰==DDyd y x d y x x MM x σμσμ),(),(, ⎰⎰⎰⎰==DDx d y x d y x y MM y σμσμ),(),(.在闭区域D 上任取包含点P (x , y )小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩元素分别为 dM x =y μ(x , y )d σ, dM y =x μ(x , y )d σ. 平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩分别为 ⎰⎰=Dx d y x y M σμ),(, ⎰⎰=Dy d y x x M σμ),(.设平面薄片的质心坐标为) ,(y x , 平面薄片的质量为M , 则有y M M x =⋅, x M M y =⋅ . 于是 ⎰⎰⎰⎰==DDyd y x d y x x MM x σμσμ),(),(, ⎰⎰⎰⎰==DDx d y x d y x y MM y σμσμ),(),(.提示: 将P (x , y )点处的面积元素d σ看成是包含点P 的直径得小的闭区域. D 上任取一点P (x , y ), 及包含的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩(仅考虑大小)元素分别为讨论: 如果平面薄片是均匀的, 即面密度是常数, 则平面薄片的质心(称为形心)如何求？求平面图形的形心公式为⎰⎰⎰⎰=DDd xd x σσ, ⎰⎰⎰⎰=DDd yd y σσ.例3 求位于两圆ρ=2sin θ 和ρ=4sin θ 之间的均匀薄片的质心.解因为闭区域D 对称于y 轴, 所以质心) ,(y x C 必位于y 轴上, 于是0=x . 因为 ⎰⎰⎰⎰=DDd d yd θρθρσsin 2πρρθθθθπ7sin sin 4sin 220==⎰⎰d d ,πππσ31222=⋅-⋅=⎰⎰d D,所以3737===⎰⎰⎰⎰ππσσDDd yd y . 所求形心是)37,0(C . 类似地, 占有空间闭区域Ω、在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )(假宽ρ(x , y , z )在Ω上连续)的物体的质心坐标是⎰⎰⎰Ω=dvz y x x Mx ),,(1ρ, ⎰⎰⎰Ω=dvz y x y My ),,(1ρ, ⎰⎰⎰Ω=dv z y x z Mz ),,(1ρ,其中⎰⎰⎰Ω=dv z y x M ),,(ρ.例4 求均匀半球体的质心.解取半球体的对称轴为z 轴, 原点取在球心上, 又设球半径为a , 则半球体所占空间闭区可表示为Ω={(x , y , z )| x 2+y 2+z 2≤a 2, z ≥0} 显然, 质心在z 轴上, 故0==y x .⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩΩ==dvzdvdvdv z z ρρ83a =.故质心为)83 ,0 ,0(a .提示: Ω: 0≤r ≤a , 20πϕ≤≤, 0≤θ≤2π.⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωadr r d d dv 022020sin ϕθϕππ⎰⎰⎰=adr r d d 022020sin ππθϕϕ323a π=,⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=Ωadr r r d d dv z 022020sin cos ϕϕθϕππ⎰⎰⎰=a dr r d d 0320202sin 21ππθϕϕ42214a ⋅⋅=π.三、转动惯量设有一平面薄片, 占有xOy 面上的闭区域D , 在点P (x , y )处的面密度为μ(x , y ), 假定ρ(x , y )在D 上连续. 现在要求该薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量. 在闭区域D 上任取一点P (x , y ), 及包含点P (x , y )的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量的元素分别为 dI x =y 2μ(x , y )d σ , dI y =x 2μ(x , y )d σ .整片平面薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量分别为 σμd y x y I Dx ),(2⎰⎰=, σμd y x x I Dy ),(2⎰⎰=.例5 求半径为a 的均匀半圆薄片(面密度为常量μ)对于其直径边的转动惯量. 解取坐标系如图, 则薄片所占闭区域D 可表示为 D ={(x , y )| x 2+y 2≤a 2, y ≥0}而所求转动惯量即半圆薄片对于x 轴的转动惯量I x , ⎰⎰⎰⎰⋅==DDx d d d y I θρρθρμσμ222sin⎰⎰⎰⋅==ππθθμρρθθμ02432s i n 4s i n d a d d a2441241Ma a =⋅=πμ,其中μπ221a M =为半圆薄片的质量.类似地, 占有空间有界闭区域Ω、在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )的物体对于x 、y 、z 轴的转动惯量为⎰⎰⎰Ω+=d v z y x z y I x ),,()(22ρ,⎰⎰⎰Ω+=d v z y x x z I y ),,()(22ρ,⎰⎰⎰Ω+=d v z y x y x I z ),,()(22ρ.例6 求密度为ρ的均匀球体对于过球心的一条轴l 的转动惯量.解取球心为坐标原点, z 轴与轴l 重合, 又设球的半径为a , 则球体所占空间闭区域Ω={(x , y , z )| x 2+y 2+z 2≤a 2}.所求转动惯量即球体对于z 轴的转动惯量I z . ⎰⎰⎰Ω+=dv y x I z )(22ρθϕϕθϕθϕρd d r d r r r s i n )s i n s i n c o s s i n(2222222+=⎰⎰⎰Ωθϕϕρd d r d r 34s i n ⎰⎰⎰Ω=dr r d d a ⎰⎰⎰=ππϕϕθρ200043 sin ρπ5158a =M a 252=,其中ρπ334a M =为球体的质量.提示: x 2+y 2=r 2sin 2ϕcos 2θ+r 2sin 2ϕ sin 2θ=r 2sin 2ϕ.四、引力我们讨论空间一物体对于物体外一点P 0(x 0, y 0, z 0)处的单位质量的质点的引力问题.设物体占有空间有界闭区域Ω, 它在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z ), 并假定ρ(x , y , z )在Ω上连续.在物体内任取一点(x , y , z )及包含该点的一直径很小的闭区域dv (其体积也记为dv ). 把这一小块物体的质量ρdv 近似地看作集中在点(x , y , z )处. 这一小块物体对位于P 0(x 0, y 0, z 0)处的单位质量的质点的引力近似地为 ),,(z y x dF dF dF d =F )))(,,(,))(,,(,))(,,((303030dv r z z z y x Gdv r y y z y x Gdv r x x z y x G---=ρρρ,其中dF x 、dF y 、dF z 为引力元素d F 在三个坐标轴上的分量,202020)()()(z z y y x x r -+-+-=, G 为引力常数. 将dF x 、dF y 、dF z 在Ω上分别积分, 即可得F x 、F y 、F z , 从而得F =(F x 、F y 、F z ).例7设半径为R 的匀质球占有空间闭区域Ω={(x , y , z )|x 2+y 2+z 2≤R 2). 求它对于位于点M 0(0, 0, a ) (a >R )处的单位质量的质点的引力.解设球的密度为ρ0, 由球体的对称性及质量分布的均匀性知F x =F y =0, 所求引力沿z 轴的分量为 dva z y x az G F z 2/32220])([-++-=⎰⎰⎰Ωρ⎰⎰⎰--≤+-++-=RRzR y x a z y x dxdydza z G 22222/32220])([)(ρ⎰⎰⎰---+-=2202/322200])([)(z R R Ra z d d dz a z G ρρρθρπ⎰-+----=RRdz aaz R za a z G )211)((2220ρπ]2)(12[2220⎰-+--+-=RRa az R d a z aR G ρπ)3222(2230a R R R G -+-=πρ2203134aM G a R G -=⋅⋅-=ρπ,其中0334ρπR M =为球的质量.上述结果表明: 匀质球对球外一质点的引力如同球的质量集中于球心时两质点间的引力.。

同济大学《高等数学》第六版：D9_9二元泰勒公式共18页

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13、遵守纪律的风气的培养，只有领导者本身在这方面以身作则才能收到成效。—— 马卡连柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅精神以及同全世界劳动者的团结一致，是取得最后胜利的保证。—— 列宁摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
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11、战争满足了，或曾经满足过人的好斗的本能，但它同时还满足了人对掠夺，破坏以及残酷的纪律和专制力的欲望。 ——查·埃利奥特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段。纪律是教育过程的结果，首先是学生集体表现在一切生活领域—— 生产、日常生活、学校、文化等领域中努力的结果。— —马卡连柯(名言网)

高等数学-第九章三重积分及应用

( R > 0 )的公共部分.
D 2z
z R
R
2
提示: 被积函数缺 x , y
D1z
o x
y
原式 =
R2 z2 dz
0
dxdy
D1z
R R
z2 dz
2
dxdy
D2z
0R2z2(2Rzz2)dzR R2z2(R2z2)dz
59 R5
480
3、柱坐标代换
14dz (x2y2)dxdy 21 D z
1 21 4dz0 2d02zr3dr21
4
1
Dz
oy x
小结：
重积分计算的基本方法 —— 累次积分法 1. 选择合适的坐标系
使积分域多为坐标面(线)围成; 被积函数用此坐标表示简洁或变量分离. 2. 选择易计算的积分序积分域分块要少, 累次积分易算为妙 . 3. 掌握确定积分限的方法
x2 y2
11
x2 y2
原式 dxdy z dz d x d y z d z
Dxy
0
1 x 2
0
2、截面法 (“先重后单” “先二后一”)
z { ( x ,y ,z ) |a z b ,( x ,y ) D z }b
f(x,y,z)dv
b
z a
adzD Zf(x,y,z)dxdy
x
适用范围：
Dz
y
积分区域介于两个平行于坐标面的平面之间;
在平行于坐标面的截面上二重积分易算典型题目：被积函数只为某一变量的函数;且截面面积易求
例(截面法): 计算积分 z2dxdydz, 其中是两个球
x2y2z2R2及 x2y2z22R z

高等数学电子教案word

高等数学电子教案word【篇一：同济第六版《高等数学》教案word版-第01章函数与极限】第一章函数与极限教学目的：1、理解函数的概念，掌握函数的表示方法，并会建立简单应用问题中的函数关系式。

2、了解函数的奇偶性、单调性、周期性和有界性。

3、理解复合函数及分段函数的概念，了解反函数及隐函数的概念。

4、掌握基本初等函数的性质及其图形。

5、理解极限的概念，理解函数左极限与右极限的概念，以及极限存在与左、右极限之间的关系。

6、掌握极限的性质及四则运算法则。

7、了解极限存在的两个准则，并会利用它们求极限，掌握利用两个重要极限求极限的方法。

8、理解无穷小、无穷大的概念，掌握无穷小的比较方法，会用等价无穷小求极限。

9、理解函数连续性的概念（含左连续与右连续），会判别函数间断点的类型。

10、了解连续函数的性质和初等函数的连续性，了解闭区间上连续函数的性质（有界性、最大值和最小值定理、介值定理），并会应用这些性质。

教学重点：1、复合函数及分段函数的概念；2、基本初等函数的性质及其图形；3、极限的概念极限的性质及四则运算法则；4、两个重要极限；5、无穷小及无穷小的比较；6、函数连续性及初等函数的连续性；7、区间上连续函数的性质。

教学难点：1、分段函数的建立与性质；2、左极限与右极限概念及应用；3、极限存在的两个准则的应用；4、间断点及其分类；5、闭区间上连续函数性质的应用。

1. 1 映射与函数一、集合1. 集合概念集合(简称集): 集合是指具有某种特定性质的事物的总体. 用a, b, c….等表示.元素: 组成集合的事物称为集合的元素. a是集合m的元素表示为a m.集合的表示:列举法: 把集合的全体元素一一列举出来.例如a={a, b, c, d, e, f, g}.描述法: 若集合m是由元素具有某种性质p的元素x的全体所组成, 则m可表示为 a={a1, a2, ? ? ?, an},m={x | x具有性质p }.例如m={(x, y)| x, y为实数, x2+y2=1}.几个数集:n表示所有自然数构成的集合, 称为自然数集.n={0, 1, 2, ? ? ?, n, ? ? ?}. n+={1, 2, ? ? ?, n, ? ? ?}.r表示所有实数构成的集合, 称为实数集.z表示所有整数构成的集合, 称为整数集.z={? ? ?, -n, ? ? ?, -2, -1, 0, 1, 2, ? ? ?, n, ? ? ?}.q表示所有有理数构成的集合, 称为有理数集.p q={|p∈z,q∈n+且p与q互质} q子集: 若x∈a, 则必有x∈b, 则称a是b的子集, 记为a?b(读作a包含于b)或b?a .如果集合a与集合b互为子集, a?b且b?a, 则称集合a与集合b相等, 记作a=b.若a?b且a≠b, 则称a是b的真子集, 记作a?≠b . 例如, n?≠z?≠q?≠r.不含任何元素的集合称为空集, 记作?. 规定空集是任何集合的子集.2. 集合的运算设a、b是两个集合, 由所有属于a或者属于b的元素组成的集合称为a与b的并集(简称并), 记作a?b, 即a?b={x|x∈a或x∈b}.设a、b是两个集合, 由所有既属于a又属于b的元素组成的集合称为a与b的交集(简称交), 记作a?b, 即a?b={x|x∈a且x∈b}.设a、b是两个集合, 由所有属于a而不属于b的元素组成的集合称为a与b的差集(简称差), 记作a\b, 即a\b={x|x∈a且x?b}.如果我们研究某个问题限定在一个大的集合i中进行, 所研究的其他集合a都是i的子集. 此时, 我们称集合i为全集或基本集. 称i\a为a 的余集或补集, 记作ac.集合运算的法则:设a、b、c为任意三个集合, 则(1)交换律a?b=b?a, a?b=b?a;(2)结合律 (a?b)?c=a?(b?c), (a?b)?c=a?(b?c);(3)分配律 (a?b)?c=(a?c)?(b?c), (a?b)?c=(a?c)?(b?c);(4)对偶律 (a?b)c=ac ?bc, (a?b)c=ac ?bc.(a?b)c=ac ?bc的证明:x∈(a?b)c?x?a?b?x?a且x?b?x∈a c且x∈bc ?x∈ac ?bc, 所以(a?b)c=ac ?bc.直积(笛卡儿乘积):设a、b是任意两个集合, 在集合a中任意取一个元素x, 在集合b 中任意取一个元素y, 组成一个有序对(x, y), 把这样的有序对作为新元素, 它们全体组成的集合称为集合a与集合b的直积, 记为a?b, 即 a?b={(x, y)|x∈a且y∈b}.例如, r?r={(x, y)| x∈r且y∈r }即为xoy面上全体点的集合, r?r常记作r2.3. 区间和邻域有限区间:设ab, 称数集{x|axb}为开区间, 记为(a, b), 即(a, b)={x|axb}.类似地有[a, b] = {x | a ≤x≤b }称为闭区间,[a, b) = {x | a≤xb }、(a, b] = {x | ax≤b }称为半开区间.其中a和b称为区间(a, b)、[a, b]、[a, b)、(a, b]的端点, b-a称为区间的长度.无限区间:[a, +∞) = {x | a≤x }, (-∞, b] = {x | x b } , (-∞, +∞)={x | | x | +∞}.区间在数轴上的表示:邻域: 以点a为中心的任何开区间称为点a的邻域, 记作u(a).二、映射1. 映射的概念定义设x、y是两个非空集合, 如果存在一个法则f, 使得对x中每个元素x, 按法则f, 在y中有唯一确定的元素y与之对应, 则称f为从x 到y的映射, 记作f : x→y ,其中y称为元素x(在映射f下)的像, 并记作f(x), 即y=f(x),而元素x称为元素y(在映射f下)的一个原像; 集合x称为映射f的定义域, 记作d f, 即d f=x ;x中所有元素的像所组成的集合称为映射f的值域, 记为r f, 或f(x), 即r f=f(x)={f(x)|x∈x}.需要注意的问题:(1)构成一个映射必须具备以下三个要素: 集合x, 即定义域d f=x; 集合y, 即值域的范围: r f ?y; 对应法则f, 使对每个x∈x, 有唯一确定的y=f(x)与之对应.(2)对每个x∈x, 元素x的像y是唯一的; 而对每个y∈r f, 元素y的原像不一定是唯一的; 映射f的值域r f是y的一个子集, 即r f ?y, 不一定r f=y .例1设f : r→r, 对每个x∈r, f(x)=x2.显然, f是一个映射, f的定义域d f=r, 值域r f ={y|y≥0}, 它是r的一个真子集. 对于r f 中的元素y, 除y=0外, 它的原像不是唯一的. 如y=4的原像就有x=2和x=-2两个.例2设x={(x, y)|x2+y2=1}, y={(x, 0)||x|≤1}, f : x →y, 对每个(x, y)∈x, 有唯一确定的(x, 0)∈y与之对应.显然f是一个映射, f的定义域d f=x, 值域r f =y. 在几何上, 这个映射表示将平面上一个圆心在原点的单位圆周上的点投影到x轴的区间[-1, 1]上.(3) f :[-, ]→[-1, 1], 对每个x∈[-, ], f(x)=sin x . 2222f是一个映射, 定义域d f =[-, ], 值域r f =[-1, 1]. 22满射、单射和双射:设f是从集合x到集合y的映射, 若r f =y, 即y中任一元素y都是x 中某元素的像, 则称f为x到y上的映射或满射; 若对x中任意两个不同元素x 1≠x 2, 它们的像f(x 1)≠f(x 2), 则称f为x到y的单射; 若映射f既是单射, 又是满射, 则称f为一一映射(或双射).上述三例各是什么映射？2. 逆映射与复合映射设f是x到y的单射, 则由定义, 对每个y∈r f , 有唯一的x∈x, 适合f(x)=y, 于是, 我们可定义一个从r f 到x的新映射g, 即g : r f →x,对每个y∈r f , 规定g(y)=x, 这x满足f(x)=y. 这个映射g称为f的逆映射, 记作f -1, 其定义域df-1=r f , 值域rf-1=x .按上述定义, 只有单射才存在逆映射. 上述三例中哪个映射存在逆映射？设有两个映射g : x→y 1,f : y 2→z,其中y 1?y 2. 则由映射g和f可以定出一个从x到z的对应法则, 它将每个x∈x映射成f[g(x)]∈z . 显然, 这个对应法则确定了一个从x 到z的映射, 这个映射称为映射g和f构成的复合映射, 记作f o g, 即f o g: x →z,(f o g)(x)=f[g(x)], x∈x .应注意的问题:映射g和f构成复合映射的条件是: g的值域r g必须包含在f的定义域内, r g?d f . 否则, 不能构成复合映射. 由此可以知道, 映射g和f 的复合是有顺序的, f o g有意义并不表示g o f也有意义. 即使f o g 与g o f都有意义, 复映射f o g与g o f也未必相同.例4 设有映射g : r→[-1, 1], 对每个x∈r, g(x)=sin x,映射f : [-1, 1]→[0, 1], 对每个u∈[-1, 1], f(u)=-u2.则映射g和f构成复映射f o g: r→[0, 1], 对每个x∈r, 有(f g)(x)=f[g(x)]=f(sinx)=-sin2x=|cosx|.三、函数1. 函数概念定义设数集d?r, 则称映射f : d →r为定义在d上的函数, 通常简记为y=f(x), x∈d,其中x称为自变量, y称为因变量, d称为定义域, 记作d f, 即d f=d.应注意的问题:记号f和f(x)的含义是有区别的, 前者表示自变量x和因变量y之间的对应法则, 而后者表示与自变量x对应的函数值. 但为了叙述方便,习惯上常用记号“f(x), x∈d”或“y=f(x), x∈d”来表示定义在d上的函数, 这时应理解为由它所确定的函数f .函数符号: 函数y=f(x)中表示对应关系的记号f也可改用其它字母, 例如“f”, “?”等. 此时函数就记作y=? (x), y=f(x).函数的两要素:函数是从实数集到实数集的映射, 其值域总在r内, 因此构成函数的要素是定义域d f及对应法则f . 如果两个函数的定义域相同, 对应法则也相同, 那么这两个函数就是相同的, 否则就是不同的.函数的定义域:函数的定义域通常按以下两种情形来确定: 一种是对有实际背景的函数, 根据实际背景中变量的实际意义确定.求定义域举例:1 求函数y=-x2-4的定义域. x要使函数有意义, 必须x≠0, 且x2 - 4≥0.解不等式得| x |≥2.所以函数的定义域为d={x | | x |≥2}, 或d=(-∞, 2]?[2, +∞]).单值函数与多值函数:【篇二：同济第六版《高等数学》教案word版-第02章导数与微分】第二章导数与微分教学目的：1、理解导数和微分的概念与微分的关系和导数的几何意义，会求平面曲线的切线方程和法线方程，了解导数的物理意义，会用导数描述一些物理量，理解函数的可导性与连续性之间的的关系。

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（完整版）同济第六版《高等数学》教案WORD版-第02章导数与微分.docx高等数学教案第二章导数与微分第二章导数与微分教学目的：1、理解导数和微分的概念与微分的关系和导数的几何意义，会求平面曲线的切线方程和法线方程，了解导数的物理意义，会用导数描述一些物理量，理解函数的可导性与连续性之间的的关系。

2、熟练掌握导数的四则运算法则和复合函数的求导法则，熟练掌握基本初等函数的导数公式，了解微分的四则运算法则和一阶微分形式的不变性，会求函数的微分。

3、了解高阶导数的概念，会求某些简单函数的n 阶导数。

4、会求分段函数的导数。

5、会求隐函数和由参数方程确定的函数的一阶、二阶导数，会求反函数的导数。

教学重点：1、导数和微分的概念与微分的关系；2、导数的四则运算法则和复合函数的求导法则；3、基本初等函数的导数公式；4、高阶导数；6、隐函数和由参数方程确定的函数的导数。

教学难点：1、复合函数的求导法则；2、分段函数的导数；3、反函数的导数4、隐函数和由参数方程确定的导数。

§2. 1导数概念一、引例1．直线运动的速度设一质点在坐标轴上作非匀速运动时刻 t 质点的坐标为s s 是 t 的函数s f(t)求动点在时刻 t0的速度考虑比值s s0 f (t) f (t0)t t0t t0这个比值可认为是动点在时间间隔t t0内的平均速度如果时间间隔选较短这个比值在实践中也可用来说明动点在时刻t0的速度但这样做是不精确的更确地应当这样令 t t0 0 取比值 f (t)f (t0 )的极限如果这个极限存在设为 v 即t t0v lim f (t) f (t0)t t0t t0这时就把这个极限值v 称为动点在时刻t 0的速度2．切线问题设有曲线 C 及 C 上的一点 M 在点 M 外另取 C 上一点 N作割线MN 当点 N 沿曲线 C 趋于点 M 时如果割线ＭＮ绕点Ｍ旋转而趋于极限位置 MT直线ＭＴ就称为曲线Ｃ有点Ｍ处的切线设曲线 C 就是函数 y f(x)的图形现在要确定曲线在点M(x ,y )( y 0f(x )) 处的切线只要000定出切线的斜率就行了为此在点 M 外另取 C 上一点 N(x, y)于是割线 MN 的斜率为y y0 f ( x) f (x0)tanx0x x0x其中为割线 MN 的倾角当点 N 沿曲线 C 趋于点 M 时 x x0如果当x0 时上式的极限存在设为 k即k f (x)f (x0)limx x0x x0存在则此极限 k是割线斜率的极限也就是切线的斜率这里 k tan其中是切线 MT 的倾角于是通过点 M(x0, f(x0))且以 k为斜率的直线 MT 便是曲线 C 在点 M 处的切线二、导数的定义1函数在一点处的导数与导函数从上面所讨论的两个问题看出非匀速直线运动的速度和切线的斜率都归结为如下的极限lim f ( x) f ( x0)x x0x x0令 x x x0则 y f(x0x) f(x0)f( x) f(x0) x x0相当于 x0 于是lim f ( x) f (x0)x x0x x0成为lim y或 lim f (x0x) f (x0)x0x x0x定义设函数y f(x)在点仍在该邻域内)时相应地函数限存在则称函数 y f(x)在点x0的某个邻域内有定义当自变量 x 在 x0处取得增量x(点x0 x y 取得增量 y f( x0x) f(x0)如果 y 与 x 之比当 x0 时的极x0处可导并称这个极限为函数y f(x)在点 x0处的导数记为y |x x0即f ( x ) lim y lim f (x0x) f (x0)x x0xx 0也可记为 y |x x 0dy 或 df (x)x 0dx x x 0dx x函数 f(x)在点 x 处可导有时也说成 f(x) 在点 x具有导数或导数存在导数的定义式也可取不同的形式常见的有f (x 0 ) lim f (x 0 h) f ( x 0 )hh 0f ( x ) lim f (x) f (x 0)x x 0 x x 0在实际中需要讨论各种具有不同意义的变量的变化“快慢” 问题在数学上就是所谓函数的变化率问题导数概念就是函数变化率这一概念的精确描述如果极限 limf (x 0x) f (x 0) 不存在就说函数 y f(x)在点 x 0 处不可导x 0x如果不可导的原因是由于lim f (x 0x) f (x 0)x 0x 也往往说函数 y f(x) 在点 x 0 处的导数为无穷大如果函数 y f(x) 在开区间 I 内的每点处都可导就称函数 f(x)在开区间 I 内可导这时对于任一 x I都对应着 f( x)的一个确定的导数值这样就构成了一个新的函数这个函数叫做原来函数 y f(x)的导函数记作 yf ( x)dy 或 df (x)dx dx导函数的定义式y limf ( x x) f ( x)limf ( xh) f ( x)xx h 0hf (x )与 f (x)之间的关系函数 f(x)在点 x 0 处的导数 f(x)就是导函数 f (x)在点 x x 0 处的函数值即f ( x 0 ) f (x) x x 0导函数 f (x)简称导数而 f(x )是 f(x)在 x 处的导数或导数左右导数所列极限存在则定义f( x)在 x 0 的左导数 f ( x 0 ) f (x 0 h) f ( x 0 )limhh 0f( x)在 x 0 的右导数f (x 0 ) f (x 0 h) f (x 0 )lim hh 0如果极限 limf (x 0 h) f ( x 0) 存在则称此极限值为函数在h0 h如果极限 limf (x 0h) f ( x 0)存在则称此极限值为函数在hh导数与左右导数的关系f (x 0) Af (x 0) f (x 0 ) Af (x)在 x 0 处的值x 0 的左导数x 0 的右导数高等数学教案第二章导数与微分2．求导数举例例 1．求函数 f(x) C （C 为常数）的导数解 f ( x) lim f (xh) f ( x) lim CC 0 h 0h h 0h即 (C ) 0例 2 求 f (x)1x 的导数f (x h) f (x)1 1h 解f ( x) lim lim x h xlim h 0 h h 0hh 0 h(x h) x例 3 求 f (x) x 的导数解f (x)f ( x h) f (x)lim x h xlim hhh 0hlimh11x 2 xh 0h( x hx) h 0 x h例 2．求函数 f(x) x n (n 为正整数 )在 x a 处的导数解 f (a) lim f (x) f (a)lim x na n lim (x n 1ax n 2xax a x axa x a 把以上结果中的 a 换成 x 得 f (x)nx n 1 即 (x n )nx n 1lim11x 2h 0 (x h)xa n 1) na n 1(C) 0 (1 ) 1 ( x) 1(x )x x 22 x 更一般地有 (x )其中为常数例 3．求函数 f(x) sin x 的导数解 f (x)lim f ( x h) f ( x)lim sin( xh 0h h 01 hh lim2 cos(x2) sinhh2x 1h) sin xhlim cos(x h)sin h2 cos xh 02 h2即 (sin x) cos x用类似的方法可求得 (cos x ) sin x例 4．求函数 f(x) a x (a>0 a 1) 的导数解 f (x) limh) f (x) lim a x h a xh 0hh 0ha x lim a h1 令a h 1 t a x lim th 0 htlog a (1 t)a x 1 a x ln alog a e特别地有 (e x ) e x例 5．求函数 f(x) log a x (a>0 a 1) 的导数解 f ( x) limf (x h) f ( x) h 0h lim 1log a (xh ) h 0 hxlim log a ( x h) log a xh 0h1lim x log a (1 h )1lim log a (1 h )h xx hxx h 0x1log a e1x xln a解log a (x h) log a x 1log a (1 h ) f (x) lim hlimxh 0h0 h1lim log a (1 h ) h x 1log a e1x h 0 x xxlna即(log a x)1xln a1 特殊地x(log a x)1(ln x)1xln a x3．单侧导数极限 lim f (x h)f ( x)存在的充分必要条件是h 0hlim f ( x h) f (x)及 lim f (x h) f (x)h 0h h 0h 都存在且相等f( x)在 x 处的左导数 f ( x 0 ) lim f (x h) f (x)0 h 0 hf( x)在 x 0 处的右导数 f ( x 0 ) lim f (x h) f ( x)h 0h导数与左右导数的关系函数 f(x)在点 x 0 处可导的充分必要条件是左导数左导数f (x 0 ) 和右导数 f (x 0)都存在且相等如果函数 f(x)在开区间 (a, b)内可导且右导数 f (a) 和左导数 f (b)都存在就说 f(x) 有闭区间 [a, b]上可导例 6．求函数 f(x) x|在 x 0 处的导数(0) lim f (0 h)f (0) lim |h|1h 0hh 0 hf (0) lim f (0 h) f (0) lim |h|1h 0 h h 0 h因为 f (0) f (0) 所以函数 f(x) |x|在 x 0 处不可导四、导数的几何意义函数 y f(x)在点 x 0 处的导数 f (x 0)在几何上表示曲线y f(x) 在点 M( x 0, f(x 0 ))处的切线的斜率即f ( x 0) tan其中是切线的倾角如果 y f(x)在点 x 0 处的导数为无穷大这时曲线 y f(x) 的割线以垂直于 x 轴的直线 x x 0为极限位置即曲线 y f( x)在点 M (x 0, f( x 0))处具有垂直于x 轴的切线 x x 0由直线的点斜式方程可知曲线 y f(x)在点 M(x , y )处的切线方程为y y 0 f (x 0)(x x 0)过切点 M(x , y )且与切线垂直的直线叫做曲线y f(x)在点 M 处的法线如果f (x 0) 0法线的斜率为1 从而法线方程为f ( x 0)y y 01( x x 0 )f (x 0 )例 8 求等边双曲线 1 1y x 在点 (2 , 2) 处的切线的斜率并写出在该点处的切线方程和法线方程解y1所求切线及法线的斜率分别为x2k 1 ( 1 ) x 14k 21 1x 22k 14所求切线方程为 y 24( x 1 ) 即 4x y 42所求法线方程为 y 21(x 1) 即 2x 8y 15 04 2例 9 求曲线 y x x 的通过点 (0 4)的切线方程解设切点的横坐标为x 0则切线的斜率为31f ( x 0 ) (x 2 )3x 2x 03 x 02 x 2于是所求切线的方程可设为3y x 0 x2x 0(x x 0)根据题目要求点 (0 4)在切线上因此4 x 0 x 03x 0(0 x 0 )2解之得 x 0 4 于是所求切线的方程为3y 4 4 4 (x 4) 即 3x y 4 0四、函数的可导性与连续性的关系设函数 y f(x)在点 x 0 处可导即 limy (x 0 ) 存在则fxxlimy limy x lim y lim x f (x ) 0 0x 0x 0 x x 0 xx 0这就是说函数 y f(x)在点 x 0 处是连续的所以如果函数 y f(x)在点 x 处可导则函数在该点必连续另一方面一个函数在某点连续却不一定在该点处可导例 7．函数 f (x)3x 在区间 ( , )内连续但在点 x 0 处不可导这是因为函数在点x 0 处导数为无穷大f (0 h) f (0) 3 h 0limhlimhh 0h 0x§2 2 函数的求导法则一、函数的和、差、积、商的求导法则定理 1 如果函数 u u(x)及 vv( x)在点 x 具有导数那么它们的和、差、积、商(除分母为零的点外 )都在点 x 具有导数并且[u(x) v(x)] u (x) v (x)[u(x) v(x)] u (x)v(x) u(x)v (x) u(x) u ( x)v( x) u(x)v (x)v(x)v 2 (x)证明 (1) [ u( x) v(x)] lim [ u( xh) v( x h)] [u(x)v( x)]hhlimu(x h) u( x)v( x h) v(x)u (x) v (x)h 0h h法则 (1) 可简单地表示为(u v) u v(2) [ u(x) v( x)] limu( xh)v(x h) u(x)v(x)h 0hlim 1 [u(x h)v(xh) u(x)v( x h)u( x)v(x h) u(x)v(x)]h 0 hlim u(x h) u( x) v( x h) u(x) v( xh) v( x)h 0 h hlimu(xh) u(x) lim v(x h)u(x) limv(xh) v(x)hh h 0hhu (x)v(x) u(x)v ( x)其中 lim v(x h)v(x) 是由于 v (x)存在故 v( x)在点 x 连续h 0法则 (2) 可简单地表示为(uv) u v uvu(x h) u(x)(3) u( x)limv(xh) v(x) lim u(x h)v(x) u( x)v( x h) v(x) hh h 0 v( x h)v( x)hlim [u(x h)u(x)] v(x) u(x)[v(x h) v(x)] h 0v(x h)v(x)hu(x h) u(x) v(x) u( x)v( xh) v( x) lim hv( x h)v(x)hh 0u (x)v(x) u(x)v (x)v 2( x)法则 (3) 可简单地表示为( u) u v uvvv 2(u v) u v(uv) u v uv ( u)u v uvv v 2定理 1 中的法则 (1)、 (2)可推广到任意有限个可导函数的情形例如设 u u(x)、 v v(x)、ww(x)均可导则有(u v w) uv w(uvw) [( uv)w] (uv) w (uv) w(u v uv )w uvw u vw uv w uvw 即(uvw)u vw uv w uvw(Cu) Cu例 1． y 2x 3 5x 2 3x 7 求 y解 y (2x 3 5x 23x7) (2x 3) 5x 2) 3x)7) 2 (x 3) 5 x 2) 3 x)2 3x 2 5 2x3 6x 2 10x 3例 2 f (x) x 34cos x sin求 f (x)及 f ()22解32f ( x)(x ) (4 cos x) (sin 2)3x4sin xf () 3242 4例 3． y e x (sin x cos x) 求 y解 ye x ) (sin x cos x) e x (sin x cos x)e x (sin x cos x) e x (cos x sin x) 2e x cos x例 4． y tan x 求 y解 y(tan x)( sin x )cos xcos 2 x sin 2 xcos 2x(sin x) cos xsin x(cos x)cos 2 x1sec 2xcos 2x即(tan x) sec 2x例 5． y sec x 求 y 解y (secx) ( 1)(1) cos x 1 (cos x)cos xcos 2 x 即(sec x) sec x tan xsin x sec x tan xcos 2x用类似方法还可求得余切函数及余割函数的导数公式(cot x) csc 2x(csc x)csc x cot x二、反函数的求导法则定理 2 如果函数 xf(y)在某区间 I y 内单调、可导且 f (y) 0 那么它的反函数 y f 1( x)在对应区间 I x { x|x f(y) yI y } 内也可导并且[ f 1( x) ] f 1dy1 ( y)或 dxdxdy简要证明由于 x f(y)在 I y 内单调、可导 (从而连续 ) 所以 x f(y)的反函数 y f 1(x)存在且 f 1( x)在 I x 内也单调、连续任取 xI x 给 x 以增量x( x 0 xx I x ) 由 y f 1(x) 的单调性可知11于是y 1x xy因为 y f 1(x)连续故lim y0x 0从而[ f1(x)] lim y lim11x x f(y)x 0y0y上述结论可简单地说成反函数的导数等于直接函数导数的倒数例 6．设 x sin y y[2,]为直接函数则 y arcsin x 是它的反函数函数 x sin y 在开2区间 (,)内单调、可导且22(sin y)cos y0因此由反函数的求导法则在对应区间 I x ( 11)内有(arcsin x)1111cos y1sin 2 y 1 x2(sin y)类似地有(arccosx)11x2例 7．设 x tan y y(,) 为直接函数则 y arctan x 是它的反函数函数x tan y 在22区间 (,)内单调、可导且22(tan y) sec2 y0因此由反函数的求导法则在对应区间 I x () 内有(arctan x)1111 (tan y)sec2 y1tan2 y 1 x2类似地有(arccot x)11x2例 8 设 x a y(a 0a1)为直接函数) 内单调、可导且(a y) a y ln a0因此由反函数的求导法则在对应区间(log a x)111(a y) a y ln a xln a则 y log a x 是它的反函数函数x a y在区间I y(I x (0)内有杂的初等函数的导数如可求呢？如函数lntan x、 e x3、的导数怎样求？三、复合函数的求导法则定理 3如果 u g( x)在点 x 可导函数 y f(u)在点 u g(x)可导则复合函数y f[g(x)] 在点 x 可导且其导数为dy dy dy dudx f (u) g ( x) 或dx du dx证明当 u g(x)在 x 的某邻域内为常数时y=f[(x)] 也是常数此时导数为零结论自然成立当 u g(x)在 x 的某邻域内不等于常数时u 0此时有y f [ g(x x)] f [g (x)] f [ g( x x)] f [ g( x)]g(x x)g(x)x x g (x x)g(x)xf (u u) f (u)g( x x) g( x)u xdy lim y lim f (u u) f (u)lim g (x x)g (x) = f( u) g (x )dx x0x u0u x 0x简要证明dy lim y lim y u lim y lim u f (u)g (x)dx x 0 x x 0 ux u 0 u x 0 x例9 y e x3求dydx解函数 y e x3可看作是由 y e u u x3复合而成的因此dy dy du u3x 22x3dx du dx e3x e例 10y sin2x dy 1 x2求dx解函数y sin2x是由 y sin uu2x复合而成的1x2 1 x2因此dy dydu cosu2(1x2 )(2x)22(1x2)2x2 dx du(12)222 cosdx x(1 x ) 1 x 对复合函数的导数比较熟练后就不必再写出中间变量dy例 11． lnsin x 求dx(ln sin x)1(sin x)1cosx cot x解sin xdx sin x例 12． y31 2x2求 dydxdy 12解[(1 2x 2 )3 ]1(1 2x 2) 3(12x 2)4xdx3 33 (1 2x 2) 2复合函数的求导法则可以推广到多个中间变量的情形例如设 y f(u)u (v) v (x)则dy dy du dy du dvdx du dx du dv dxdy 例 13． y lncos(e ) 求 dx dy x 1x 解dx [ln cos(e )]cos(e x ) [cos(e )]1xxxxcos(e x ) [ sin(e )] (e ) e tan(e ) sin 1 dy例 14． y e x 求dx1)cos1(1)解dy(ex )e x(sinexsin 1sin 1sin 1dxx x x1 sin 1cos 1e xx 2 x 例 15 设 x 0 证明幂函数的导数公式(x )x1解因为 x(e ln x ) eln x 所以(x ) (e ln x) e ln x( ln x) eln xx 1x1四、基本求导法则与导数公式1．基本初等函数的导数(1)(C) 0 (2)(x )x 1(3)(sin x) cos x (4)(cos x) sin x (5)(tan x) sec 2 x(6)(cot x) csc 2x(7)(sec x) sec x tan x(8)(csc x) csc x cot x (9)(a x ) a x ln a (10)( e x )e x(11) (log a x)1x ln a (12) (ln x)1(13) (arcsin x)1 1 x2(14) (arccos x) 11 x 2(15) (arctan x)1 1 x2(16) (arccot x)11 x 22．函数的和、差、积、商的求导法则设 u u(x) v v(x)都可导则 (1)(u v) u v (2)(C u) C u (3)(u v) u v u v (4) ( u )u vuvvv 23．反函数的求导法则设 x f(y)在区间 I y 内单调、可导且f (y) 0 则它的反函数 y f 1(x)在 I x f(I y )内也可导并且[ f1( x) ]1 或 dy 1f ( y)dxdxdy4．复合函数的求导法则设 y f(x)而 u g(x)且 f(u)及 g(x)都可导则复合函数 y f[g(x)] 的导数为dy dy du或 y (x) f (u) g (x)dxdu dx例 16 求双曲正弦 sh x 的导数 . 解因为sh x1x e x) 所以2 (e(sh x)1(e xe x) 1 (e x e x ) ch x22即 (sh x) ch x类似地有(ch x) sh x例 17 求双曲正切 th x 的导数解因为 th xsh x 所以ch x(th x) ch 2 x sh 2 x1ch 2xch 2x解因为 arsh x ln( x1x2 )所以(arsh x)1(1x)1x11x2x2 1 x2由 arch x ln( x x21) 可得 (arch x)1 x2 1由 arth x 1ln1x可得 (arth x)1 21x 1 x2类似地可得 (arch x)1(arth x)1 x211x2例 19． y sin nx sin n x (n 为常数 )求 y解 y (sin nx)sin n x + sin nx(sin n x)ncos nx sin n x+sin nx n sin n1x (sin x )ncos nx sin n x+n sin n 1x cos x n sin n 1x sin(n+1)x §2. 3高阶导数一般地函数 y f(x)的导数 y f(x) 仍然是 x 的函数我们把 y f (x)的导数叫做函数 y f(x)的二阶导数记作y 、 f (x) 或d 2 y dx2即y (y ) f(x) [f(x)] d 2 y d( dy )dx2dx dx相应地把 y f(x)的导数 f (x)叫做函数 y f(x)的一阶导数类似地二阶导数的导数叫做三阶导数三阶导数的导数叫做四阶导数一般地 (n 1)阶导数的导数叫做n 阶导数分别记作yy (4)nd 3 y d 4 y d n y y ( )或dx 3dx 4dx n函数 f(x)具有 n 阶导数也常说成函数 f(x)为 n 阶可导如果函数 f(x)在点 x 处具有 n 阶导数那么函数 f(x)在点 x 的某一邻域内必定具有一切低于n 阶的导数二阶及二阶以上的导数统称高阶导数y 称为一阶导数 y y y (4)y (n)都称为高阶导数例 1． y ax b 求 y 解 y a y 0例 2． s sin t 求 s解 scost s 2sin t例 3．证明函数 y2x x 2 满足关系式 y 3y 1 0证明因为 y2 2x 1 x2 2x x22x x 22x x 2(1 x) 2 2 xx2x)22x x 22x (1 11y22 x x 2(2x x 2 ) (2 x x 2)3y 3(2x x 2) 2所以 y 3y1 0例 4．求函数 y e x的 n 阶导数解 y e x y e x y e x y ( 4) e x一般地可得y ( n) e x即(e x )(n) e x例 5．求正弦函数与余弦函数的 n 阶导数解 y sin x y cos x sin( x 2)ycos(x) sin( x2) sin( x 2 )222 ycos(x2 ) sin( x 22) sin(x 3 )22 2y (4) cos(x 3) sin(x 4 )22一般地可得y (n) sin( x n) 即 (sin x)(n) sin(x n)22用类似方法可得 (cos x)(n) cos(x n)例 6．求对函数ln(1 x)的 n阶导数解y ln(1x)y(1x) 1y(1x)2y(1)(2)(1x)3y(4)(1)(2)(3)(1x) 4一般地可得(n 1)!y(n)(1)(2)(n1)(1x) n( 1)n 1(1x)n即[ln(1x)] (n)(1) n 1 (n 1)!(1x)n例 6．求幂函数 y x ( 是任意常数 )的 n 阶导数公式解 y x1y(1)x2y(1)(2)x3y ( 4)(1)(2)(3)x4一般地可得y (n)(1)(2)(n1)x n即(x )(n)(1)(2)(n 1)x n当n 时得到n(n)(x )( 1)( 2) 3 2 1 n!而(x n)( n 1) 0如果函数u u(x)及v v(x)都在点x处具有n阶导数那么显然函数u(x) v(x)也在点 x 处具有 n阶导数且(u v) (n) u(n) v(n)(uv)u v uv(uv)u v2u v uv(uv)u v 3u v3u v uv用数学归纳法可以证明n(uv)(n)C n k u(n k)v(k)k0这一公式称为莱布尼茨公式2 2x(20)例 8． y x e求 y解设 u e2 x v x2则(u)(k)2k e2x (k1, 2,, 20)v 2x v 2 (v)(k)0 (k 3, 4,, 20)代入莱布尼茨公式得y (20)(u v)(20)u(20)v C 201u(19) v C 202u(18)v220e2x x2 20 219e2x 2x20 19218e2 x 22!220e2x(x220x95)§2. 4隐函数的导数由参数方程所确定的函数的导数相关变化率一、隐函数的导数显函数形如 y f(x) 的函数称为显函数例如 y sin x y ln x +e x隐函数由方程 F(x y) 0所确定的函数称为隐函数例如方程 x y3 1 0 确定的隐函数为y y 3 1 x如果在方程F(x y) 0 中当x取某区间内的任一值时相应地总有满足这方程的唯一的y 值存在那么就说方程F(x y) 0 在该区间内确定了一个隐函数把一个隐函数化成显函数叫做隐函数的显化隐函数的显化有时是有困难的甚至是不可能的但在实际问题中有时需要计算隐函数的导数因此我们希望有一种方法不管隐函数能否显化都能直接由方程算出它所确定的隐函数的导数来例 1．求由方程 e y xye 0 所确定的隐函数 y 的导数解把方程两边的每一项对x 求导数得(e y ) (xy) (e) (0) 即 e y y y xy从而yy yx e y(x e0)例 2．求由方程 y 5 2y x 3x 7 0 所确定的隐函数 y f (x)在x 0 处的导数 y |x 0解把方程两边分别对 x 求导数得5y y 2y 1 21x 6 0由此得y1 21x 65 y 42因为当 x 0 时从原方程得 y 0 所以y |x 0 1 21x 6 |x 015y 4 2 2例 3求椭圆 x2y 21 在 (2, 33) 处的切线方程16 9 2 解把椭圆方程的两边分别对 x 求导得x2y y 08 9从而y9 x16y当 x 2 时y3 3 代入上式得所求切线的斜率2k y |x 234所求的切线方程为y 3 33 ( x 2) 即 3x4 y 8 3 02 4解把椭圆方程的两边分别对 x 求导得 x 2 y y 0 89将 x 2y3 3代入上式得211 y 043于是k y |x3 24所求的切线方程为y333( x 2) 即 3x 4 y 8 3 024例 4．求由方程x y 12sin y 0所确定的隐函数y的二阶导数解方程两边对x 求导得1dy1cos y dy0dx2dx于是dy2dx 2 cos y上式两边再对x 求导得d 2 y 2sin ydy4sin ydxdx2(2cos y)2(2 cos y)3对数求导法这种方法是先在y f(x)的两边取对数然后再求出 y 的导数设 y f(x)两边取对数得ln y ln f(x)两边对 x 求导得1 y[ln f (x)]yy f( x) [ln f(x)]对数求导法适用于求幂指函数 y [u(x)] v(x)的导数及多因子之积和商的导数例5．求 y x sin x (x>0) 的导数解法一两边取对数得ln y sin x ln x上式两边对x 求导得1y cos x ln x sin x1y x于是y y(cos x ln x sin x 1 ) xx sin x(cos x ln x sin x)x解法二这种幂指函数的导数也可按下面的方法求。

(完整版)同济第六版《高等数学》教案WORD版-第06章定积分的应用

第六章定积分的应用教学目的1、理解元素法的基本思想；2、掌握用定积分表达和计算一些几何量（平面图形的面积、平面曲线的弧长、旋转体的体积及侧面积、平行截面面积为已知的立体体积）。

3、掌握用定积分表达和计算一些物理量（变力做功、引力、压力和函数的平均值等）。

教学重点：1、计算平面图形的面积、平面曲线的弧长、旋转体的体积及侧面积、平行截面面积为已知的立体体积。

2、计算变力所做的功、引力、压力和函数的平均值等。

教学难点：1、截面面积为已知的立体体积。

2、引力。

§6. 1 定积分的元素法回忆曲边梯形的面积:设y=f (x)≥0 (x∈[a,b]).如果说积分,⎰=b adx xfA)(是以[a,b]为底的曲边梯形的面积,则积分上限函数⎰=x adt tfxA)()(就是以[a,x]为底的曲边梯形的面积.而微分dA(x)=f (x)dx表示点x处以dx为宽的小曲边梯形面积的近似值∆A≈f (x)dx, f (x)dx称为曲边梯形的面积元素.以[a,b]为底的曲边梯形的面积A就是以面积元素f(x)dx为被积表达式,以[a,b]为积分区间的定积分:⎰=b adx xfA)(.一般情况下,为求某一量U,先将此量分布在某一区间[a,b]上,分布在[a,x]上的量用函数U(x)表示,再求这一量的元素dU(x),设dU(x)=u(x)dx,然后以u(x)dx为被积表达式,以[a,b]为积分区间求定积分即得⎰=b adx xfU)(.用这一方法求一量的值的方法称为微元法(或元素法).§6. 2 定积分在几何上的应用一、平面图形的面积1．直角坐标情形设平面图形由上下两条曲线y =f 上(x )与y =f 下(x )及左右两条直线x =a 与x =b 所围成, 则面积元素为[f 上(x )- f 下(x )]dx , 于是平面图形的面积为dx x f x f S b a ⎰-=)]()([下上.类似地, 由左右两条曲线x =ϕ左(y )与x =ϕ右(y )及上下两条直线y =d 与y =c 所围成设平面图形的面积为⎰-=dc dy y y S )]()([左右ϕϕ.例1 计算抛物线y 2=x 、y =x 2所围成的图形的面积.解 (1)画图.(2)确定在x 轴上的投影区间: [0, 1].(3)确定上下曲线: 2)( ,)(x x f x x f ==下上.(4)计算积分31]3132[)(10323102=-=-=⎰x x dx x x S . 例2 计算抛物线y 2=2x 与直线y =x -4所围成的图形的面积.解 (1)画图.(2)确定在y 轴上的投影区间: [-2, 4].(3)确定左右曲线: 4)( ,21)(2+==y y y y 右左ϕϕ. (4)计算积分⎰--+=422)214(dy y y S 18]61421[4232=-+=-y y y . 例3 求椭圆12222=+by a x所围成的图形的面积. 解设整个椭圆的面积是椭圆在第一象限部分的四倍, 椭圆在第一象限部分在x 轴上的投影区间为[0, a ]. 因为面积元素为ydx , 所以⎰=aydx S 04. 椭圆的参数方程为:x =a cos t , y =b sin t ,于是 ⎰=a ydx S 04⎰=02)cos (sin 4πt a td b⎰-=022sin 4πtdt ab ⎰-=20)2cos 1(2πdt t ab ππab ab =⋅=22.2．极坐标情形曲边扇形及曲边扇形的面积元素:由曲线ρ=ϕ(θ)及射线θ =α, θ =β围成的图形称为曲边扇形. 曲边扇形的面积元素为θθϕd dS 2)]([21=. 曲边扇形的面积为⎰=βαθθϕd S 2)]([21. 例4. 计算阿基米德螺线ρ=a θ (a >0)上相应于θ从0变到2π 的一段弧与极轴所围成的图形的面积.解: ⎰=πθθ202)(21d a S 32203234]31[21πθπa a ==. 例5. 计算心形线ρ=a (1+cos θ ) (a >0) 所围成的图形的面积.解: ⎰+=πθθ02]cos 1([212d a S ⎰++=πθθθ02)2cos 21cos 221(d a πθθθπ20223]2sin 41sin 223[a a =++=.二、体积1．旋转体的体积旋转体就是由一个平面图形绕这平面内一条直线旋转一周而成的立体. 这直线叫做旋转轴. 常见的旋转体: 圆柱、圆锥、圆台、球体.旋转体都可以看作是由连续曲线y =f (x )、直线x =a 、a =b 及x 轴所围成的曲边梯形绕x 轴旋转一周而成的立体.设过区间[a , b ]内点x 且垂直于x 轴的平面左侧的旋转体的体积为V (x ), 当平面左右平移dx 后, 体积的增量近似为∆V =π[f (x )]2dx , 于是体积元素为dV = π[f (x )]2dx ,旋转体的体积为dx x f V ba 2)]([π⎰=.例1 连接坐标原点O 及点P (h , r )的直线、直线x =h 及x 轴围成一个直角三角形. 将它绕x 轴旋转构成一个底半径为r 、高为h 的圆锥体. 计算这圆锥体的体积.解: 直角三角形斜边的直线方程为x hr y =. 所求圆锥体的体积为dx x h r V h 20)(π⎰=h x h r 0322]31[π=231hr π=. 例2. 计算由椭圆12222=+by a x所成的图形绕x 轴旋转而成的旋转体(旋转椭球体)的体积. 解: 这个旋转椭球体也可以看作是由半个椭圆 22x a ab y -= 及x 轴围成的图形绕x 轴旋转而成的立体. 体积元素为dV = π y 2dx ,于是所求旋转椭球体的体积为⎰--=aa dx x a ab V )(2222πa a x x a ab --=]31[3222π234ab π=. 例3 计算由摆线x =a (t -sin t ), y =a (1-cos t )的一拱, 直线y =0所围成的图形分别绕x 轴、y 轴旋转而成的旋转体的体积.解所给图形绕x 轴旋转而成的旋转体的体积为 ⎰=a x dx y V ππ202⎰-⋅-=ππ2022)cos 1()cos 1(dt t a t a⎰-+-=ππ20323)cos cos 3cos 31(dt t t t a=5π 2a 3.所给图形绕y 轴旋转而成的旋转体的体积是两个旋转体体积的差. 设曲线左半边为x =x 1(y )、右半边为x =x 2(y ). 则⎰⎰-=a a y dy y x dy y x V 20212022)()(ππ ⎰⎰⋅--⋅-=πππππ022222sin )sin (sin )sin (tdt a t t a tdt a t t a⎰--=ππ2023sin )sin (tdt t t a =6π 3a 3 .2．平行截面面积为已知的立体的体积设立体在x 轴的投影区间为[a , b ], 过点x 且垂直于x 轴的平面与立体相截, 截面面积为A (x ), 则体积元素为A (x )dx , 立体的体积为dx x A V b a )(⎰=.例4 一平面经过半径为R 的圆柱体的底圆中心, 并与底面交成角α. 计算这平面截圆柱所得立体的体积.解: 取这平面与圆柱体的底面的交线为x 轴, 底面上过圆中心、且垂直于x 轴的直线为y 轴. 那么底圆的方程为x 2 +y 2=R 2. 立体中过点x 且垂直于x 轴的截面是一个直角三角形. 两个直角边分别为22x R -及αtan 22x R -. 因而截面积为αtan )(21)(22x R x A -=. 于是所求的立体体积为 dx x R V R R αtan )(2122-=⎰-ααtan 32]31[tan 21332R x x R R R =-=-. 例5. 求以半径为R 的圆为底、平行且等于底圆直径的线段为顶、高为h 的正劈锥体的体积.解: 取底圆所在的平面为x O y 平面, 圆心为原点, 并使x 轴与正劈锥的顶平行. 底圆的方程为x 2 +y 2=R 2. 过x 轴上的点x (-R <x <R )作垂直于x 轴的平面, 截正劈锥体得等腰三角形. 这截面的面积为22)(x R h y h x A -=⋅=.于是所求正劈锥体的体积为⎰--=R R dx x R h V 22h R d h R 2202221cos 2πθθπ==⎰ . 三、平面曲线的弧长设A , B 是曲线弧上的两个端点. 在弧AB 上任取分点A =M 0, M 1, M 2, ⋅ ⋅ ⋅ , M i -1, M i , ⋅ ⋅ ⋅, M n -1, M n =B , 并依次连接相邻的分点得一内接折线. 当分点的数目无限增加且每个小段M i -1M i 都缩向一点时, 如果此折线的长∑=-ni i i M M 11||的极限存在, 则称此极限为曲线弧AB 的弧长, 并称此曲线弧AB 是可求长的.定理光滑曲线弧是可求长的.1．直角坐标情形设曲线弧由直角坐标方程y =f (x ) (a ≤x ≤b )给出, 其中f (x )在区间[a , b ]上具有一阶连续导数. 现在来计算这曲线弧的长度.取横坐标x 为积分变量, 它的变化区间为[a , b ]. 曲线y =f (x )上相应于[a , b ]上任一小区间[x , x +dx ]的一段弧的长度, 可以用该曲线在点(x , f (x ))处的切线上相应的一小段的长度来近似代替. 而切线上这相应的小段的长度为dx y dy dx 2221)()('+=+,从而得弧长元素(即弧微分)dx y ds 21'+=. 以dx y 21'+为被积表达式, 在闭区间[a , b ]上作定积分, 便得所求的弧长为⎰'+=ba dx y s 21. 在曲率一节中, 我们已经知道弧微分的表达式为dx y ds 21'+=, 这也就是弧长元素. 因此例1. 计算曲线2332x y =上相应于x 从a 到b 的一段弧的长度. 解: 21x y =', 从而弧长元素dx x dx y ds +='+=112.因此, 所求弧长为b a b a x dx x s ])1(32[123+=+=⎰])1()1[(322323a b +-+=. 例2. 计算悬链线cx c y ch =上介于x =-b 与x =b 之间一段弧的长度. 解: cx y sh =', 从而弧长元素为 dx cx dx c x ds ch sh 12=+=. 因此, 所求弧长为⎰⎰==-b b b dx c x dx c x s 0ch 2ch cb c dx c x c b sh 2]sh [20==. 2．参数方程情形设曲线弧由参数方程x =ϕ(t )、y =ψ(t ) (α≤t ≤β )给出, 其中ϕ(t )、ψ(t )在[α, β]上具有连续导数.因为)()(t t dx dy ϕψ''=, dx =ϕ'(t )d t , 所以弧长元素为 dt t t dt t t t ds )()()()()(12222ψϕϕϕψ'+'='''+=. 所求弧长为⎰'+'=βαψϕdt t t s )()(22. 例3. 计算摆线x =a (θ-sin θ), y =a (1-cos θ)的一拱(0 ≤θ ≤2π )的长度.解: 弧长元素为θθθd a a ds 2222sin )cos 1(+-=θθd a )cos 1(2-=θθd a 2sin2=.所求弧长为⎰=πθθ202sin 2d a s πθ20]2cos 2[2-=a =8a . 3．极坐标情形设曲线弧由极坐标方程ρ=ρ(θ) (α ≤ θ ≤ β )给出, 其中r (θ)在[α, β]上具有连续导数. 由直角坐标与极坐标的关系可得x =ρ(θ)cos θ , y =ρ(θ)sin θ(α ≤θ ≤ β ).于是得弧长元素为θθθd y x ds )()(22'+'=θθρθρd )()(22'+=.从而所求弧长为⎰'+=βαθθρθρd s )()(22.例14. 求阿基米德螺线ρ=a θ (a >0)相应于θ 从0到2π 一段的弧长.解: 弧长元素为θθθθd a d a a ds 22221+=+=.于是所求弧长为⎰+=πθθ2021d a s )]412ln(412[222ππππ++++=a .§6. 3 功水压力和引力一、变力沿直线所作的功例1 把一个带+q 电量的点电荷放在r 轴上坐标原点O 处, 它产生一个电场. 这个电场对周围的电荷有作用力. 由物理学知道, 如果有一个单位正电荷放在这个电场中距离原点O 为r 的地方, 那么电场对它的作用力的大小为2r q k F = (k 是常数). 当这个单位正电荷在电场中从r =a 处沿r 轴移动到r =b (a <b )处时, 计算电场力F 对它所作的功. 例1' 电量为+q 的点电荷位于r 轴的坐标原点O 处它所产生的电场力使r 轴上的一个单位正电荷从r =a 处移动到r =b (a <b )处求电场力对单位正电荷所作的功.提示: 由物理学知道, 在电量为+q 的点电荷所产生的电场中, 距离点电荷r 处的单位正电荷所受到的电场力的大小为2r q k F = (k 是常数). 解: 在r 轴上, 当单位正电荷从r 移动到r +dr 时, 电场力对它所作的功近似为dr r q k2, 即功元素为dr r q kdW 2=. 于是所求的功为dr rkq W b a 2⎰=b a r kq ]1[-=)11(b a kq -=. 例2. 在底面积为S 的圆柱形容器中盛有一定量的气体. 在等温条件下, 由于气体的膨胀, 把容器中的一个活塞(面积为S )从点a 处推移到点b 处. 计算在移动过程中, 气体压力所作的功. 解: 取坐标系如图, 活塞的位置可以用坐标x 来表示. 由物理学知道, 一定量的气体在等温条件下, 压强p 与体积V 的乘积是常数k , 即pV =k 或Vk p =. 解: 在点x 处, 因为V =xS , 所以作在活塞上的力为xk S xS k S p F =⋅=⋅=. 当活塞从x 移动到x +dx 时, 变力所作的功近似为dx xk , 即功元素为dx xk dW =. 于是所求的功为dx x k W b a ⎰=b a x k ][ln =ab k ln =.例3. 一圆柱形的贮水桶高为5m , 底圆半径为3m , 桶内盛满了水. 试问要把桶内的水全部吸出需作多少功？解: 作x 轴如图. 取深度x 为积分变量. 它的变化区间为[0, 5], 相应于[0, 5]上任小区间[x , x +dx ]的一薄层水的高度为dx . 水的比重为9.8kN/m 3, 因此如x 的单位为m , 这薄层水的重力为9.8π⋅32dx . 这薄层水吸出桶外需作的功近似地为dW =88.2π⋅x ⋅dx ,此即功元素. 于是所求的功为⎰=502.88xdx W π502]2[2.88x π=2252.88⋅=π(kj). 二、水压力从物理学知道, 在水深为h 处的压强为p =γh , 这里 γ 是水的比重. 如果有一面积为A 的平板水平地放置在水深为h 处, 那么, 平板一侧所受的水压力为P =p ⋅A .如果这个平板铅直放置在水中, 那么, 由于水深不同的点处压强p 不相等, 所以平板所受水的压力就不能用上述方法计算.例4. 一个横放着的圆柱形水桶, 桶内盛有半桶水. 设桶的底半径为R , 水的比重为 γ , 计算桶的一个端面上所受的压力.解: 桶的一个端面是圆片, 与水接触的是下半圆. 取坐标系如图.在水深x 处于圆片上取一窄条, 其宽为dx , 得压力元素为dx x R x dP 222-=γ.所求压力为⎰-=R dx x R x P 022 2γ)()(2221220x R d x RR ---=⎰γR x R 02322])(32[--=γ332R r =. 三、引力从物理学知道, 质量分别为m 1、m 2, 相距为r 的两质点间的引力的大小为221r m m G F =, 其中G 为引力系数, 引力的方向沿着两质点连线方向.如果要计算一根细棒对一个质点的引力, 那么, 由于细棒上各点与该质点的距离是变化的, 且各点对该质点的引力的方向也是变化的, 就不能用上述公式来计算.例5. 设有一长度为l 、线密度为ρ的均匀细直棒, 在其中垂线上距棒a 单位处有一质量为m 的质点M . 试计算该棒对质点M 的引力.例5'. 求长度为l 、线密度为ρ的均匀细直棒对其中垂线上距棒a 单位处质量为m 的质点M 的引力.解: 取坐标系如图, 使棒位于y 轴上, 质点M 位于x 轴上, 棒的中点为原点O . 由对称性知,引力在垂直方向上的分量为零, 所以只需求引力在水平方向的分量. 取y 为积分变量, 它的变化区间为]2 ,2[l l -. 在]2,2[l l -上y 点取长为dy 的一小段, 其质量为ρdy , 与M 相距22y a r +=. 于是在水平方向上, 引力元素为2222y a a y a dy m G dF x +-⋅+=ρ2/322)(y a dy am G +-=ρ. 引力在水平方向的分量为⎰-+-=222/322)(l l x y a dy am G F ρ22412la a l Gm +⋅-=ρ.。

《高等数学》(同济六版)教学★第9章.多元函数微分法及其应用ppt课件

定义域为圆域 (x, y) x2 y2 1
图形为中心在原点的上半球面.
又如, z sin(xy), (x, y) R 2
说明: 二元函数 z = f (x, y), (x, y) D
的图形一般为空间曲面 .
三元函数 u arcsin(x2 y2 z2 )
定义域为单位闭球
z
o 1y
2
19
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• 二重极限 lim f (x, y) 与累次极限 lim lim f (x, y)
x x0
xx0 y y0
y y0
不同.
如果它们都存在, 则三者相等. 仅知其中一个存在, 推不出其它二者存在.
例如,
显然
lim lim f (x, y) 0,
x0 y0
但由例3 知它在(0,0)点二重极限不存在 .
在空间中,
U ( P0 , ) (x, y, z )
PP0 δ 称为点 P0 的邻域.
(圆邻域)
(球邻域)
说明：若不需要强调邻域半径 ,也可写成 U ( P0 ).
点 P0 的去心邻域记为
0 PP0 δ
3
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在讨论实际问题中也常使用方邻域, 因为方邻域与圆邻域可以互相包含.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内总有E 中的点 , 则
称 P 是 E 的聚点.
聚点可以属于 E , 也可以不属于 E (因为聚点可以为
E 的边界点 )
所有聚点所成的点集成为 E 的导集 .
6
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(3) 开区域及闭区域
• 若点集 E 的点都是内点，则称 E 为开集；
• E 的边界点的全体称为 E 的边界, 记作E ;

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高等数学教案 §9 重积分第九章重积分教学目的：1. 理解二重积分、三重积分的概念，了解重积分的性质，知道二重积分的中值定理。

2. 掌握二重积分的（直角坐标、极坐标）计算方法。

3. 掌握计算三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算方法。

8、会用重积分求一些几何量与物理量（平面图形的面积、体积、重心、转动惯量、引力等）。

教学重点：1、二重积分的计算（直角坐标、极坐标）；2、三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算。

3、二、三重积分的几何应用及物理应用。

教学难点：1、利用极坐标计算二重积分；2、利用球坐标计算三重积分；3、物理应用中的引力问题。

§9 1 二重积分的概念与性质一、二重积分的概念1 曲顶柱体的体积设有一立体它的底是 xOy 面上的闭区域 D 它的侧面是以 D 的边界曲线为准线而母线平行于 z 轴的柱面它的顶是曲面 z f(x y)这里 f(x y) 0 且在 D 上连续这种立体叫做曲顶柱体现在我们来讨论如何计算曲顶柱体的体积首先用一组曲线网把 D 分成 n 个小区域12n分别以这些小闭区域的边界曲线为准线作母线平行于 z 轴的柱面这些柱面把原来的曲顶柱体分为 n 个细曲顶柱体在每个i中任取一点 (ii) 以 f (ii) 为高而底为i 的平顶柱体的体积为f ( i i ) i (i 1 2n )这个平顶柱体体积之和nVf ( i , i) i i1可以认为是整个曲顶柱体体积的近似值为求得曲顶柱体体积的精确值将分割加密只需取极限即nV lim f ( i , i )ii 1其中是个小区域的直径中的最大值2平面薄片的质量设有一平面薄片占有xOy面上的闭区域D它在点(x y)处的面密度为(x y)这里(x y) 0 且在 D 上连续现在要计算该薄片的质量M用一组曲线网把 D 分成 n 个小区域12n把各小块的质量近似地看作均匀薄片的质量(i i)i各小块质量的和作为平面薄片的质量的近似值nM( i , i )ii 1将分割加细取极限得到平面薄片的质量nM lim( i , i )ii 1其中是个小区域的直径中的最大值定义设f(x y)是有界闭区域 D 上的有界函数将闭区域 D 任意分成n 个小闭区域12n其中i 表示第i 个小区域也表示它的面积在每个i 上任取一点(i i )作和nf ( i , i )ii 1如果当各小闭区域的直径中的最大值趋于零时这和的极限总存在则称此极限为函数f(x y)在闭区域 D 上的二重积分记作 f (x, y)d即Dnf ( x, y)d limf ( i , i)iDi 1f(x y)被积函数 f(x y)d被积表达式 d 面积元素 x y 积分变量D 积分区域积分和直角坐标系中的面积元素如果在直角坐标系中用平行于坐标轴的直线网来划分 D 那么除了包含边界点的一些小闭区域外其余的小闭区域都是矩形闭区域设矩形闭区域 i 的边长为 x i 和 y i 则ix y 因此在直角坐标系中有时也把面积元素 d 记作 dxdy 而把二重积分记作iif (x, y)dxdyD其中 dxdy 叫做直角坐标系中的面积元素二重积分的存在性当 f(x y)在闭区域 D 上连续时积分和的极限是存在的也就是说函数 f(x y)在 D 上的二重积分必定存在我们总假定函数 f(x y) 在闭区域 D 上连续所以f(x y)在 D 上的二重积分都是存在的二重积分的几何意义如果 f(x y) 0 被积函数 f(x y)可解释为曲顶柱体的在点 (x y)处的竖坐标所以二重积分的几何意义就是柱体的体积如果 f( x y)是负的柱体就在 xOy 面的下方二重积分的绝对值仍等于柱体的体积但二重积分的值是负的二二重积分的性质性质 1 设 c 1、 c 2 为常数则[c 1 f (x, y) c 2 g(x, y)]dc 1 f ( x, y)dc 2 g( x, y)dDDD性质 2 如果闭区域 D 被有限条曲线分为有限个部分闭区域则在 D 上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和例如 D 分为两个闭区域 D 1 与 D 2 则f (x, y)df (x, y)df (x, y)dDD 1D 2性质 31 dd( 为 D 的面积 )DD性质 4 如果在 D 上 f(x y) g(x y)则有不等式f (x, y)dg(x, y)dDD特殊地有| f ( x, y)d || f (x, y) |dD D性质 5 设 M、 m 分别是 f(x y)在闭区域 D 上的最大值和最小值为D的面积则有m f ( x, y)d MD性质 6(二重积分的中值定理) 设函数 f(x y)在闭区域 D 上连续为D的面积则在 D 上至少存在一点()使得f (x, y)d f ( , )D§9 2二重积分的计算法一、利用直角坐标计算二重积分X型区域D1(x)y2(x) a x bY型区域D 1(x) y 2(x) c y d混合型区域设 f(x y) 0 D {( x y)| 1(x) y 2(x) a x b}此时二重积分 f (x, y)d 在几何上表示以曲面z f(x y)为顶以区域 D 为底的曲顶D柱体的体积对于 x [a b] 曲顶柱体在x x0 的截面面积为以区间[1(x ) (x )]为底、以曲线0 0 2 0 z f(x0 y)为曲边的曲边梯形所以这截面的面积为A(x ) 2 (x0) f (x , y)dy1( x0 )根据平行截面面积为已知的立体体积的方法得曲顶柱体体积为V b b 2 (x)A( x)dx [1(x)a a即V f ( x, y)d b 2 ( x) [1(x) aD f ( x, y)dy]dx f ( x, y)dy]dx可记为高等数学教案§9 重积分f (x, y)db 2 (x)dxf (x, y)dyDa1(x)类似地如果区域 D 为 Y 型区域D (x) y (x) c y d12则有f (x, y)dd dy2 (y) f (x, y)dxc 1 (y)D例 1 计算 xyd其中 D 是由直线 y 1、x 2 及 y x 所围成的闭区域D解画出区域 D方法一可把 D 看成是 X型区域 1 x 2 1 y x于是xyd2 x2y 2x1 231 x 4 x 22 9[xydy]dx1 [ x2 ]1 dx2 1 (x x)dx2 [42 ]1 8D1 1xyd2dx x2xydy注积分还可以写成1 xydy1 xdxD11解法 2 也可把 D 看成是 Y型区域 1 y 2 y x 2 于是222x 2 22y 3 2 y 42 9xyd[xydx]dy[ y(2y)dy[ y2 ] y dy2 8 ]18D1 y11例 2 计算y 1 x 2 y 2d其中 D 是由直线 y 1、 x 1 及 y x 所围成的闭区域D解画出区域 D 可把 D 看成是 X 型区域 1 x 1 x y 1 于是y 1 x 22d1 1x 2 2 dy1 12 2 )3 11 132ydx y 1y3[(1x y ] x dx3 (| x| 1)dxD1 x112 1 (x3 1)dx 13 02也可 D 看成是 Y 型区域： 1 y 1 1 x<y 于是y 1 x2y 2d 1y1 x2y 2dx1 ydy 1D例 3 计算xyd其中 D 是由直线 yx 2 及抛物线 y2x 所围成的闭区域D解积分区域可以表示为 D D 1+D 2其中 D 1 : 0 x 1,x y xD 2 : 1 x 4, 2 yx 于是xyd1 xxydy 4 x xydydxx dx x 2D1积分区域也可以表示为 D 1 y 2 y 2x y 2 于是xyd2 dyy 22 2 2dy 1 22)2 y5]dyy 2 xydx [ x y] y y 2 [ y( yD1122 11 [ y 4 4 y 32 y 2 y 6 25 52 43 6 ] 1 8讨论积分次序的选择例 4求两个底圆半径都等于的直交圆柱面所围成的立体的体积解设这两个圆柱面的方程分别为x 2 y 2 2 及 x 2 z 22利用立体关于坐标平面的对称性只要算出它在第一卦限部分的体积V 1 然后再乘以 8 就行了第一卦限部分是以 D {( x y)| 0 yR2x 2, 0 x} 为底以 zR2 x 2顶的曲顶柱体于是V 822 dRR 2 x 2R 22dyR2 2y]0R 2 x 2R x8 dxx 8 [ R xdxDR8 ( R 2 x 2)dx 16 R 33二利用极坐标计算二重积分有些二重积分积分区域 D 的边界曲线用极坐标方程来表示比较方便且被积函数用极坐标变量、表达比较简单这时我们就可以考虑利用极坐标来计算二重积分f (x, y)dDn按二重积分的定义f (x, y)dlimf ( i , i ) iDi 1下面我们来研究这个和的极限在极坐标系中的形式以从极点 O 出发的一族射线及以极点为中心的一族同心圆构成的网将区域 D 分为 n 个小闭区域小闭区域的面积为1 ( i i )2 12 1(2 ii )ii 2i 2i i 2 i i (ii)iiii2i其中i 表示相邻两圆弧的半径的平均值在i 内取点 (i , i )设其直角坐标为 ( ii )则有ii cos ii i sininn于是limf ( i , i )ilimf ( i cos i , i sin i ) iiii 1i 1即f x y df ( cos , sin ) d d( , )DD若积分区域 D 可表示为1( )( )2则 f ( cos , sin ) d d2()df ( cos , sin ) dD1( )讨论如何确定积分限 ?f (cos , sin )d dd( )cos , sin ) df ( Df (cos , sin )d d2 ( )cos , sin ) ddf ( D例 5计算e x 2y 2 dxdy 其中 D 是由中心在原点、半径为 a 的圆周所围成的闭区D域解在极坐标系中闭区域D可表示为0 a 0 2e x2 y 22 2 a221e 2 ]0a d于是dxdy e d d [0 e d ]d[D D 021 (1 e a2 2 d (1 e a22 ) )注此处积分e x 2 y2 dxdy 也常写成e x2 y2 dxdyD x2 y2 a 2利用e x2 y2 dxdy (1 e a2 ) 计算广义积分e x 2 dxx2 y2 a 2设D1{( x y)|x2y2 D2{( x y)|x2y2S {( x y)|0 x R2R x 0 y 0} 2R2 x 0 y 0}显然 D1 S D2由于e x2y2 0 从则在这些闭区域上的二重积分之间有不等式e x2 y2 dxdy e x 2 y2 dxdy e x 2 y2 dxdyD1 S D2因为e x2 y2 dxdy R e x2 dx R e y 2 dy ( R e x2 dx)2S0 0 0又应用上面已得的结果有e x2 y2 dxdy (1 e R2 ) e x2 y 2 dxdy (1 e 2R 2 )D1 4 D24(1 e R2 R e x2 dx)2 (1 e 2R2 )于是上面的不等式可写成) (4 0 4令 R 上式两端趋于同一极限 4 从而0 e x2 dx 2例 6 求球体 x2 y2 z2 4a2被圆柱面 x2 y2 2ax 所截得的（含在圆柱面内的部分）立体的体积解由对称性立体体积为第一卦限部分的四倍V44a 2 x 2 y 2 dxdyD其中 D 为半圆周 y2ax x 2及 x 轴所围成的闭区域在极坐标系中 D 可表示为2a cos2于是V 4 4a22 d d 42d 2a cos 22 d4aD0 032 a 2 2 (1 sin 3 )d 32 a 2 ( 2 2)3 033§9 3 三重积分一、三重积分的概念定义设 f(x y z)是空间有界闭区域上的有界函数将任意分成 n 个小闭区域v v 2v1n其中 v i 表示第 i 个小闭区域也表示它的体积在每个 v i 上任取一点 (iii )作乘积 f(n iii )v i ( i 1 2n)并作和f ( i , i , i ) v i 如果当各小闭区域的直径中的最大值i 1趋于零时这和的极限总存在则称此极限为函数f(x y z)在闭区域上的三重积分记作f (x, y, z)dv即nf (x, y, z)dv limf ( i , i , i ) v i0 i 1三重积分中的有关术语 ——积分号 f( x y z)——被积函数f(x y z)dv ——被积表达式 dv 体积元素 x y z ——积分变量 ——积分区域在直角坐标系中如果用平行于坐标面的平面来划分则 v ixi y iz因此也把i体积元素记为 dv dxdydz三重积分记作f (x, y, z)dv f (x, y, z)dxdydzn当函数 f (x y z)在闭区域上连续时极限 limf ( i , i , i ) v i 是存在的i 1因此 f(x y z)在上的三重积分是存在的以后也总假定 f(x y z)在闭区域上是连续的三重积分的性质与二重积分类似比如[c 1 f (x, y, z) c 2g( x, y, z)]dv c 1 f (x, y, z)dv c 2g(x, y,z)dvf ( x, y, z)dvf (x, y, z)dvf (x, y, z)dv1212dv V 其中 V 为区域的体积二、三重积分的计算1 利用直角坐标计算三重积分三重积分的计算三重积分也可化为三次积分来计算设空间闭区域可表为z 1(x y) z z 2(x y) y 1 (x) y y 2 (x) a x b则f (x, y, z)dvz 2 (x,y)[f (x, y, z)dz]dz 1 (x, y)Dbdx y 2 (x) z 2 (x, y)[ f ( x, y,z)dz]dya y 1( x) z 1(x,y)b dxy 2 (x) z 2 (x, y)f (x, y, z)dza dyz 1( x, y)y 1( x) 即f (x, y, z)dvb y 2( x)dyz 2 (x,y)f (x, y, z)dzdxy 1(x) z 1(x, y)a其中 D : y 1(x) y y 2(x) a x b 它是闭区域在 xOy 面上的投影区域提示设空间闭区域可表为z (x y) z z (x y) y (x) y y (x) a x b1212计算f (x, y, z)dv基本思想对于平面区域 D y 1(x) y y 2(x) a x b 内任意一点 (x y) 将 f(x y z)只看作 z 的函数在区间 [z 12y)]上对 z 积分得到一个二元函数F(x y)(x y)z (xF (x, y) z 2(x,y)f (x, y, z)dzz 1 (x, y)然后计算 F(x y)在闭区域 D 上的二重积分这就完成了 f(x y z) 在空间闭区域上的三重积分F (x, y)dz 2 (x, y) b y 2 (x)z 2( x, y)[f (x, y, z)dz]d dx[f ( x, y, z)dz]dyDDz 1(x, y)ay 1(x) z 1(x,y)z 2(x, y)f (x, y, z)dz]d则f ( x, y, z)dv [z 1 (x, y)Db ab ay 2 (x)z 2 (x, y)dx [f ( x, y,z)dz]dy y 1( x) z 1(x,y) y 2 (x) dyz 2 (x, y)dxf (x, y, z)dzy 1( x) z 1( x, y)即f ( x, y, z)dvb y 2 (x) z 2 (x, y) f (x, y, z)dzdx dyz 1 (x, y)ay 1(x)其中 D : y 1(x) y y 2(x)a xb 它是闭区域在 xOy 面上的投影区域例 1 计算三重积分xdxdydz 其中为三个坐标面及平面x 2y z 1 所围成的闭区域解作图区域可表示为 :0 z 1 x 2y0 y 1(1 x) 0 x 121 1 x1 x2 yxdxdydz2 dy xdz 于是dx 00 011 xxdx 2 (1 x 2y)dy1 1 23 1(x2xx )dx484 0讨论其它类型区域呢 ?有时我们计算一个三重积分也可以化为先计算一个二重积分、再计算一个定积分设空间闭区域{( x y z)|(x y) D z c 1 z c 2 } 其中 D z 是竖坐标为 z 的平面截空间闭区域所得到的一个平面闭区域则有f (x, y, z)dvc 2f (x, y, z)dxdydzc 1D z例 2 计算三重积分z 2dxdydz 其中是由椭球面x 2y 2 z 2 1 所围成的空间闭a 2b 2c 2区域解空间区域可表为 :x 2 y2 1z2c z c2 22abcz 2dxdydzcdxdycz24 于是z 2dzab c (123cc 2 )z dz15 abcD z练习1 将三重积分 If (x, y,z)dxdydz 化为三次积分其中(1) 是由曲面 z 1 x 2 y 2 z 0 所围成的闭区域(2) 是双曲抛物面 xy z 及平面 x y 1 0 z 0 所围成的闭区域(3) 其中是由曲面 z x 2 2y 2 及 z 2 x 2所围成的闭区域2 将三重积分 I f (x, y, z)dxdydz 化为先进行二重积分再进行定积分的形式其中由曲面 z 1 x 2 y 2 z 0 所围成的闭区域2 利用柱面坐标计算三重积分设 M(x y z)为空间内一点并设点 M 在 xOy 面上的投影 P 的极坐标为 P() 则这样的三个数、、 z 就叫做点 M 的柱面坐标这里规定、、 z 的变化范围为0 < 02 <z< 坐标面z z 的意义点 M 的直角坐标与柱面坐标的关系x cos x cos y sin z zy sin z z柱面坐标系中的体积元素dv d d dz简单来说 dxdyd d dxdydz dxdy dzd d dz柱面坐标系中的三重积分f ( x, y, z)dxdydzf ( cos , sin , z) d d dz例 3 利用柱面坐标计算三重积分zdxdydz 其中是由曲面 z x 2 y 2 与平面 z 4 所围成的闭区域解闭区域可表示为2z 4 02 0 2于是zdxdydzz d d dz22 41dd2zdz 021 2[8 21 6]2 642 6 0 33 利用球面坐标计算三重积分2 2 4)dd(16设 M(x y z)为空间内一点则点 M 也可用这样三个有次序的数 r 、、来确定其中r 为原点 O 与点 M 间的距离为 OM 与 z 轴正向所夹的角为从正 z 轴来看自 x 轴按逆时针方向转到有向线段OP 的角这里 P 为点 M 在 xOy 面上的投影这样的三个数 r 、、叫做点 M 的球面坐标这里 r 、、的变化范围为0 r <0 < 02坐标面 r r 00 的意义点 M 的直角坐标与球面坐标的关系x r sin cosy rsin sin z rcosx r sin cos y r sin sin z r cos球面坐标系中的体积元素dv r 2sin drd d球面坐标系中的三重积分f (x, y, z)dvf (r sincos ,r sin sin ,r cos )r 2 sin drd d例 4 求半径为 a 的球面与半顶角为的内接锥面所围成的立体的体积解该立体所占区域可表示为0 r 2acos 0 0 2于是所求立体的体积为Vdxdydzr 2sin drd d2 dd2acos 2sin dr0 r2sin d2a cos 2drr16 a3cos3sin d4 a3(1 cos 4a)33提示球面的方程为 x 2 y 2 (z a)2a 2 即 x 2 y 2 z 2 2az 在球面坐标下此球面的方程为 r 2 2arcos 即 r2acos§9 4 重积分的应用元素法的推广有许多求总量的问题可以用定积分的元素法来处理这种元素法也可推广到二重积分的应用中如果所要计算的某个量U 对于闭区域 D 具有可加性 (就是说当闭区域 D 分成许多小闭区域时所求量 U 相应地分成许多部分量且 U 等于部分量之和 ) 并且在闭区域D 内任取一个直径很小的闭区域 d 时相应的部分量可近似地表示为 f(x y)d的形式其中 (x y)在 d 内则称 f(x y)d为所求量 U 的元素记为 dU 以它为被积表达式在闭区域 D 上积分Uf ( x, y)dD这就是所求量的积分表达式一、曲面的面积设曲面 S 由方程 z f(x y)给出 D 为曲面 S 在 xOy 面上的投影区域函数 f(x y)在 D 上具有连续偏导数 f x (x y)和 f y (x y) 现求曲面的面积 A在区域 D 内任取一点 P( x y) 并在区域 D 内取一包含点 P( x y) 的小闭区域 d其面积也记为 d在曲面 S 上点 M(x y f( x y)) 处做曲面 S 的切平面 T 再做以小区域 d的边界曲线为准线、母线平行于 z 轴的柱面将含于柱面内的小块切平面的面积作为含于柱面内的小块曲面面积的近似值记为 dA 又设切平面 T 的法向量与 z 轴所成的角为则dAd 1 f x 2( x, y) f y 2( x, y) dcos这就是曲面 S 的面积元素于是曲面 S 的面积为A1 f x 2(x, y) f y 2( x, y)dD或A1 ( z )2 ( z )2dxdyDx y设 dA 为曲面 S 上点 M 处的面积元素 dA 在 xOy 面上的投影为小闭区域 d M 在 xOy面上的投影为点 P(x y) 因为曲面上点 M 处的法向量为 n ( f x y所以f 1)dA |n |d1 f x2 (x, y) f y 2(x, y)d提示 dA 与 xOy 面的夹角为 (n ^ k) dAcos(n ^ k) d n k |n|cos(n ^ k)1 cos(n ^ k) |n|1讨论若曲面方程为 x g(y z)或 yh(z x) 则曲面的面积如何求？A1 ( x)2(x) 2 dydz Dyz yz或A1 ( y )2( y )2dzdx Dzxzx其中 D yz 是曲面在 yOz 面上的投影区域D zx 是曲面在 zOx 面上的投影区域例 1 求半径为 R 的球的表面积解上半球面方程为 zR 2 x 2 y 2 x 2 y 2 R 2因为 z 对 x 和对 y 的偏导数在 D x 2 y 2 R 2上无界所以上半球面面积不能直接求出因此先求在区域 D 1 x 2 y 2 a 2 (a R)上的部分球面面积然后取极限Rdxdy 2ardrRdx 2 y 2 a2R 2 x 2y 20 0R 2 r22 R(RR 2 a 2 )于是上半球面面积为 lim 2 R( RR2a 2 ) 2 R2a R整个球面面积为 A 2A 1 4 R 2提示zR2x y2zy y21 ( z )2( z) 2R xx2y R 2x2xyR 2x 2y2解球面的面积 A 为上半球面面积的两倍上半球面的方程为zR 2 x 2 y 2 而zxzyxR 2 x2y 2yR 2 x 2 y 2所以A 21 ( z )2( z )2x 2 y 2 R 2xy2Rdxdy 2Rd2RdR 2 x 2 y 2 x 2 y 2 R 2R 22 22R24 R R4 R例 2 设有一颗地球同步轨道通讯卫星距地面的高度为 h 36000km 运行的角速度与地球自转的角速度相同试计算该通讯卫星的覆盖面积与地球表面积的比值(地球半径R 6400km)解取地心为坐标原点地心到通讯卫星中心的连线为z 轴建立坐标系通讯卫星覆盖的曲面是上半球面被半顶角为的圆锥面所截得的部分的方程为zR 2 x 2 y 2 x 2 y 2 R 2sin 2于是通讯卫星的覆盖面积为A1 ( z )2 ( z )2dxdyRdxdy DxyxyD xy R 2x2 y2其中 D xy {( x y)| x 2y 2 R 2sin 2 } 是曲面在 xOy 面上的投影区域利用极坐标得2d Rsin R dRsind 2 R 2(1 cos )A2 RR 22R 22由于 cosR代入上式得R hA 2 R 2(1R ) 2 R 2 h由此得这颗通讯卫星的覆盖面积与地球表面积之比为A h 36 10642.5%4 R2 2(R h) 2(36 6.4) 106由以上结果可知卫星覆盖了全球三分之一以上的面积故使用三颗相隔 2 角度的3通讯卫星就可以覆盖几乎地球全部表面二、质心设有一平面薄片占有 xOy 面上的闭区域 D 在点 P(x y)处的面密度为(x y) 假定(x y)在 D 上连续现在要求该薄片的质心坐标在闭区域 D 上任取一点 P(x y) 及包含点 P(x y)的一直径很小的闭区域 d (其面积也记为 d ) 则平面薄片对 x 轴和对 y 轴的力矩 (仅考虑大小 )元素分别为dM x y (x y)d dM y x (x y)d平面薄片对x 轴和对 y 轴的力矩分别为M x y (x, y)d M y x (x, y)dD D设平面薄片的质心坐标为(x, y) 平面薄片的质量为 M 则有x M M y y M M x于是M yx ( x, y)dM xy ( x, y)d D Dx(x, y)d y( x, y)dM MD D在闭区域 D 上任取包含点P(x y)小的闭区域 d (其面积也记为 d ) 则平面薄片对 x 轴和对 y 轴的力矩元素分别为dM x y (x y)d dM y x (x y)d平面薄片对x 轴和对 y 轴的力矩分别为M x y (x, y)d M y x (x, y)dD D设平面薄片的质心坐标为(x, y) 平面薄片的质量为M 则有x M M y y M M x于是M yx ( x, y)dM xy ( x, y)dx DyDM(x, y)dM( x, y)dDD提示将 P(x y)点处的面积元素 d 看成是包含点 P 的直径得小的闭区域 D 上任取一点 P(x y)及包含的一直径很小的闭区域d (其面积也记为d ) 则平面薄片对 x 轴和对 y轴的力矩 (仅考虑大小 )元素分别为讨论如果平面薄片是均匀的即面密度是常数则平面薄片的质心 ( 称为形心 )如何求？求平面图形的形心公式为xdydxDy DddDD例 3 求位于两圆 2sin 和 4sin 之间的均匀薄片的质心解因为闭区域 D 对称于 y 轴所以质心 C(x, y) 必位于 y 轴上于是 xyd2sin d dsin 4sin 2d7因为dD D2 sind2212 3Dyd 7 7 所求形心是 C(0, 7) 所以 yD d333D类似地占有空间闭区域、在点 (x y z)处的密度为(x y z)(假宽 (x y z)在上连续 )的物体的质心坐标是x1 x (x, y, z)dvy 1 y (x, y,z)dvz1 z (x, y, z)dvMMM其中 M (x, y, z)dv例 4 求均匀半球体的质心解取半球体的对称轴为 z 轴原点取在球心上又设球半径为 a 则半球体所占空间闭区可表示为{( x y z)| x 2 y 2 z 2 a 2 z 0}显然质心在 z 轴上故 x y 0z dvzdvz3advdv 8故质心为 (0, 0,3a)8提示0 r a2 02dv2 d2 da 2sin dr2sin2 a 22 a 30 rddr dr30 0zdv2 2 d a r 2 sin dr1 2 sin 2 d 2 a 31 2 a 4 0dr cos2 0 drdr2 4 0三、转动惯量设有一平面薄片占有 xOy 面上的闭区域 D 在点 P(x y)处的面密度为(x y) 假定 (xy)在 D 上连续现在要求该薄片对于x 轴的转动惯量和 y 轴的转动惯量在闭区域 D 上任取一点 P(x y) 及包含点 P(x y)的一直径很小的闭区域 d (其面积也记为 d ) 则平面薄片对于 x 轴的转动惯量和 y 轴的转动惯量的元素分别为dI x y 2 (x y)ddI y x 2 (x y)d整片平面薄片对于x 轴的转动惯量和y 轴的转动惯量分别为I xy 2 (x, y)dI yx 2 (x, y)dDD例 5 求半径为 a 的均匀半圆薄片 (面密度为常量) 对于其直径边的转动惯量解取坐标系如图则薄片所占闭区域 D 可表示为D {( x y)| x 2 y 2 a 2 y 0}而所求转动惯量即半圆薄片对于x 轴的转动惯量 I xI xy 2 d2sin2d dD Dsin 2 a 3d4sin 2 d 0da 04 01 a 41 Ma 242 4其中 M1 a2 为半圆薄片的质量2类似地占有空间有界闭区域、在点 (x y z)处的密度为 (x y z)的物体对于 x 、y 、 z轴的转动惯量为I x ( y 2 z 2) (x, y, z)dvI y ( z 2x 2) ( x, y, z)dvI z( x 2 y 2) (x, y, z)dv例 6 求密度为的均匀球体对于过球心的一条轴l 的转动惯量解取球心为坐标原点 z 轴与轴 l 重合又设球的半径为a 则球体所占空间闭区域{( x y z)| x 2 y 2 z 2 a 2}所求转动惯量即球体对于z 轴的转动惯量 I zI z( x 2 y 2) dv(r 2sin 2cos2r 2 sin 2 sin 2 )r 2sin drd dr 4 sin32 dsin3da 4dr8 a 5 2 a 2M drd d r155其中 M 4 a 3为球体的质量3提示x 2 y 2 r 2sin 2 cos 2 r 2sin 2 sin 2r 2sin 2四、引力我们讨论空间一物体对于物体外一点P 0(x 0 y 0 z 0)处的单位质量的质点的引力问题设物体占有空间有界闭区域它在点 (x y z)处的密度为 (x y z) 并假定 (x y z)在上连续在物体内任取一点(x y z) 及包含该点的一直径很小的闭区域dv(其体积也记为dv)把这一小块物体的质量 dv 近似地看作集中在点 (x y z)处这一小块物体对位于 P0 (x0 y0 z0) 处的单位质量的质点的引力近似地为dF (dF x,dF y,dF z)(G ( x, y, z)( x x)dv,G(x, y, z)( y y)dv,G(x, y,z)( z z)dv)r 3 r 3 r 3其中 dF x、 dF y、 dF z 为引力元素 dF 在三个坐标轴上的分量r ( x x )2 ( y y )2 (z z )2G为引力常数将 dF x、dF y、dF z在上分别积分即可0 0 0得F x、F y、F z从而得 F (F x、F y、 F z)例 7 设半径为 R 的匀质球占有空间闭区域{( x y z)|x2 y2 z2 R2) 求它对于位于点M 0(0 0 a) (a>R)处的单位质量的质点的引力解设球的密度为0 由球体的对称性及质量分布的均匀性知F x=F y=0, 所求引力沿 z 轴的分量为F zG 0 z adv[ x2 y2 (z a)2 ]3 /2G 0 R ( z a)dzdxdy2 y 2 2 3/ 2R x2 [ x (z a) ]G 0 R ( z a)dz 2 d R2 z2 dR 0 0 [ 2( z a)2]3 /22 GR(z a)( 1 1 )dz 0 R 2a z 2az a2R2 G [ 2R 1 R (z a)d 2 2az a 2 ]R0 a R2G 0( 2R 2R 2R3 )G 4 R33a21 GM4 R3 3 0 a2 a2其中 M 0 为球的质量3上述结果表明匀质球对球外一质点的引力如同球的质量集中于球心时两质点间的引力。

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